DE102014217180A1 - An image forming apparatus for a head-up display, head-up display, and method for generating an image for a head-up display - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Bilderzeugungsvorrichtung (106) für ein Head-up-Display (102). Die Bilderzeugungsvorrichtung (106) umfasst zumindest eine Lichtquelle (108) zum Erzeugen eines Lichtstrahls (114), zumindest ein Aufweitungselement (110), das in einem Strahlengang des Lichtstrahls (114) angeordnet ist, um den Lichtstrahl (114) aufzuweiten, sowie zumindest eine Lichtmodulationseinrichtung (112), die in einem Strahlengang eines von dem Aufweitungselement (110) aufgeweiteten Lichtstrahls (116) angeordnet ist, um von dem aufgeweiteten Lichtstrahl (116) aus mehreren Winkeln gleichzeitig beleuchtet zu werden, und die ausgebildet ist, um aus dem aufgeweiteten Lichtstrahl (116) einen ein Bild (108) repräsentierenden Bildstrahl (122) zu erzeugen.The invention relates to an image generation device (106) for a head-up display (102). The image forming device (106) comprises at least one light source (108) for generating a light beam (114), at least one expansion element (110) arranged in a beam path of the light beam (114) to expand the light beam (114) and at least one A light modulator (112) disposed in an optical path of a light beam (116) flared by said expander member (110) for being illuminated simultaneously by said flare beam (116) at multiple angles and adapted to emerge from said flared light beam (116) to generate an image beam (122) representing an image (108).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Bilderzeugungsvorrichtung für ein Head-up-Display, auf ein Head-up-Display, auf ein Verfahren zum Erzeugen eines Bilds für ein Head-up-Display, auf ein entsprechendes Steuergerät sowie auf ein entsprechendes Computerprogramm.The present invention relates to an image generation apparatus for a head-up display, to a head-up display, to a method for generating an image for a head-up display, to a corresponding control device and to a corresponding computer program.
Aktuelle Head-up-Displays können ein von einer Bildgebereinheit erzeugtes Bild, englisch picture generating unit (PGU), mithilfe einer Optik auf eine virtuelle, vor dem Fahrzeug befindliche Leinwand abbilden.Current head-up displays can image an image generated by an image generator unit, English picture generating unit (PGU), using an optical system on a virtual, located in front of the vehicle screen.
Ein derart projiziertes virtuelles Bild kann von einem Fahrer wahrgenommen werden. Dabei kann das Bild mit einer Fahrszene überlagert sein und in einem definierten Abstand von einer Frontscheibe auf der virtuellen Leinwand angezeigt werden.Such a projected virtual image can be perceived by a driver. In this case, the image can be superimposed with a driving scene and displayed at a defined distance from a windshield on the virtual screen.
Als bildgebende Elemente in der Bildgebereinheit können beispielsweise LCD-Module verwendet werden.For example, LCD modules can be used as imaging elements in the imaging unit.
Es sind ferner autostereoskopische Head-up-Displays bekannt, die mit separaten Teilbildern für linkes und rechtes Auge arbeiten. Dadurch kann ein 3-D-Effekt erzeugt werden. Dabei können die beiden Teilbilder bereits durch die Bildgebereinheit erzeugt werden. Die Teilbilder können über eine Optik des Head-up-Displays einem jeweiligen Auge in einem entsprechenden Augenbewegungsbereich, auch Eyebox genannt, zur Verfügung gestellt werden.Autostereoscopic head-up displays are also known, which work with separate partial images for left and right eye. This can produce a 3-D effect. In this case, the two partial images can already be generated by the imaging unit. The partial images can be made available to a respective eye in a corresponding eye movement region, also called an eyebox, via an optic of the head-up display.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Bilderzeugungsvorrichtung für ein Head-up-Display, ein Head-up-Display, ein Verfahren zum Erzeugen eines Bilds für ein Head-up-Display, weiterhin ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, with the approach presented here, an image generation device for a head-up display, a head-up display, a method for generating an image for a head-up display, furthermore a control device that uses this method, as well finally presented a corresponding computer program according to the main claims. Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.
Der hier vorgeschlagene Ansatz schafft eine Bilderzeugungsvorrichtung für ein Head-up-Display, wobei die Bilderzeugungsvorrichtung folgende Merkmale aufweist:
zumindest eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahls;
zumindest ein Aufweitungselement, das in einem Strahlengang des Lichtstrahls angeordnet ist, um den Lichtstrahl aufzuweiten; und
zumindest eine Lichtmodulationseinrichtung, die in einem Strahlengang eines von dem Aufweitungselement aufgeweiteten Lichtstrahls angeordnet ist, um von dem aufgeweiteten Lichtstrahl aus mehreren Winkeln gleichzeitig beleuchtet zu werden, und die ausgebildet ist, um aus dem aufgeweiteten Lichtstrahl einen ein Bild repräsentierenden Bildstrahl zu erzeugen.The approach proposed herein provides an image forming apparatus for a head-up display, the image forming apparatus comprising:
at least one light source for generating a light beam;
at least one expansion element disposed in a beam path of the light beam to expand the light beam; and
at least one light modulation device arranged in a beam path of a light beam expanded by the expansion element to be illuminated simultaneously by the expanded light beam from a plurality of angles and adapted to generate an image beam representing the image from the expanded light beam.
Unter einem Head-up-Display kann ein Blickfeldanzeigegerät zum Projizieren eines Bilds in ein Blickfeld eines Betrachters verstanden werden. Dabei kann das Bild beispielsweise in einen einem jeweiligen Auge des Betrachters zugeordneten Augenbewegungsbereich projiziert werden. Das Head-up-Display kann in einem Fahrzeug eingebaut sein, um das Bild mittels einer Windschutzscheibe des Fahrzeugs in das Blickfeld eines Fahrers projizieren. Unter einer Bilderzeugungsvorrichtung kann eine Komponente des Head-up-Displays verstanden werden, die ausgebildet ist, um einen Lichtstrahl zu erzeugen und dem Lichtstrahl einen anzuzeigenden Bildinhalt aufzuprägen. Eine Lichtquelle kann beispielsweise eine Laser- oder LED-Quelle sein. Unter einem Aufweitungselement kann ein optisches Element zum Verändern eines Lichtkegels des Lichtstrahls, genauer eines Öffnungswinkels des Lichtkegels, verstanden werden. Das Aufweitungselement kann beispielsweise als Streufläche, Linse oder Mikrolinsenarray realisiert sein. Unter einer Lichtmodulationseinrichtung kann ein Flächenlichtmodulator, englisch spatial light modulator, wie etwa ein LCoS-Display oder ein Mikrospiegelarray, insbesondere ein DLP-Chip (digital light processing), verstanden werden. Unter einem Bild kann eine grafische Information, etwa ein Navigationspfeil oder eine Geschwindigkeitsanzeige, verstanden werden.A head-up display can be understood as a visual field display device for projecting an image into a field of view of a viewer. In this case, the image can be projected, for example, into an eye movement area assigned to a respective eye of the observer. The head-up display may be installed in a vehicle to project the image into the field of vision of a driver by means of a windshield of the vehicle. An imaging device may be understood to mean a component of the head-up display which is designed to generate a light beam and to impose an image content to be displayed on the light beam. A light source may be, for example, a laser or LED source. An expansion element can be understood to mean an optical element for changing a light cone of the light beam, more precisely an opening angle of the light cone. The expansion element can be realized, for example, as a scattering surface, lens or microlens array. A light modulation device may be understood to mean a surface light modulator, such as an LCoS display or a micromirror array, in particular a DLP chip (digital light processing). An image may be understood to mean graphic information, such as a navigation arrow or a speed indicator.
Der vorliegende Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass es möglich ist, einen von einer Bildgebereinheit eines Head-up-Displays mittels eines Flächenlichtmodulators erzeugten Lichtstrahl direkt auf einen Spiegel des Head-up-Displays zu lenken, ohne den Lichtstrahl mittels einer zwischen dem Flächenlichtmodulator und dem Spiegel angeordneten Streufläche zusätzlich zu formen. Dies erreicht der vorliegende Ansatz dadurch, dass eine derartige Streufläche oder ein anderes zur Formung des Lichtstrahls geeignetes optisches Element in die Bildgebereinheit integriert wird und dabei zwischen dem Flächenlichtmodulator und einer Beleuchtungsquelle zum Beleuchten des Flächenlichtmodulators angeordnet wird. Durch eine solche Anordnung der Streufläche zwischen dem Flächenlichtmodulator und der Beleuchtungsquelle kann die Darstellungsqualität des Head-up-Displays gegenüber herkömmlichen Lösungen deutlich verbessert werden.The present approach is based on the finding that it is possible to direct a light beam generated by an imager unit of a head-up display by means of a surface light modulator directly on a mirror of the head-up display, without the light beam by means of a between the surface light modulator and the Mirror arranged scattered surface in addition to shape. This is achieved by the present approach in that such a scattering surface or another optical element suitable for shaping the light beam is integrated into the imaging unit and is arranged between the area light modulator and an illumination source for illuminating the area light modulator. Such an arrangement of the scattering surface between the surface light modulator and the illumination source, the display quality of the head-up display over conventional solutions can be significantly improved.
Ein durch ein Head-up-Display dargestelltes virtuelles Bild ist eine vergrößerte Abbildung eines Displays einer Bildgebereinheit. Dazu weist eine Optik des Head-up-Displays eine bestimmte Vergrößerung auf. Die notwendige Vergrößerung nimmt mit einem Abstand der virtuellen Leinwand zu, da das von der Bildgebereinheit erzeugte Bild stärker vergrößert werden muss, um in größerem Abstand ein gewünschtes Sichtfeld des Fahrers einzunehmen. Der Abstand der virtuellen Leinwand liegt bei aktuellen Head-up-Displays bei etwa 15 m.A virtual image represented by a head-up display is an enlarged image of a display of an imager unit. For this purpose, an optic of the head-up display has a certain magnification. The necessary magnification increases with a distance of the virtual screen, since the image generated by the imager unit must be increased more to take a desired field of view of the driver at a greater distance. The distance of the virtual screen is at current head-up displays at about 15 m.
Im umgekehrten Lichtweg kann die Vergrößerung der Head-up-Display-Optik bei Einstrahlung von Sonnenlicht zu einer Fokussierung des Sonnenlichts auf den Bildgeber führen. Dieser wird dadurch aufgeheizt und erreicht Temperaturen, die den Bildgeber zerstören können. Vor allem bei auf LCD-Modulen basierenden Systemen kann eine Temperaturerhöhung kritisch sein, da die LCD-Module bereits bei einer Temperatur von ca. 100 °C permanenten Schaden nehmen können. Ab ca. 95 °C kann es zu einer Delamination der Polfilter, ab ca. 105 °C zu einem isotropen Flüssigkristall und ab ca. 125°C zu einem permanenten Flüssigkristallschaden kommen.In the reverse light path, enlarging the head-up display optics when exposed to sunlight can cause the sunlight to focus on the imager. This is then heated up and reaches temperatures that can destroy the imager. Temperature increases can be critical, especially for systems based on LCD modules, since the LCD modules can be permanently damaged even at a temperature of approx. 100 ° C. From about 95 ° C can lead to a delamination of the polarizing filter, from about 105 ° C to an isotropic liquid crystal and from about 125 ° C to a permanent liquid crystal damage.
Es sind Ansätze bekannt, wonach DLP- oder LCoS-Projektoren (liquid crystal on silicon) als Grundlage für projektionsbasierte Head-up-Displays verwendet werden können. Dabei wird innerhalb des Projektors ein Imager, beispielsweise ein LCoS- oder DLP-Chip, mit kollimiertem Licht beleuchtet. Ein LCoS-Chip dreht beispielsweise bei aktiven Pixeln die Polarisation des Lichts und reflektiert. Dadurch kann das Licht der aktiven Pixel durch einen vor dem LCoS-Chip befindlichen Strahlteiler umgelenkt werden, während das Licht inaktiver Pixel mit unveränderter Polarisationsrichtung in die Lichtquelle zurückreflektiert wird.There are known approaches according to which DLP or LCoS (liquid crystal on silicon) projectors can be used as a basis for projection-based head-up displays. In the process, an imager, for example an LCoS or DLP chip, is illuminated within the projector with collimated light. An LCoS chip, for example, rotates the polarization of the light with active pixels and reflects. As a result, the light of the active pixels can be deflected by a beam splitter located in front of the LCoS chip, while the light of inactive pixels with unchanged polarization direction is reflected back into the light source.
In der Regel wird der durch den Imager erzeugte Bildinhalt mithilfe eines Objektivs auf eine Streufläche abgebildet. Auf der Streufläche wird also ein reelles, vergrößertes Bild des Imagers erzeugt. Durch die nahezu kollimierte Beleuchtung des Imagers ist der Winkel, unter dem sich die Strahlen eines Bildpunkts im Fokus auf der Streufläche schneiden, sehr gering. Um den Bildpunkt trotzdem aus verschiedenen Winkeln betrachten zu können, werden die Lichtstrahlen dieses Bildpunkts durch die Streufläche in einen größeren Raumbereich aufgefächert.Typically, the image content created by the imager is imaged onto a scatter surface using a lens. On the scattering surface, therefore, a real, enlarged image of the imager is generated. Due to the almost collimated illumination of the imager, the angle at which the rays of a pixel intersect in focus on the scattering surface is very small. Nevertheless, in order to be able to view the pixel from different angles, the light rays of this pixel are fanned out by the scattered surface into a larger spatial area.
Durch die Abbildungsoptik des Head-up-Displays werden die Strahlen über die Eyebox verteilt, wodurch der Bildpunkt aus der ganzen Eyebox betrachtet werden kann. Dabei scheinen alle Strahlen aus einem virtuellen Punkt hinter der Windschutzscheibe zu kommen. Es wird also der Eindruck erzeugt, als ob sich das komplette Bild in virtueller Leinwanddistanz vor dem Fahrzeug befände.The imaging optics of the head-up display, the rays are distributed over the eyebox, whereby the pixel can be viewed from the entire eyebox. All rays seem to come from a virtual point behind the windshield. It creates the impression as if the entire image was in virtual screen distance in front of the vehicle.
Ein DLP-Projektor funktioniert ähnlich einem LCoS-Projektor, mit dem Unterschied, dass der DLP-Projektor nicht auf einem polarisationsabhängigen Element, sondern auf kleinen, klappbaren Spiegeln basiert. Dabei kann das Licht einer Beleuchtungseinheit durch ein TIR-Prisma (TIR = total internal reflection; „Totalreflexion“) geleitet werden. Treffen die Strahlen auf eine Mikrospiegelmatrix des DLP-Chips, werden die aktiven Pixel derart geschaltet, dass der reflektierte Strahl innerhalb des Prismas eine Totalreflexion erfährt. Dadurch werden die Strahlen der aktiven Pixel zum Objektiv hingeleitet. Durch eine Spiegelstellung für nicht aktive Pixel können Strahlen zurück zur Lichtquelle geleitet werden.A DLP projector works in a similar way to an LCoS projector, except that the DLP projector is not based on a polarization-dependent element but on small, hinged mirrors. In this case, the light of a lighting unit can be conducted through a TIR prism (total internal reflection). When the beams hit a micromirror array of the DLP chip, the active pixels are switched so that the reflected beam within the prism undergoes total internal reflection. As a result, the rays of the active pixels are guided to the objective. By mirroring non-active pixels, rays can be directed back to the light source.
Mittels des vorliegenden Ansatzes kann nun ein Displaysystem mit einem kleinen Imager als Bildgeber und ohne Streufläche im Abbildungsweg realisiert werden. Dadurch können durch Streuflächen verursachte Beeinträchtigungen wie beispielsweise Kontrastverminderung, Granulation im Bild, Effizienzverringerung und Erzeugung von Störlicht durch Streuung in unerwünschte Richtungen vermieden werden. Insbesondere kann dadurch auch die Problematik von rückwärtig eingestrahltem Sonnenlicht entschärft werden.By means of the present approach, a display system with a small imager can now be realized as an imager and without a scattering surface in the imaging path. As a result, impairments caused by scattering surfaces such as contrast reduction, granulation in the image, efficiency reduction and generation of stray light by scattering in undesired directions can be avoided. In particular, thereby the problem of backward irradiated sunlight can be defused.
Hierzu ist der Imager mit einer speziellen Hinterleuchtung vorgesehen, durch die benötigte Abstrahlkegel am Chip erzeugt werden können. Dies hat den Vorteil, dass auf ein Objektiv, wie es beispielsweise in einem Projektor benötigt wird, verzichtet werden kann, indem die Funktion des Objektivs und der Abbildung auf die virtuelle Leinwand von der Optik des Head-up-Displays selbst übernommen werden kann.For this purpose, the imager is provided with a special backlight, can be generated by the required Abstrahlkegel on the chip. This has the advantage that it is possible to dispense with a lens, as is required, for example, in a projector, in that the function of the objective and the image on the virtual screen can be taken over by the optics of the head-up display itself.
Zur Realisierung eines stereoskopischen Head-up-Displays kann optional eine Trennung der Bildinformationen für linkes und rechtes Auge in separate Eyeboxes vorgesehen sein. Zur Erzeugung der beiden Eyeboxes können beispielsweise dieselben Spiegel verwendet werden. Durch unterschiedliche Abstrahlrichtungen der beiden Teilbilder am Display können die beiden Eyeboxen unabhängig voneinander bedient werden. For the realization of a stereoscopic head-up display optionally a separation of the image information for left and right eye can be provided in separate eyeboxes. For example, the same mirrors can be used to produce the two eyeboxes. Due to the different emission directions of the two partial images on the display, the two eyeboxes can be operated independently of each other.
Gemäß einer Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes kann die Bildgenerierung für beide Augen mittels nur eines Imagers erfolgen, indem zwischen den jeweiligen Teilbildern zeitsequenziell umgeschaltet wird.According to one embodiment of the approach presented here, the image generation for both eyes can take place by means of only one imager, by switching over between the respective sub-images in a time-sequential manner.
Die Bilderzeugungsvorrichtung kann mit zumindest einem Lichtstrahlfokussierelement vorgesehen sein, das im Strahlengang des aufgeweiteten Lichtstrahls zwischen dem Aufweitungselement und der Lichtmodulationseinrichtung angeordnet ist, um den aufgeweiteten Lichtstrahl auf die Lichtmodulationseinrichtung zu fokussieren. Ein Lichtstrahlfokussierelement kann eine Linse sein. Durch das Lichtstrahlfokussierelement kann der aufgeweitete Lichtstrahl präzise auf die Lichtmodulationseinheit gelenkt werden.The image forming apparatus may be provided with at least one light beam focusing element disposed in the beam path of the expanded light beam between the expanding element and the light modulating device to focus the expanded light beam onto the light modulating device. A Lichtstrahlfokussierelement may be a lens. By the Lichtstrahlfokussierelement the expanded light beam can be precisely directed to the light modulation unit.
Es ist vorteilhaft, wenn die Lichtmodulationseinrichtung als LCoS-Display ausgeführt ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Lichtmodulationseinrichtung als Mikrospiegelarray ausgeführt sein. Ein solches LCoS-Display bzw. Mikrospiegelarray kann relativ kostengünstig bereitgestellt werden und ermöglicht eine variable Umlenkung des Bildstrahls in mehrere Richtungen.It is advantageous if the light modulation device is designed as LCoS display. Alternatively or additionally, the light modulation device can be designed as a micromirror array. Such an LCoS display or micromirror array can be provided relatively inexpensively and enables a variable deflection of the image beam in several directions.
Optional kann das Aufweitungselement als Streufläche ausgeführt sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Aufweitungselement auch als Mikrolinsenarray ausgeführt sein. Unter einer Streufläche kann eine reflektierende oder transmittierende Fläche verstanden werden, die ausgebildet ist, um einen Lichtstrahl in einen größeren Raumbereich aufzufächern. Unter einem Mikrolinsenarray kann ein Chip mit einer Mehrzahl von Mikrolinsen verstanden werden, durch die der Lichtstrahl aufgeweitet werden kann. Auch durch diese Ausführungsform lässt sich die zum Hinterleuchten der Lichtmodulationseinrichtung erforderliche Strahlformung des Lichtstrahls mit verhältnismäßig geringem Kostenaufwand realisieren.Optionally, the expansion element can be designed as a scattering surface. Alternatively or additionally, the expansion element can also be designed as a microlens array. A scattering surface can be understood as a reflective or transmitting surface which is designed to fan out a light beam into a larger spatial area. A microlens array can be understood to mean a chip having a plurality of microlenses, by means of which the light beam can be widened. By means of this embodiment too, the beam shaping of the light beam required for backlighting of the light modulation device can be realized at relatively low cost.
Die Bilderzeugungsvorrichtung kann zudem mit zumindest einer Lichtfalle vorgesehen sein. Dabei kann die Lichtmodulationseinrichtung ausgebildet sein, um den Bildstrahl und, alternativ oder zusätzlich, einen auf die Lichtmodulationseinrichtung auftreffenden Lichtstrahl in die Lichtfalle zu lenken. Unter einer Lichtfalle kann ein Element zur Absorption eines Lichtstrahls verstanden werden. Dadurch kann der Lichtstrahl abgeblendet werden. Ferner kann die Lichtquelle vor Beschädigungen durch einen auf die Lichtmodulationseinrichtung auftreffenden Lichtstrahl geschützt werden, indem der Lichtstrahl mittels der Lichtmodulationseinrichtung in die Lichtfalle statt zurück zur Lichtquelle geleitet wird.The image forming device may also be provided with at least one light trap. In this case, the light modulation device can be designed to direct the image beam and, alternatively or additionally, a light beam incident on the light modulation device into the light trap. A light trap may be understood to mean an element for absorbing a light beam. As a result, the light beam can be dimmed. Furthermore, the light source can be protected against damage by a light beam impinging on the light modulating device by passing the light beam by means of the light modulating device into the light trap instead of back to the light source.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn die Lichtquelle, die Lichtmodulationseinrichtung oder das Aufweitungselement drehbar oder verschiebbar ist. Dadurch kann auf einfache Weise eine Abstrahlrichtung des Bildstrahls verändert werden, beispielsweise um den Bildstrahl einer Augenbewegung nachzuführen.It is also advantageous if the light source, the light modulation device or the expansion element is rotatable or displaceable. As a result, a radiation direction of the image beam can be changed in a simple manner, for example in order to track the image beam of an eye movement.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Bilderzeugungsvorrichtung mit einer Faseroptik versehen sein, die einen in einem Strahlengang des Bildstrahls angeordneten Lichteingang aufweist, auch Fasereingang genannt, und ausgebildet ist, um aus dem Bildstrahl einen eine Vergrößerung des Bilds repräsentierenden Vergrößerungsstrahl zu erzeugen. Unter einer Faseroptik kann eine optische Komponente mit einer Mehrzahl parallel zueinander angeordneter Glasfasern als Lichtleiter verstanden werden. Die Faseroptik kann beispielsweise die Form eines Trichters aufweisen. Dabei kann der Lichteingang einer kleineren Öffnung zweier gegenüberliegender Öffnungen des Trichters entsprechen. Auf diese Weise kann das durch den Bildstrahl repräsentierte Bild vergrößert dargestellt werden, ohne die Darstellungsqualität des Bildes zu verschlechtern.According to a further embodiment, the imaging device may be provided with a fiber optic having a light input arranged in a beam path of the image beam, also called a fiber input, and designed to generate from the image beam a magnification beam representing an enlargement of the image. A fiber optic may be understood to mean an optical component having a plurality of glass fibers arranged parallel to one another as light guide. The fiber optic may, for example, have the shape of a funnel. In this case, the light entrance of a smaller opening correspond to two opposite openings of the funnel. In this way, the image represented by the image beam can be magnified without deteriorating the display quality of the image.
Mittels einer solchen Faseroptik lässt sich beispielsweise eine Vorvergrößerung eines LCoS-Displays realisieren. Die Vorvergrößerung ermöglicht es einer Optik des Head-up-Displays, den LCoS-Chip direkt zu vergrößern und auf die virtuelle Leinwand abzubilden.By means of such a fiber optic, for example, a pre-enlargement of an LCoS display can be realized. The pre-enlargement allows optics of the head-up display to directly enlarge the LCoS chip and image it on the virtual screen.
Eine wesentliche Hürde bei der Verwendung kleiner Imager, die direkt abgebildet werden sollen, ist die entsprechend hohe Vergrößerung, die dabei durch die Head-up-Display-Optik erreicht werden sollte. Dies kann einen hohen optischen Aufwand erfordern und die Toleranzanforderungen verschärfen. Aktuelle LCoS-Chips sind in relativ kleinen Chipgrößen wie beispielsweise 0,88" verfügbar. Zusätzlich sind kleinere Chips kostengünstiger als größere Varianten.A major hurdle in the use of small imagers to be imaged directly is the correspondingly high magnification, which should be achieved by the head-up display optics. This can require a high optical effort and tighten the tolerance requirements. Current LCoS chips are available in relatively small chip sizes, such as 0.88 ", and smaller chips are more cost effective than larger variants.
Durch den Einsatz einer Faseroptik wird der LCoS-Chip vergrößert abgebildet, ohne dass der LCoS-Chip auf eine außerhalb der Bilderzeugungsvorrichtung befindliche Streufläche projiziert werden muss. Vielmehr kann die Faseroptik das vergrößerte Bild einer nachfolgenden Head-up-Display direkt zur Verfügung stellen. Durch die vergrößernde Faseroptik kann also auf kleinere und somit kostengünstigere LCoS-Chips zurückgegriffen werden, wodurch die Herstellungskosten der Bilderzeugungsvorrichtung gesenkt werden können. By using fiber optics, the LCoS chip is enlarged in size without having to project the LCoS chip onto a scattering surface located outside the imaging device. Rather, the fiber optic can provide the enlarged image directly to a subsequent head-up display. As a result of the enlarging fiber optics, smaller and therefore more cost-effective LCoS chips can be used, whereby the production costs of the image forming apparatus can be reduced.
Mithilfe dieser Elemente kann ein Mikrodisplay mit sehr geringem Qualitätsverlust vergrößert werden. Bei konventionellem Einsatz kann die Faseroptik direkt auf dem Mikrodisplay angebracht werden. Dabei kann der LCoS-Chip entsprechend hinterleuchtet werden, wie weiter unten genauer beschrieben.These elements can be used to enlarge a microdisplay with very little loss of quality. For conventional use, the fiber optic can be mounted directly on the microdisplay. In this case, the LCoS chip can be backlit accordingly, as described in more detail below.
Um den aufgeweiteten Lichtstrahl gezielt auf die Lichtmodulationseinrichtung zu lenken, kann die Bilderzeugungsvorrichtung mit zumindest einem entsprechenden Lichtleitelement vorgesehen sein. Ein Lichtleitelement kann beispielsweise ein Strahlteilerwürfel oder eine Lichtleiterplatte sein. Das Lichtleitelement kann ausgebildet sein, um alternativ oder zusätzlich den Bildstrahl in den Lichteingang der Faseroptik zu leiten. Mittels des Lichtleitelements kann eine unerwünschte Streuung des Lichtstrahls bzw. des Bildstrahls vermieden werden.In order to specifically direct the expanded light beam onto the light modulation device, the image generation device can be provided with at least one corresponding light guide element. A light-guiding element can be, for example, a beam splitter cube or a light guide plate. The light-guiding element can be designed to alternatively or additionally guide the image beam into the light input of the fiber optic. By means of the light-guiding element, an undesired scattering of the light beam or of the image beam can be avoided.
Die Bilderzeugungsvorrichtung kann zudem zumindest ein Bildstrahlfokussierelement aufweisen, das im Strahlengang des Bildstrahls zwischen der Lichtmodulationseinrichtung und der Faseroptik angeordnet ist, um den Bildstrahl auf den Lichteingang zu fokussieren. Das Bildstrahlfokussierelement kann eine Linse sein. Dadurch ist eine genaue und scharfe Abbildung der Lichtmodulationseinrichtung auf den Lichteingang sichergestellt.The image generation device may further comprise at least one image beam focusing element which is arranged in the beam path of the image beam between the light modulation device and the fiber optics in order to focus the image beam on the light input. The image-beam focusing element may be a lens. This ensures an accurate and sharp image of the light modulation device on the light entrance.
Weiterhin kann die Bilderzeugungsvorrichtung mit zumindest einer weiteren Lichtquelle zum Erzeugen eines weiteren Lichtstrahls und zumindest einem weiteren Aufweitungselement vorgesehen sein. Das weitere Aufweitungselement kann in einem Strahlengang des weiteren Lichtstrahls angeordnet sein, um den weiteren Lichtstrahl aufzuweiten. Dabei kann die Lichtmodulationseinrichtung ferner in einem Strahlengang eines von dem weiteren Aufweitungselement aufgeweiteten weiteren Lichtstrahls angeordnet sein, um aus dem aufgeweiteten weiteren Lichtstrahl einen ein weiteres Bild repräsentierenden weiteren Bildstrahl zu erzeugen. Insbesondere können das weitere Bild und das Bild je ein stereoskopisches Halbbild repräsentieren. Unter einem stereoskopischen Halbbild kann ein Halbbild eines Stereobildpaars verstanden werden, bei dessen Betrachtung ein räumlicher Eindruck von Tiefe entsteht. Dabei kann je ein Halbbild je einem Auge eines Betrachters zugeordnet sein. Eine solche Bilderzeugungsvorrichtung ermöglicht die Realisierung eines stereoskopischen Head-up-Displays.Furthermore, the image generating device can be provided with at least one further light source for generating a further light beam and at least one further expansion element. The further expansion element can be arranged in a beam path of the further light beam in order to widen the further light beam. In this case, the light modulation device can furthermore be arranged in a beam path of a further light beam which is widened by the further expansion element in order to generate from the expanded further light beam a further image beam representing a further image. In particular, the further image and the image may each represent a stereoscopic field. A stereoscopic field can be understood as a field of a stereo image pair, which creates a spatial impression of depth when viewed. In this case, one field may each be assigned to one eye of a viewer. Such an image forming apparatus enables realization of a stereoscopic head-up display.
Der hier vorgeschlagene Ansatz schafft zudem ein Head-up-Display mit einer Bilderzeugungsvorrichtung gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsformen.The approach proposed here also provides a head-up display with an imaging device according to one of the embodiments described herein.
Dabei kann der Imager, auch Lichtmodulationseinrichtung genannt, ein LCoS- oder DLP-Chip sein, der geeignet beleuchtet und durch die Head-up-Display-Optik direkt vergrößert abgebildet wird, womit auf die Verwendung einer Streufläche verzichtet werden kann. Mittels einer geeigneten Hinterleuchtung des Imagers kann ein Display mit stereoskopischer Funktionsweise realisiert werden.In this case, the imager, also called a light modulation device, can be an LCoS or DLP chip which is suitably illuminated and imaged directly enlarged by the head-up display optics, whereby the use of a scattering surface can be dispensed with. By means of a suitable backlighting of the imager, a display with stereoscopic functionality can be realized.
Dies bietet folgende Vorteile:
- – Durch den Verzicht einer Streufläche werden Auflösungsverluste durch eine Projektion vermieden.
- – Durch die Beschränkung auf Spiegeloptiken beim Aufbau des Head-up-Displays werden Verluste der Bildqualität durch chromatische Aberration vermieden.
- – Die Verwendung eines schnellen DLP-Chips erlaubt einen zeitsequenziellen Bildaufbau der verschiedenen Farben. Das Bild kann ohne Farbfilter erzeugt werden und erreicht somit eine hohe Effizienz.
- – Eine Stereofunktionalität kann unter Verwendung nur eines Imagers erreicht werden, wodurch beispielsweise unerwünschte Doppelbilder, wie sie bei einer Bildüberlagerung mittels eines Strahlteilers auftreten können, vermieden werden.
- – Die hohe Schaltgeschwindigkeit des DLP-Chips ermöglicht zusätzlich zum zeitsequenziellen Umschalten für den Farbbildaufbau ein weiteres zeitsequenzielles Umschalten zwischen den beiden Bildinhalten für linkes und rechtes Auge. Ein Bildaufbau kann beispielsweise mit einer
Frequenz von 120 Hz erfolgen. - – Durch die Verwendung weniger kleiner Komponenten lässt sich das Head-up-Display gut miniaturisieren und die Nachführung von Kopfbewegungen vereinfachen.
- – Durch die Verwendung von MEMS-Komponenten (MEMS = microelectromechanical systems) kann das System sehr robust gegenüber rückwärtiger Sonneneinstrahlung ausgeführt werden.
- – Durch die Verwendung eines DLP-Chips ist auch bei sehr niedrigen und sehr hohen Temperaturen die volle Funktionalität des Head-up-Displays gewährleistet, da ein solcher DLP-Chip in einem weiten Temperaturbereich arbeiten kann.
- - By eliminating a scattered surface resolution losses are avoided by a projection.
- - The limitation to mirror optics in the construction of the head-up display avoids losses of image quality due to chromatic aberration.
- The use of a fast DLP chip allows a time-sequential image build-up of the different colors. The image can be generated without color filter and thus achieves high efficiency.
- Stereo functionality can be achieved using only one imager, thus avoiding, for example, unwanted double images, such as can occur in image superimposition by means of a beam splitter.
- The high switching speed of the DLP chip allows, in addition to the time-sequential switching for the color image structure, a further time-sequential switching between the two image contents for left and right eye. An image structure can be done, for example, with a frequency of 120 Hz.
- - By using fewer small components, the head-up display can be well miniaturized and the tracking of head movements easier.
- - By using MEMS components (MEMS = microelectromechanical systems), the system can be made very robust against rearward solar radiation.
- - By using a DLP chip, the full functionality of the head-up display is guaranteed even at very low and very high temperatures, since such a DLP chip can operate in a wide temperature range.
Schließlich schafft der hier beschriebene Ansatz ein Verfahren zum Erzeugen eines Bilds für ein Head-up-Display, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Ausstrahlen eines aufgeweiteten Lichtstrahls auf eine Lichtmodulationseinrichtung, um die Lichtmodulationseinrichtung aus mehreren Winkeln gleichzeitig zu beleuchten; und
Erzeugen eines ein Bild repräsentierenden Bildstrahls aus dem aufgeweiteten Lichtstrahl durch die Lichtmodulationseinrichtung.Finally, the approach described herein provides a method for generating an image for a head-up display, the method comprising the steps of:
Irradiating an expanded light beam to a light modulation device to illuminate the light modulation device from multiple angles simultaneously; and
Generating an image beam representing an image from the expanded light beam through the light modulation device.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. The approach presented here also creates a control unit which is designed to execute, to control or to implement the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices. Also by this embodiment of the invention in the form of a control device, the object underlying the invention can be achieved quickly and efficiently.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.In the present case, a control device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon. The control unit may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. In the case of a hardware-based design, the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains various functions of the control unit. However, it is also possible that the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In a software training, the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.Also of advantage is a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the embodiments described above is used, especially when the program product or program is executed on a computer or a device.
Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The approach presented here will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of favorable embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similar acting, with a repeated description of these elements is omitted.
Die Lichtmodulationseinrichtung
Optional ist im Strahlengang des aufgeweiteten Lichtstrahls
Zusätzlich ist die in
Mittels der Lichtfalle
Um die Abbildungsqualität zu verbessern, kann auch auf andere Elemente wie Freiformlinsen oder zusätzliche asphärische Linsen zurückgegriffen werden. Bei dem in
Das Design basiert beispielhaft auf den folgenden Parametern:
Diese Werte eignen sich insbesondere als Vorgaben für ein autostereoskopisches Head-up-Display. Das in
Das Design erreicht bei einer Apertur von beispielsweise 8 mm eine durchschnittliche Spotgröße von 9,45 µm. Die Apertur ist der Durchmesser eines Betrachterauges aus der Eyebox. Die Spotgröße wird am Ort des Displays, d. h. des Mikrospiegelarrays in Form des DLP-Chips
Die
Die gezeigten Auswertungsergebnisse bezüglich der Spotgröße sind mithilfe des Global Unified Tools von Bosch Car Multimedia ermittelt. Der in
Die Simulation erfolgt rückwärts vom virtuellen Bild aus. Das heißt, es werden Strahlen ausgehend von einem Punkt des virtuellen Bilds simuliert (Koordinaten im Plot). Diese werden auf das Display fokussiert (Spotgröße aus dem Plot). Ein von der virtuellen Leinwand aus betrachteter Punkt aus der Mitte der Leinwand (Zentrum der Plots), betrachtet aus dem Zentrum der Eyebox (mittlerer Plot), erreicht dabei eine Spotgröße von etwa 6 µm am Display. Erfahrungsgemäß ist dann die im eigentlichen Head-up-Display erreichte Qualität der Abbildung vom Display auf das virtuelle Bild ausreichend, weil die simulierte Spotgröße unter der Abmessung eines Pixels des Displays liegt.The simulation takes place backwards from the virtual image. That is, rays are simulated starting from a point of the virtual image (coordinates in the plot). These are focused on the display (spot size from the plot). A point viewed from the virtual screen from the center of the screen (center of the plots), viewed from the center of the eyebox (middle plot), reaches a spot size of about 6 μm on the display. Experience shows that the quality of the image from the display to the virtual image achieved in the actual head-up display is sufficient because the simulated spot size is below the dimension of a pixel of the display.
Aktuelle DLP-Chips sind bis zu einer Größe von 0,95" erhältlich und weisen einen Kippwinkel von +/–12° auf. Zukünftige DLP-Chips können Kippwinkel von +/–16° und Kipprichtungen über verschiedene Achsen des Chips aufweisen. Es ist zu erwarten, dass High-Resolution-Anwendungen in Anbetracht der minimal erreichbaren Mikrospiegelgrößen auf den Chips zur Verfügbarkeit größerer DLP-Chips führen werden.Current DLP chips are available in sizes up to 0.95 "and have a tilt angle of +/- 12 °, and future DLP chips can have tilt angles of +/- 16 ° and tilt directions across different axes of the chip It is to be expected that high-resolution applications will lead to the availability of larger DLP chips in view of the minimum attainable micromirror sizes on the chips.
Eine Berechnung der Lagrange-Invariante unter Verwendung der oben genannten Parameter ergibt einen vollen Öffnungswinkel von 54,1° in Displayquerrichtung und 22,5° in Displaylängsrichtung. Ein vom Chip
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Bildgebereinheit
Nach der Aufweitung des Lichts wird die Fläche
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Bilderzeugungsvorrichtung
Um ein stereoskopisches Head-up-Display
Um die Lichtstrahlen den Eyeboxes
Beispielsweise werden bei der Realisierung zweier schmaler Eyeboxes
Die
Alternativ oder zusätzlich können das Aufweitungselement
Der DLP-Chip
Die
Als kleiner Bildgeber kann alternativ ein LCoS-Display oder ein anderes Mikrodisplay verwendet werden. Vorteilhafterweise kann bei der Verwendung eines LCoS-Display auf eine Lichtfalle verzichtet werden.As a small imager alternatively a LCoS display or another microdisplay can be used. Advantageously, can be dispensed with the use of a LCoS display on a light trap.
Diese Dimension ist beispielsweise mit einem Polarisationsstrahlteilerwürfel
Um Farbeffekte und verschiedene Effizienzen für die unterschiedlichen Abstrahlwinkel des LCoS-Chips
Das Licht aktiver Pixel wird dort in seiner Polarisationsrichtung gedreht und reflektiert. Der Bildinhalt wird aufgebaut, indem das Licht schwarzer Pixel nicht gedreht und somit nach der Reflexion am LCoS-Chip
Da der LCoS-Chip
Durch die Lichtleiterplatte
Durch den dünnen Aufbau einer derartigen Beleuchtungseinheit kann die Faseroptik
Die in den
Eine räumliche Trennung der Lichtstrahlen kann beispielsweise durch eine sequenziell geschaltete Hinterleuchtung realisiert sein, die zwischen zwei leicht unterschiedlichen Beleuchtungswinkeln umschalten kann.A spatial separation of the light beams can be realized for example by a sequentially connected backlight, which can switch between two slightly different illumination angles.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird dabei ein Mikrospiegelarray, beispielsweise ein DLP-Chip, mittels einer Head-up-Display-Optik virtuell abgebildet. Da der DLP-Chip selbst nicht streut, ist eine angepasste Hinterleuchtung zur Strahlformung vorgesehen. Dabei wird eine homogen leuchtende Fläche mittels einer weiteren Optik auf den Mikrospiegelarray abgebildet. Da diese Abbildung der Hinterleuchtung dient, besitzt sie eine hohe Toleranz und kann beispielsweise durch einfache sphärische Spiegel realisiert werden.According to one exemplary embodiment, a micromirror array, for example a DLP chip, is virtually imaged by means of a head-up display optic. Since the DLP chip itself does not scatter, an adapted backlighting for beam shaping is provided. In this case, a homogeneously illuminating surface is imaged onto the micromirror array by means of a further optical system. Since this image serves for backlighting, it has a high tolerance and can be realized, for example, by simple spherical mirrors.
Des Weiteren umfasst das Steuergerät
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. The embodiments described and shown in the figures are chosen only by way of example. Different embodiments may be combined together or in relation to individual features. Also, an embodiment can be supplemented by features of another embodiment.
Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Furthermore, the method steps presented here can be repeated as well as executed in a sequence other than that described.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.
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