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WO2017140702A1 - Projektionsvorrichtung für ein head-up-display, head-up-display sowie fahrzeug - Google Patents

Projektionsvorrichtung für ein head-up-display, head-up-display sowie fahrzeug Download PDF

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WO2017140702A1
WO2017140702A1 PCT/EP2017/053347 EP2017053347W WO2017140702A1 WO 2017140702 A1 WO2017140702 A1 WO 2017140702A1 EP 2017053347 W EP2017053347 W EP 2017053347W WO 2017140702 A1 WO2017140702 A1 WO 2017140702A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
projection
optical element
projection device
circular polarizer
light
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/053347
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mark Riebe
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft filed Critical Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
Priority to EP17705385.7A priority Critical patent/EP3417334A1/de
Publication of WO2017140702A1 publication Critical patent/WO2017140702A1/de
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    • G02B2027/012—Head-up displays characterised by optical features comprising devices for improving the contrast of the display / brillance control visibility comprising devices for attenuating parasitic image effects

Definitions

  • the present invention relates to a projection device for a head-up display, a head-up display with such a projection device and a vehicle with such a head-up display.
  • a head-up display in a vehicle has the task visually represent information in the natural visual field of the driver.
  • the natural visual field corresponds to the vehicle environment, which the driver must primarily observe during operation of the vehicle, e.g. the road section in front of a car.
  • the information in question is transmitted by a projection device to a suitable projection surface, e.g. a windscreen, projected and reflected there so that the driver can perceive the information visually, without having to take the view of the primary to be observed for the operation of the vehicle environment, which the reliability of equipped with such a head-up display Vehicle significantly increased.
  • a head-up display In order to ensure reliable operation in different situations, in particular under varying lighting conditions, provision must be made in a head-up display to keep outside of the vehicle incident light, in particular sunlight, out of the beam path of the projection device or intrusion of light at least reduce. Otherwise reflected light on the surfaces of optical elements of the projection device leads to reflections that can be felt in the field of vision of the driver and in extreme cases dazzle, or at least irritate and / or interfere with the information to be visualized and possibly make them unreadable.
  • the projection device has an imaging unit, which is designed to generate an image, and a projection unit, which is designed to project the image generated by the imaging unit onto a projection surface via a projection path, and is characterized by a projection path arranged in the projection path curved optical element, which is provided with a circular polarizer or designed as a circular polarizer.
  • the head-up display according to the invention has a projection surface, in particular a windshield of a vehicle, and a projection device according to the invention.
  • the vehicle according to the invention in particular motor vehicle, has a projection surface, in particular in the form of a front-end writing, and a projection device according to the invention.
  • the invention is based on the approach of providing a domed circular polarizer or a domed optical element provided with a circular polarizer in the projection path.
  • the curved circular polarizer or the curved optical element provided with the circular polarizer is located between the projection surface, in particular a windshield, and the imaging unit, for example a display.
  • the curvature of the surface of the circular polarizer or of the optical element provided with the circular polarizer is concave on the side facing the projection surface.
  • the domed circular polarizer or the circular polarizer-shaped domed optical element is shaped and / or arranged in the projection path so that a part of unpolarized light incident from the projection surface, such as sunlight, is reflected on the concave side not to be thrown back onto the projection screen. This prevents that this part of the light reflected at the circular polarizer or at the optical element provided with the circular polarizer appears as a disturbing reflection in the field of vision of the vehicle driver.
  • the curved circular polarizer or the circular polarizer For the image produced by the image generating device and projected on the projection surface by the projection device, at least in a certain wavelength range, it must not be possible to prevent a portion of the unpolarized light incident from the projection surface from being transmitted through the circular polarizer or optical waveguide the optical element provided with the circular polarizer passes. This portion of the unpolarized light incident from the projection surface is impressed as it passes through the circular polarizer a first direction of polarization, wherein its mutually perpendicular portions are delayed by a phase of ⁇ / 2, so that it is circularly polarized in the interior of the projection device.
  • the circular polarizer or the optical element provided with the circular polarizer After reflection on a surface of an optical element in the projection device, e.g. a mirror or a lens, the circular polarizer or the optical element provided with the circular polarizer now acts as absorber in the reverse direction of propagation of the circularly polarized light, since the phase delay of the two mutually perpendicular portions now produces a second polarization direction which is perpendicular to the first polarization direction stands.
  • the circular polarizer or the optical element provided with the circular polarizer prevents the light reflected from the surface of optical elements of the projection device from exiting in the direction of the projection surface, so that reflections occur in the field of vision of the vehicle driver due to surfaces on the projection device optical elements of reflected light is prevented or at least greatly reduced.
  • both the curved circular polarizer or the arched optical element and the other optical elements in the interior of the projection device reflected components of the incident on the projection device from the outside light, in particular sunlight, as disturbing reflections in the field of view the driver appear.
  • the emergence of unwanted reflections in the natural field of vision of the driver is thereby prevented or at least significantly reduced.
  • the surfaces of the optical elements located in the projection device are provided with antireflection coatings or antireflection surface structures are.
  • the curved circular polarizer or the curved optical element provided with the circular polarizer is arranged such that light incident from the projection surface is reflected by a reflection on the concave side of the circular polarizer or of the optical element provided with the circular polarizer , eg an absorbing optical element is steered. In this way, it is reliably prevented that light incident from the projection surface and reflected by the concave surface of the circular polarizer or of the optical element strikes the projection surface and is perceived there by the driver as a disturbing reflex.
  • the curved circular polarizer or the curved optical element provided with the circular polarizer is designed and / or arranged in such a way that light reflected from the area of the driver's eyes and mirrored on the projection surface and incident on the curved element is reflected by reflection concave side of the circular polarizer or provided with a circular polarizer optical element on a radiation trap, eg an absorbing optical element is steered.
  • a radiation trap eg an absorbing optical element is steered.
  • the circular polarizer has a linearly polarizing element and a ⁇ / 4 layer.
  • Unpolarized light which falls in particular from outside the vehicle to the linearly polarizing element, after passing through the linearly polarizing element only a single direction of vibration, ie a fixed polarization, on.
  • the ⁇ / 4 layer is oriented so that two mutually perpendicular components of the light polarized in this oscillation direction light when passing through the ⁇ / 4 layer are delayed so that their phase difference is exactly ⁇ / 2, whereby the direction of vibration of the now circularly polarized light seen from a fixed point of the form of a Helix has. This ensures in a simple manner and with high reliability that incident unpolarized light is circularly polarized as it enters the projection device.
  • the ⁇ / 4-layer viewed in the direction of the projection path in the projection of the image onto the projection surface, is arranged in front of the linearly polarizing element.
  • Light incident from the outside into the projection device thus first passes through the linearly polarizing element and then the ⁇ / 4 layer and is thereby circularly polarized in a simple and reliable manner.
  • the light subsequently reflected on surfaces of optical elements in the interior of the projection device first passes through the ⁇ / 4 layer before exiting the projection device and then only the linearly polarizing element.
  • the circular polarizer or the optical element provided with the circular polarizer acts as an absorber because of the now reversed propagation direction of the circularly polarized light, since the phase delay of the two mutually perpendicular components of the light through the ⁇ / 4 layer now produces a second polarization direction, which is perpendicular is in the first direction of polarization, so that the linearly polarized light in this way is absorbed by the linearly polarizing optical element located behind it.
  • leakage of the light reflected on surfaces of optical elements in the projection device in the direction of the projection surface is prevented or at least greatly reduced.
  • the optical element is formed as a curved, transparent plate, in particular as a glass or plastic plate.
  • the circular polarizer is attached to this curved, transparent plate, in particular laminated.
  • a reliable circular polarization of the incident unpolarized light is ensured with simultaneous simple production.
  • a trained in this way optical element can be installed very compact, ie it requires only little space.
  • a first side of the optical element is curved concavely and a second side of the optical element is convexly curved.
  • the shape of the curvature on the first and second sides of the optical element is the same.
  • the optical element is thin, lightweight and space-saving and can be easily installed in the projection device.
  • the circular polariser is on the second side, i. the convex curved side, the optical element attached, in particular laminated.
  • the reflection properties of the first side, i. concave side of the optical element with respect to the externally incident light can be optimized independently of the configuration of the circular polarizer, which in turn can be optimized regardless of the design of the reflective first side of the optical element in particular with respect to the polarizing or polarization-rotating properties.
  • Undesirable reflexes in the field of vision of the driver are thereby particularly reliably prevented or at least reduced.
  • the first side, ie the concave side, of the optical element is directed towards the projection surface.
  • the second side, ie the convex side, of the optical element is directed toward the projection unit.
  • the optical element is thus particularly favorably designed to at least partially reflect light that is incident from the outside and / or emanating from the area of the driver's eyes, reflected on the projection surface and striking the first side of the optical element so that it does not can get more on the projection surface and cause disturbing reflections in the field of vision of the driver.
  • the concavely curved surface of the optical element acts as a bundle, so that reflected light is controlled in a direction in which the formation of reflections, which are perceived as dazzling or at least disturbing by the driver, is particularly reliably avoided.
  • a part of the light incident on the projection device from the outside, such as sunlight, is efficiently reflected on the first side of the optical element even before the remaining part of the light passes through the circular polarizer. This will increase the intensity of the light entering the projection device is reduced so that undesired reflections in the field of vision of the vehicle driver are particularly reliably prevented or further reduced.
  • the projection device has a beam catcher, which is arranged in such a way and / or designed to swallow, in particular to absorb, light beams incident and reflected on the first side of the optical element.
  • a beam catcher is arranged in the immediate vicinity of the curved optical element, in particular next to the curved optical element. In this way, beam catcher and curved optical element can be installed to save space.
  • the projection unit has at least one further optical element, in particular a mirror, a mirror system, a lens, a lens system or a light guide, wherein at least one surface of the at least one further optical element has an antireflection layer.
  • the proportion of the circularly polarized light reflected at the at least one surface of the at least one further optical element is reduced, typically by a factor of 4 to 5.
  • Undesired reflections in the field of vision of the vehicle driver due to reflections from the exterior of the projection device There reflected light on surfaces of optical elements are particularly reliably prevented or further reduced in this way.
  • the projection device has a housing, which surrounds the projection device and has an exit window, through which the image generated by the imaging unit is projected onto the projection surface.
  • the exit window is preferably formed by the optical element.
  • the optical element acts as a cover glass of the housing.
  • the curved circular polarizer or the optical element provided with a circular polarizer serves not only for the reduction or prevention of disturbing reflections in the field of vision of the Driver, but also provides an effective and easy-to-implement protection of the components of the projection device against ingress of dirt and dust, which could limit the functionality of the projection unit.
  • FIG. 1 shows an example of a head-up display in a cross-sectional representation
  • Fig. 2 is an example for illustrating the occurrence of disturbing
  • FIG. 3 shows a further example of a head-up display in a cross-sectional representation
  • Fig. 4 a shows a detail of a further example of a head-up display and b) an enlarged detail of the curved optical element, in each case in a cross-sectional representation;
  • Fig. 5 examples of arranged in the projection path optical elements of a projection unit of a head-up display.
  • the imaging unit 2 can be, for example, a display, preferably a display with thin-film transistor control (so-called TFT display) and backlighting.
  • the imaging unit 2 generates an image which is projected by means of a projection unit into the field of vision of a vehicle driver 4 and can be visually perceived by the latter.
  • the projection unit has optical elements 12 and 13, through which the image generated by the imaging unit 2 along a projection path 5 on a Projection surface 6, preferably the windscreen of a vehicle, projected and reflected there in the direction of the driver 4 (arrows).
  • the imaging unit 2 is designed as a display which emits light not only perpendicular to its surface, but also in a solid angle area around the surface normal.
  • the imaging unit 2 is preferably tilted with respect to the projection path 5, the projection path 5 being in the solid angle range in which the imaging unit 2 emits light. This prevents in a simple manner that from the outside in the projection device 3 incident light, such as sunlight, which strikes the imaging unit 2 along the projection path 3, is reflected back into the projection path 3 and perceived in the field of vision of the driver 4 as a disturbing reflex becomes.
  • the projection unit has a plane mirror 12 and a concave mirror 13, which enlarges the image generated by the imaging unit 2.
  • the projection unit can also contain other and / or additional and / or less optical elements, as will be explained in more detail below in connection with the examples shown in FIG. 5.
  • the plane mirror 12 and the concave mirror 13 or, in the alternative embodiments, the other optical elements guide the light emitted by the imaging unit 2 along the projection path 5 until it leaves the projection unit 3. This ensures that the light is emitted in this way on the projection surface 6 generated image is sharp and sufficiently large.
  • the projection surface 6 is formed by the windshield of a vehicle.
  • a transparent or at least partially transparent surface can serve as the projection surface, for example a glass or plastic plate, which is arranged, for example, in front of the windshield of the vehicle.
  • the light thrown onto the projection surface 6 is at least partially reflected by it in the direction of the vehicle driver 4.
  • the driver 4 thereby perceives the image generated by the imaging unit 2 as a virtual image 7.
  • the virtual image 7 appears enlarged relative to the image generated by the imaging unit 2.
  • the imaging unit 2 can be kept small and the projection device 3 can be installed in a correspondingly space-saving manner.
  • the virtual image 7 is in the natural field of view of the driver 4, so that the driver 4 can read the information represented by the image, without taking the view from the vehicle environment, for example a road section ahead of the vehicle.
  • the mirrors 12 and 13 or the optical elements of the projection unit provided in alternative embodiments in the projection path 5 are designed as adaptive elements whose reflection or imaging properties are modifiable, in particular controllable during operation of the head-up display, so that eg the propagation direction of the light can be changed.
  • the image of the image generated by the image generation unit 2 can be adapted to the respective visual field of the vehicle driver 4.
  • the positioning of the head of the vehicle driver 4 can be taken into account.
  • the projection device 3 in FIG. 1 is surrounded by a housing 8, which has an exit window 10.
  • the exit window 10 is formed as a curved optical element 9, which is provided with a circular polarizer or is designed as a circular polarizer and is described below in connection with FIG. 4 in more detail.
  • the exit window 10 is curved and preferably arranged such that a first, concavely curved side of the window 10 is directed toward the projection surface 6, whereas a second, convexly curved side of the window 10 in the interior Projection device 3 is located and is directed to the optical components 12 and 13 of the projection unit.
  • the exit window 10 closes the housing 8 of the projection device 3 and thus acts as a cover glass for the projection device 3.
  • it is removably attached to the housing 8, so that it in case of damage, such as a scratch, which may affect the representation of the virtual image 7 , easily replaceable.
  • the housing 8 is installed in a preferred embodiment (not shown) in the dashboard of the vehicle, in particular behind the steering wheel, so that it does not protrude beyond the dashboard. This avoids that the field of view of the driver 4 is restricted by the housing 8. 2 shows an example to illustrate the occurrence of disturbing light reflections in the field of vision of a vehicle driver 4 in a head-up display.
  • Sunlight 1 1 passes through the windscreen, which in this case forms the projection surface 6 of the head-up display, and strikes one or more surfaces of one or more optical elements of the projection device 3, which is only schematically indicated in the present illustration.
  • FIG. 3 shows a further example of a head-up display 1 in a cross-sectional representation. As in the example shown in Fig.
  • a curved optical element 9 which is provided with a circular polarizer or formed as a curved circular polarizer.
  • a concavely curved side of the curved optical element 9 or the curved circular polarizer lies on the side of the projection surface 6, whereas the convexly curved side of the element 9 or circular polarizer lies on the side of the projection unit.
  • a beam catcher 41 is provided, which is arranged between the curved optical element 9 and the projection surface 6, in particular the front screen, and which at the concave surface of the optical Elements 9 reflected light swallows, in particular, absorbed. In this way, it is reliably prevented that light incident from the outside, such as sunlight or street lighting, is projected onto the projection surface 6 after reflection at the optical element 9 and from there into the field of vision of the vehicle driver 4 and is perceived as a disturbing reflex.
  • the curvature of the optical element 9 is particularly advantageous because reflected light can be bundled thereby particularly reliably on the beam catcher 41. As a result, the formation of reflections caused by scattering of the light reflected at the curved optical element 9 is prevented or at least significantly reduced.
  • the optical element 9 is preferably arranged and / or curved in such a way that light striking the optical element 9, which originates from the area of the eyes of the driver 4 (so-called eyebox) and is reflected on the projection surface 6, is directed onto the beam catcher 41 , in particular bundled, is and can be absorbed there. In this way, it is reliably avoided that light which originates from the area of the eyes of the driver 4 passes through a renewed reflection on the projection surface 6 back into the eyebox of the driver.
  • FIG. 4 a shows a section of a further example of a head-up display for further illustrating the mode of operation of a curved optical element 9 of the projection device 3 provided with a circular polarizer 51.
  • FIG. 4 b) shows an enlarged detail of FIG the circular polarizer 51 provided curved optical element.
  • the curved optical element 9 may be formed, for example, as a glass or plastic plate and its curvature obtained by casting and / or molding.
  • the circular polarizer 51 preferably has a linearly polarizing element 52, for example a dichroic or birefringent film, which has a first axis in the film plane and allows components of the light passing in the direction of the first axis to be absorbed, but perpendicularly absorbed components of the light are absorbed or breaks.
  • the linearly polarizing element 52 is followed by a retardation plate 53, in particular a ⁇ / 4 layer, which has a second axis and, with suitable orientation of the polarization direction of the light, delays two mutually perpendicular components of the light from each other by a phase of ⁇ / 2, whereby the polarization direction of the light passing through the retardation plate 53, with respect to a fixed point, takes the form of a helix.
  • a retardation plate 53 in particular a ⁇ / 4 layer, which has a second axis and, with suitable orientation of the polarization direction of the light, delays two mutually perpendicular components of the light from each other by a phase of ⁇ / 2, whereby the polarization direction of the light passing through the retardation plate 53, with respect to a fixed point, takes the form of a helix.
  • the polarizing element 52 is particularly thin and space-saving design.
  • both the polarizing film 52 and the ⁇ / 4 layer 53 can be applied to the curved optical element 9 in a particularly simple and cost-effective manner by lamination.
  • the linearly polarizing element 52 is also possible to form the linearly polarizing element 52 as a birefringent element, for example as a Nicols or Glan-Thomson prism.
  • the linear polarization is achieved by reflection, preferably at the Brewster angle, of transparent plates, for example made of glass or plastic, arranged one behind the other and tilted with respect to the propagation direction of the light.
  • parts of the outside incident unpolarized light 54 such as sunlight, are prevented from entering the projection device 3 by reflecting on the concave side of the curved optical element 9 and onto the beam catcher 41 are steered and absorbed there.
  • the remaining portions of the incident light 54 pass through the optical element 9 provided with the circular polarizer 51 and are thereby converted into circularly polarized light 55.
  • the optical elements 56 such as the imaging unit, a filter or a lens, arranged inside the projection unit, reflect the circularly polarized light 55 according to Fresnel's formulas to a certain degree.
  • the propagation direction of the reflected circularly polarized light 57 is now the same as that of the light emitted by the imaging unit (not shown). So the reflected circularly polarized light 57 hits again on the curved optical element 9, where it first passes through the ⁇ / 4 layer 53. As a result, the reflected circularly polarized light 57 is again converted into linearly polarized light whose polarization direction is perpendicular to the first axis of the linearly polarizing element 52 lying behind it, due to the opposite propagation direction.
  • the linearly polarizing element 52 acts as a filter and prevents the emergence of a large part of the reflected circularly polarized light 57, so that only a fraction of the reflected circularly polarized light 57 as a leaked linearly polarized light 58 on the projection surface 6 falls.
  • the leaked linearly polarized light 58 is, however, by the described measures of so low intensity that it is no longer perceived as a disturbing reflex after reflection on the projection surface 6 in the field of vision of the driver.
  • the function of the circular polarizer 51 is adapted to the angle of incidence ⁇ of the unpolarized light incident from the outside on the arched first side of the optical element 9. In this way, a weakening of the intensity of the leaked linearly polarized light 58 with respect to the incident unpolarized light 54 is achieved by a factor of 200 to 250.
  • the curved and provided with a circular polarizer 51 or circular polarizer 51 designed as an exit window of the projection unit optical element 9 contributes in two respects to reduce or prevent disturbing reflections in the field of vision of the vehicle driver:
  • a part of the incident light is reflected in a controlled manner on a beam catcher and thus rendered harmless, while the other part of the incident light is circularly polarized by the circular polarizer provided on the optical element or by the optical element formed as a circular polarizer and, upon reflection on one or more optical components inside the projection unit, is absorbed by the circular polarizer once again.
  • the light entering the projection device 3 can be further attenuated by additionally providing surfaces of the optical elements 56, for example the front and / or back of lenses, filters or optical fibers, with an antireflection coating 59 or antireflection surface structures.
  • the intensity of the reflection of the circularly polarized light 55 on such surfaces is further reduced.
  • the intensity of the exiting linearly polarized light 58 with respect to the intensity of the externally incident unpolarized light 54 decreases by a factor of more than 1000, so that the extremely high brightness of incident sunlight can be sufficiently and reliably suppressed.
  • FIG. 5 shows examples of optical elements which can be installed in the projection unit of the projection device 3 as an alternative or in addition to the optical elements described above.
  • a magnifying image of the image by the imaging unit 2 e.g. formed as a display, emitted light through a lens 31 or a lens system having a plurality of successively arranged lenses, achieved.
  • Fig. 5 b shows a multi-lens array 32, which has a plurality of small lenses 33, so-called. Lenslets, wherein all the lenslets have the same focal length and are arranged in a plane next to each other. As a result, a distribution of the light emanating from the imaging unit 2 to a plurality of channels is achieved. The lenslets used in the individual channels can thereby have a very short focal length, as a result of which the installation space required for the projection unit is significantly reduced.
  • 5 c) shows a projection unit in which the image generated by the imaging unit 2 designed as a display is enlarged by a lens 34 or a lens system (not shown) and coupled into a light guide 35 and decoupled at another location. This allows flexible installation of the projection unit.
  • FIG. 5 d shows an embodiment in which the projection device has only one imaging unit 2. Due to the design of the imaging unit 2 as a large display, a magnifying optical system for generating a well-recognizable virtual image 7 is not necessary. As a result, the required space is particularly small.
  • Fig. 5 e shows an extension of Fig. 5 d), in which the display unit 2 formed as a display is provided with a parallax barrier 36 or a lenticular layer. Due to the parallax barrier 36 parts of the display for each one of the two angles of the two eyes of the driver 4 are hidden, so that a suitable representation of the information to be displayed on the display in the defined by the parallax barrier 36 parts of the display a stereoscopic virtual image 7 is formed. The same effect is achieved with the lenticular layer, which results from lenslets on the display, which direct the view from two different angles to different, defined parts of the display.
  • the virtual image 7 can be generated at a further distance from the driver 4, so that it appears to be even better integrated into the objects in the natural field of vision of the vehicle driver 4, whereby the so-called contact analogy is further improved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Projektionsvorrichtung für ein Head-Up-Display mit einer Bildgebungseinheit, welche zur Erzeugung eines Bildes ausgebildet ist, und einer Projektionseinheit, welche dazu ausgebildet ist, das durch die Bildgebungseinheit erzeugte Bild über einen Projektionspfad auf eine Projektionsfläche zu projizieren, wobei die Projektionsvorrichtung ein im Projektionspfad angeordnetes gewölbtes optisches Element aufweist, welches mit einem Zirkularpolarisator versehen oder als Zirkularpolarisator ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Head-Up-Display mit einer solchen Projektionsvorrichtung sowie ein entsprechendes Kraftfahrzeug.

Description

Projektionsvorrichtung für ein Head-Up-Display, Head-Up-Display
sowie Fahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Projektionsvorrichtung für ein Head-Up-Display, ein Head-Up-Display mit einer solchen Projektionsvorrichtung sowie ein Fahr- zeug mit einem solchen Head-Up-Display.
Ein Head-Up-Display in einem Fahrzeug hat die Aufgabe, Informationen im natürlichen Gesichtsfeld des Fahrzeugführers visuell darzustellen. Das natürliche Gesichtsfeld entspricht dem Fahrzeugumfeld, welches der Fahrzeugführer während des Betriebs des Fahrzeugs primär beachten muss, z.B. den vor einem Auto liegen- den Straßenabschnitt. Dabei wird die betreffende Information durch eine Projektionsvorrichtung auf eine geeignete Projektionsfläche, z.B. eine Windschutzscheibe, projiziert und dort so reflektiert, dass der Fahrzeugführer die Information visuell wahrnehmen kann, ohne den Blick von dem zum Betrieb des Fahrzeugs primär zu beachtenden Umfeld nehmen zu müssen, was die Betriebssicherheit eines mit ei- nem solchen Head-Up-Display ausgestatteten Fahrzeugs signifikant erhöht.
Um eine zuverlässige Funktionsweise in unterschiedlichen Situationen, insbesondere unter variierenden Beleuchtungsvehältnissen, zu gewährleisten, müssen bei einem Head-Up-Display Vorkehrungen getroffen werden, um von außerhalb des Fahrzeugs einfallendes Licht, insbesondere Sonnenlicht, aus dem Strahlengang der Projektionsvorrichtung herauszuhalten oder ein Eindringen von Licht zumindest zu reduzieren. An den Oberflächen optischer Elemente der Projektionsvorrichtung reflektiertes Licht führt sonst zu Reflexen, die sich im Gesichtsfeld des Fahrzeugführers bemerkbar machen können und diesen im Extremfall blenden, zumindest aber irritieren und/oder sich mit den zu visualisierenden Informationen überlagern und diese ggf. unlesbar machen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Projektionsvorrichtung für ein Head-Up-Display, ein Head-Up-Display mit einer solchen Projektionsvorrichtung sowie ein entsprechendes Fahrzeug anzugeben, bei welcher bzw. welchem das Auftreten von störenden Lichtreflexen zuverlässig vermieden oder zumindest reduziert wird. Diese Aufgabe wird durch die Projektionsvorrichtung, das Head-Up-Display sowie das Fahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Die erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung weist eine Bildgebungseinheit, welche zur Erzeugung eines Bildes ausgebildet ist, und eine Projektionseinheit auf, wel- che dazu ausgebildet ist, das durch die Bildgebungseinheit erzeugte Bild über einen Projektionspfad auf eine Projektionsfläche zu projizieren, und ist gekennzeichnet durch ein im Projektionspfad angeordnetes gewölbtes optisches Element, welches mit einem Zirkularpolarisator versehen oder als Zirkularpolarisator ausgebildet ist.
Das erfindungsgemäße Head-Up-Display weist eine Projektionsfläche, insbeson- dere eine Frontscheibe eines Fahrzeugs, und eine erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung auf.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, weist eine Projektionsfläche, insbesondere in Form einer Frontschreibe, und eine erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung auf. Die Erfindung basiert auf dem Ansatz, einen gewölbten Zirkularpolarisator bzw. ein mit einem Zirkularpolarisator versehenes gewölbtes optisches Element im Projektionspfad vorzusehen. Der gewölbte Zirkularpolarisator bzw. das mit dem Zirkularpolarisator versehene gewölbte optische Element befindet sich zwischen der Projektionsfläche, insbesondere einer Windschutzscheibe, und der Bildgebungseinheit, bei- spielsweise einem Display. Vorzugsweise ist die Wölbung der Oberfläche des Zirkularpolarisators bzw. des mit dem Zirkularpolarisator versehenen optischen Elements auf der der Projektionsfläche zugewandten Seite konkav. Der gewölbte Zirkularpolarisator bzw. das mit Zirkularpolarisator versehene gewölbte optische Element ist so geformt und/oder derart im Projektionspfad angeordnet, dass ein Teil von von der Projektionsfläche her einfallendem unpolarisiertem Licht, wie etwa Sonnenlicht, auf der konkaven Seite so reflektiert wird, dass dieses nicht auf die Projektionsfläche zurück geworfen wird. Dadurch wird verhindert, dass dieser am Zirkularpolarisator bzw. an dem mit dem Zirkularpolarisator versehenen optischen Element reflektierte Anteil des Lichts als störender Reflex im Gesichtsfeld des Fahrzeugführers in Er- scheinung tritt. Da der gewölbte Zirkularpolarisator bzw. das mit dem Zirkularpolari- sator versehene gewölbte optische Element aber für das durch die Bilderzeugungsvorrichtung erzeugte und durch die Projektionsvorrichtung auf die Projektionsfläche projizierte Bild zumindest in einem bestimmten Wellenlängenbereich durchlässig sein muss, ist nicht zu verhindern, dass ein Anteil des von der Projektionsfläche her einfallenden unpolarisierten Lichts durch den Zirkularpolarisator bzw. das mit dem Zirkularpolarisator versehene optische Element hindurchtritt. Diesem Anteil des von der Projektionsfläche her einfallenden unpolarisierten Lichts wird beim Durchlauf durch den Zirkularpolarisator eine erste Polarisationsrichtung aufgeprägt, wobei dessen senkrecht aufeinander stehende Anteile um eine Phase von ττ/2 verzögert werden, so dass es im Inneren der Projektionsvorrichtung zirkulär polarisiert ist.
Nach einer Reflexion an einer Oberfläche eines in der Projektionsvorrichtung befindlichen optischen Elements, z.B. eines Spiegels oder einer Linse, wirkt der Zirkularpolarisator bzw. das mit dem Zirkularpolarisator versehene optische Element in nun umgekehrter Ausbreitungsrichtung des zirkulär polarisierten Lichts als Absorber, da die Phasenverzögerung der zwei senkrecht aufeinander stehenden Anteile nun eine zweite Polarisationsrichtung erzeugt, welche senkrecht auf der ersten Polarisationsrichtung steht. Somit verhindert der Zirkularpolarisator bzw. das mit dem Zirkularpolarisator versehene optische Element einen Austritt des an Oberflächen optischer Elemente der Projektionsvorrichtung reflektierten Lichts in Richtung der Projektions- fläche, so dass ein Auftreten von Reflexen im Sichtfeld des Fahrzeugführers aufgrund des an Oberflächen der in der Projektionsvorrichtung befindlichen optischen Elemente reflektierten Lichts verhindert oder zumindest stark reduziert wird.
Insgesamt wird durch die Erfindung somit verhindert, dass sowohl die am gewölbten Zirkularpolarisator bzw. am gewölbten optischen Element als auch die an weiteren optischen Elementen in Inneren der Projektionsvorrichtung reflektierten Anteile des von außen auf die Projektionsvorrichtung treffenden Lichts, insbesondere Sonnenlicht, als störende Reflexe im Gesichtsfeld des Fahrzeugführers in Erscheinung treten. Das Entstehen von unerwünschten Reflexen im natürlichen Sichtfeld des Fahrzeugführers wird dadurch verhindert oder zumindest deutlich reduziert. Es ist vorteilhaft, wenn als zusätzliche Maßnahme zur Reduktion von störenden Reflexen die Oberflächen der in der Projektionsvorrichtung befindlichen optischen Elemente mit Antireflexbeschichtungen oder Antireflex-Oberflächenstrukturen versehen sind. Dadurch wird der Anteil des im Innern der Projektionsvorrichtung, insbesondere an den Oberflächen optischer Elemente im Projektionspfad der Projektionsvorrichtung, reflektierten Lichts, welches beim erneuten Durchtritt durch den Zirkularpolarisator von diesem absorbiert werden muss, verringert. Ein Auftreten von stören- den Reflexen im natürlichen Sichtfeld des Fahrzeugführers wird dadurch noch zuverlässiger unterbunden bzw. reduziert.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der gewölbte Zirkularpolarisator bzw. das mit dem Zirkularpolarisator versehene gewölbte optische Element so angeordnet ist, dass von der Projektionsfläche her einfallendes Licht durch Reflexion an der konkaven Seite des Zirkularpolarisators bzw. des mit dem Zirkularpolarisator versehenen optischen Elements auf eine Strahlenfalle, z.B. ein absorbierendes optisches Element, gelenkt wird. Auf diese Weise wird zuverlässig verhindert, dass von der Projektionsfläche her einfallendes und von der konkaven Oberfläche des Zirkularpolarisators bzw. des optischen Elements reflektiertes Licht auf die Projektionsfläche trifft und dort vom Fahrzeugführer als störender Reflex wahrgenommen wird.
Alternativ oder zusätzlich ist der gewölbte Zirkularpolarisator bzw. das mit dem Zirkularpolarisator versehene gewölbte optische Element derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass vom Bereich der Augen des Fahrers ausgehendes, an der Projektionsfläche gespiegeltes und auf das gewölbte Element einfallendes Licht durch Re- flexion an der konkaven Seite des Zirkularpolarisators bzw. des mit einem Zirkularpolarisator versehenen optischen Elements auf eine Strahlenfalle, z.B. ein absorbierendes optisches Element, gelenkt wird. Dadurch wird auch Licht, welches aus dem Bereich der Augen des Fahrers (sog. Eyebox) stammt, durch die Strahlenfalle absorbiert, so dass zuverlässig sichergestellt wird, dass alle Strahlengänge, welche in dem Bereich der Augen des Fahrers störende Reflexe hervorrufen würden, unterbunden werden.
In einer bevorzugten Ausführung weist der Zirkularpolarisator ein linear polarisierendes Element und eine λ/4-Schicht auf. Unpolarisiertes Licht, welches insbesondere von außerhalb des Fahrzeugs auf das linear polarisierende Element fällt, weist nach Durchlaufen des linear polarisierenden Elements nur noch eine einzige Schwingungsrichtung, d.h. eine feste Polarisation, auf. Die λ/4-Schicht ist so orientiert, dass zwei senkrecht aufeinander stehende Komponenten des in dieser Schwingungsrichtung polarisierten Lichts beim Durchlauf durch die λ/4-Schicht so verzögert werden, dass ihre Phasendifferenz genau ττ/2 beträgt, wodurch die Schwingungsrichtung des nun zirkulär polarisierten Lichts von einem ortsfesten Punkt aus gesehen die Form einer Helix aufweist. Dadurch wird auf einfache Weise und mit hoher Zuverlässigkeit gewährleistet, dass einfallendes unpolarisiertes Licht beim Eindringen in die Projektionsvorrichtung zirkulär polarisiert wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die λ/4-Schicht, in Richtung des Projektionspfades bei der Projektion des Bildes auf die Projektionsfläche betrachtet, vor dem linear polarisierenden Element angeordnet. Von außen in die Projektionsvorrichtung einfallendes Licht durchläuft also zunächst das linear polarisierende Element und dann die λ/4-Schicht und wird dadurch auf einfache und zuverlässige Weise zirkulär polarisiert. Umgekehrt durchläuft das nachfolgend im Innern der Projektionsvorrichtung an Oberflächen optischer Elemente reflektierte Licht vor dem Austreten aus der Projektionsvorrichtung zunächst die λ/4-Schicht und dann erst das linear polarisierende Element. Der Zirkularpolarisator bzw. das mit dem Zirkularpolarisator versehene optische Element wirkt wegen der nun umgekehrten Ausbreitungsrichtung des zirkulär polarisierten Lichts als Absorber, da die Phasenverzögerung der zwei senkrecht aufeinander stehenden Komponenten des Lichts durch die λ/4-Schicht nun eine zweite Polarisationsrichtung erzeugt, welche senkrecht auf der ersten Polarisationsrichtung steht, so dass das in dieser Weise linear polarisierte Licht von dem dahinter befindlichen linear polarisierenden optischen Element absorbiert wird. Dadurch wird ein Austreten des an Oberflächen optischer Elemente in der Projektionsvorrichtung reflektierten Lichts in Richtung der Projektionsfläche verhindert oder zumindest stark reduziert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist das optische Element als gewölbte, transparente Platte, insbesondere als Glas- oder Kunststoffplatte, ausgebildet. Der Zirkularpolarisator ist an dieser gewölbten, transparenten Platte angebracht, insbesondere auflaminiert. Durch diese Ausbildung des optischen Elements wird eine zu- verlässige Zirkularpolarisation des einfallenden unpolarisierten Lichts bei gleichzeitig einfacher Herstellung gewährleistet. Darüber hinaus kann ein auf diese Art ausgebildetes optisches Element sehr platzsparend verbaut werden, d.h. es wird nur geringer Bauraum benötigt. In einer vorteilhaften Ausführung ist eine erste Seite des optischen Elements konkav gewölbt und eine zweite Seite des optischen Elements konvex gewölbt. Vorzugsweise ist die Ausprägung der Wölbung auf erster und zweiter Seite des optischen Elements gleich. Dadurch ist das optische Element dünn, leicht und platzsparend und kann einfach in der Projektionsvorrichtung verbaut werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Zirkularpolarisator auf der zweiten Seite, d.h. der konvex gewölbten Seite, des optischen Elements angebracht, insbesondere auflaminiert. Dadurch können die Reflexionseigenschaften der ersten Seite, d.h. konkaven Seite, des optischen Elements bezüglich des von außen einfallenden Lichts unabhängig von der Ausgestaltung des Zirkularpolarisators optimiert werden, welcher seinerseits insbesondere hinsichtlich der polarisierenden bzw. polarisations- drehenden Eigenschaften unabhängig von der Gestaltung der reflektierenden ersten Seite des optischen Elements optimiert werden kann. Unerwünschte Reflexe im Sichtfeld des Fahrzeugführers werden dadurch besonders zuverlässig verhindert o- der zumindest reduziert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist die erste Seite, d.h. die konkave Seite, des optischen Elements zur Projektionsfläche hin gerichtet. Optional ist die zweite Seite, d.h. die konvexe Seite, des optischen Elements zur Projektionseinheit hin gerichtet. Das optische Element ist damit besonders günstig ausgerichtet, um von au- ßen einfallendes Licht und/oder vom Bereich der Augen des Fahrers ausgehendes, an der Projektionsfläche reflektiertes und auf die erste Seite des optischen Elements treffendes Licht zumindest teilweise so zu reflektieren, dass dieses nicht mehr auf die Projektionsfläche gelangen kann und dort störende Reflexe im Sichtfeld des Fahrzeugführers verursachen kann. In einer bevorzugten Ausführung wirkt die kon- kav gewölbte Oberfläche des optischen Elements bündelnd, so dass reflektiertes Licht kontrolliert in eine Richtung gelenkt wird, in der die Entstehung von Reflexen, welche vom Fahrzeugführer als blendend oder zumindest störend wahrgenommen werden, besonders zuverlässig vermieden wird. Ferner wird dadurch ein Teil des Lichts, welches von außen auf die Projektionsvorrichtung fällt, wie z.B. Sonnenlicht, an der ersten Seite des optischen Elements effizient reflektiert, noch bevor der restliche Teil des Lichts den Zirkularpolarisator durchläuft. Dadurch wird die Intensität des in die Projektionsvorrichtung gelangenden Lichts vermindert, so dass unerwünschte Reflexe im Sichtfeld des Fahrzeugführers besonders zuverlässig verhindert bzw. weiter reduziert werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführung weist die Projektionsvorrichtung einen Strahlfänger auf, welcher derart angeordnet ist und/oder dazu ausgebildet ist, auf die erste Seite des optischen Elements auftreffende und reflektierte Lichtstrahlen zu schlucken, insbesondere zu absorbieren. Dadurch wird mit besonders hoher Zuverlässigkeit verhindert, dass von außen einfallendes und am optischen Element reflektiertes Licht vom Fahrzeugführer als störender Reflex visuell wahrgenommen wird. Es ist vorteilhaft, wenn der Strahlfänger in direkter Nachbarschaft des gewölbten optischen Elements, insbesondere neben dem gewölbten optischen Element, angeordnet ist. Auf diese Weise können Strahlfänger und gewölbtes optisches Element platzsparend verbaut werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist die Projektionseinheit mindestens ein weiteres optisches Element auf, insbesondere einen Spiegel, ein Spiegelsystem, eine Linse, ein Linsensystem oder einen Lichtleiter, wobei zumindest eine Oberfläche des mindestens einen weiteren optischen Elements eine Antireflexschicht aufweist. Dadurch wird der Anteil des an der zumindest einen Oberfläche des mindestens einen weiteren optischen Elements reflektierten zirkulär polarisierten Lichts ver- ringert, typischerweise um einen Faktor 4 bis 5.. Unerwünschte Reflexe im Sichtfeld des Fahrzeugführers aufgrund von Reflexionen des von außen in die Projektionsvorrichtung eindringenden und dort an Oberflächen optischer Elemente reflektierten Lichts werden auf diese Weise besonders zuverlässig verhindert bzw. weiter reduziert. In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführung weist die Projektionsvorrichtung ein Gehäuse auf, welches die Projektionsvorrichtung umgibt und ein Austrittsfenster aufweist, durch welches hindurch das durch die Bildgebungseinheit erzeugte Bild auf die Projektionsfläche projiziert wird. Bevorzugt wird das Austrittsfenster dabei durch das optische Element gebildet. Vorzugsweise fungiert das optische Ele- ment als Deckglas des Gehäuses. Bei diesen Ausführungen dient der gewölbte Zirkularpolarisator bzw. das mit einem Zirkularpolarisator versehene optische Element nicht nur zur Reduktion bzw. Verhinderung von störenden Reflexen im Sichtfeld des Fahrzeugführers, sondern bietet darüber hinaus einen wirksamen und einfach zu realisierenden Schutz der Komponenten der Projektionsvorrichtung gegen ein Eindringen von Schmutz und Staub, der die Funktionalität der Projektionseinheit einschränken könnte.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 ein Beispiel eines Head-Up-Displays in einer Querschnittsdarstellung;
Fig. 2 ein Beispiel zur Veranschaulichung des Zustandekommens von störenden
Lichtreflexen im Gesichtsfeld eines Fahrzeugführers bei einem Head-Up-Dis- play;
Fig. 3 ein weiteres Beispiel eines Head-Up-Displays in einer Querschnittsdarstellung;
Fig. 4 a) einen Ausschnitt aus einem weiteren Beispiel eines Head-Up-Displays und b) einen vergrößerten Ausschnitt aus dem gewölbten optischen Element, jeweils in einer Querschnittsdarstellung; und
Fig. 5 Beispiele für im Projektionspfad angeordnete optische Elemente einer Projektionseinheit eines Head-Up-Displays.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines Head-Up-Displays 1 mit einer Projektionsvorrich- tung 3, welche eine Bildgebungseinheit 2 und eine Projektionseinheit aufweist. Bei der Bildgebungseinheit 2 kann es sich beispielsweise um ein Display handeln, vorzugsweise um eine Anzeige mit Dünnschichttransistoransteuerung (sog. TFT-Dis- play) und Hintergrundbeleuchtung. Von der Bildgebungseinheit 2 wird ein Bild erzeugt, welches mittels Projektionseinheit in das Gesichtsfeld eines Fahrzeugfüh- rers 4 projiziert wird und von diesem visuell wahrgenommen werden kann. Dazu weist die Projektionseinheit optische Elemente 12 und 13 auf, durch welche das von der Bildgebungseinheit 2 erzeugte Bild entlang eines Projektionspfades 5 auf eine Projektionsfläche 6, vorzugsweise die Frontscheibe eines Fahrzeugs, projiziert und dort in Richtung des Fahrzeugführers 4 reflektiert wird (Pfeile).
In einer bevorzugten Ausführung ist die Bildgebungseinheit 2 als Display ausgebildet, welches Licht nicht nur senkrecht zu seiner Oberfläche emittiert, sondern auch in einen Raumwinkelbereich um die Oberflächennormale herum. In dieser Ausführung ist die Bildgebungseinheit 2 gegenüber dem Projektionspfad 5 vorzugsweise gekippt angeordnet, wobei der Projektionspfad 5 in dem Raumwinkelbereich liegt, in welchen die Bildgebungseinheit 2 Licht emittiert. Dadurch wird auf eine einfache Weise verhindert, dass von außen in die Projektionsvorrichtung 3 einfallendes Licht, wie etwa Sonnenlicht, welches entlang des Projektionspfades 3 auf die Bildgebungseinheit 2 trifft, wieder in den Projektionspfad 3 reflektiert wird und im Gesichtsfeld des Fahrzeugführer 4 als störender Reflex wahrgenommen wird.
Die Projektionseinheit weist im vorliegenden Beispiel einen ebenen Spiegel 12 und einen Konkavspiegel 13, welcher das von der Bildgebungseinheit 2 erzeugte Bild vergrößert, auf. In alternativen Ausführungen kann die Projektionseinheit aber auch andere und/oder zusätzliche und/oder weniger optische Elemente enthalten, wie weiter unten im Zusammenhang mit den in Fig. 5 gezeigten Beispielen näher ausgeführt wird. Der ebene Spiegel 12 und der Konkavspiegel 13 oder, in den alternativen Ausführungen die anderen optischen Elemente, leiten das von der Bildgebungsein- heit 2 emittierte Licht entlang des Projektionspfades 5 bis zum Austritt aus der Projektionseinheit 3. Dabei wird gewährleistet, dass die auf diese Weise auf der Projektionsfläche 6 erzeugte Abbildung scharf und ausreichend groß ist.
Im vorliegenden Beispiel wird die Projektionsfläche 6 durch die Frontscheibe eines Fahrzeugs gebildet. In einer alternativen Ausführung kann als Projektionsfläche eine transparente oder zumindest teilweise transparente Fläche dienen, beispielsweise eine Glas- oder Kunststoffplatte, welche beispielsweise vor der Frontscheibe des Fahrzeugs angeordnet ist.
Das auf die Projektionsfläche 6 geworfene Licht wird von dieser zumindest teilweise in Richtung des Fahrzeugführers 4 reflektiert. Der Fahrzeugführer 4 nimmt dadurch das von der Bildgebungseinheit 2 erzeugte Bild als virtuelles Bild 7 wahr. In der vor- liegenden Anordnung mit einem vergrößernden Konkavspiegel 13 in der Projektionseinheit erscheint das virtuelle Bild 7 gegenüber dem von der Bildgebungsein- heit 2 erzeugten Bild vergrößert. Dadurch kann die Bildgebungseinheit 2 klein gehalten und die Projektionsvorrichtung 3 entsprechend platzsparend verbaut werden. Das virtuelle Bild 7 befindet sich im natürlichen Gesichtsfeld des Fahrzeugführers 4, so dass der Fahrzeugführer 4 die durch das Bild dargestellte Information ablesen kann, ohne den Blick von dem Fahrzeugumfeld, beispielsweise einem vor dem Fahrzeug liegenden Straßenabschnitt, zu nehmen.
In einer bevorzugten Ausbildung sind die Spiegel 12 und 13 bzw. die in alternativen Ausführungen im Projektionspfad 5 vorgesehenen optischen Elemente der Projektionseinheit als adaptive Elemente ausgelegt, deren Reflexions- bzw. Abbildungseigenschaften änderbar, insbesondere beim Betrieb des Head-Up-Displays steuerbar, sind, so dass z.B. die Ausbreitungsrichtung des Lichts geändert werden kann.
Dadurch kann die Abbildung des durch die Bilderzeugungseinheit 2 erzeugten Bil- des dem jeweiligen Gesichtsfeld des Fahrzeugführers 4 angepasst werden. Dabei kann insbesondere die Positionierung des Kopfes des Fahrzeugführers 4 berücksichtigt werden.
Die Projektionsvorrichtung 3 in Fig. 1 ist von einem Gehäuse 8 umgeben, welches ein Austrittsfenster 10 aufweist. Das Austrittsfenster 10 ist als gewölbtes optisches Element 9 ausgebildet, welches mit einem Zirkularpolarisator versehen ist oder als Zirkularpolarisator ausgebildet ist und weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 4 näher beschrieben wird. Wie in der vorliegenden Darstellung verdeutlicht ist, ist das Austrittsfenster 10 gewölbt und vorzugsweise so angeordnet, dass eine erste, konkav gewölbte Seite des Fensters 10 zur Projektionsfläche 6 hin gerichtet ist, wohin- gegen eine zweite, konvex gewölbte Seite des Fensters 10 im Innern der Projektionsvorrichtung 3 liegt und zu den optischen Komponenten 12 und 13 der Projektionseinheit hin gerichtet ist.
Das Austrittsfenster 10 verschließt das Gehäuse 8 der Projektionsvorrichtung 3 und wirkt somit als Deckglas für die Projektionsvorrichtung 3. Vorzugsweise ist es lösbar am Gehäuse 8 angebracht, so dass es im Falle einer Beschädigung, beispielsweise einem Kratzer, welche die Darstellung des virtuellen Bildes 7 beeinträchtigen kann, leicht austauschbar ist. Das Gehäuse 8 wird in einer bevorzugten Ausführung (nicht dargestellt) im Armaturenbrett des Fahrzeugs, insbesondere hinter dem Lenkrad, so verbaut, dass es nicht über das Armaturenbrett hinausragt. Dadurch wird vermieden, dass das Gesichtsfeld des Fahrzeugführers 4 durch das Gehäuse 8 eingeschränkt wird. Fig. 2 zeigt ein Beispiel zur Veranschaulichung des Zustandekommens von störenden Lichtreflexen im Gesichtsfeld eines Fahrzeugführers 4 bei einem Head-Up-Dis- play. Sonnenlicht 1 1 tritt durch die Frontscheibe, die in diesem Fall die Projektionsfläche 6 des Head-Up-Displays bildet, und trifft auf eine oder mehrere Oberflächen eines oder mehrerer optischer Elemente der Projektionsvorrichtung 3, welche in der vorliegenden Darstellung nur schematisch angedeutet ist.
Die Oberflächen des optischen Elements bzw. der optischen Elemente reflektieren zumindest einen Teil des einfallenden Sonnenlichts, welcher dann zusammen mit dem von der Bildgebungseinheit (nicht dargestellt) emittierten Licht auf die Projektionsfläche 6 treffen und von dort in das Gesichtsfeld des Fahrzeugführers 4 gelenkt wird (gestrichelte Pfeile). Der Fahrzeugführer 4 nimmt das virtuelle Bild 7 des reflektierten Sonnenlichts dann als störenden Reflex wahr. Aufgrund der in der Regel hohen Intensität von einfallendem Sonnenlicht wird der Fahrzeugführer 4 durch solche Reflexe häufig geblendet oder zumindest irritiert, wenn sich die Sonnenreflexe mit dem von der Bildgebungseinheit erzeugten Bild im Gesichtsfeld überlagern. Fig. 3 zeigt ein weiteres Beispiel eines Head-Up-Displays 1 in einer Querschnittsdarstellung. Wie bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel ist als Austrittsfenster 10 des Gehäuses 8 der Projektionsvorrichtung 3 ein gewölbtes optisches Element 9 vorgesehen, welches mit einem Zirkularpolarisator versehen oder als gewölbter Zirkularpolarisator ausgebildet ist. Eine konkav gekrümmte Seite des gewölbten optischen Elements 9 bzw. des gewölbten Zirkularpolarisators liegt auf der Seite der Projektionsfläche 6, wohingegen die konvex gekrümmte Seite des Elements 9 bzw. Zirkularpolarisators auf der Seite der Projektionseinheit liegt.
Im vorliegenden Beispiel ist ein Strahlfänger 41 vorgesehen, welcher zwischen dem gewölbten optischen Element 9 und der Projektionsfläche 6, insbesondere der Frontscheibe, angeordnet ist und das an der konkaven Oberfläche des optischen Elements 9 reflektierte Licht schluckt, insbesondere absorbiert. Hierdurch wird zuverlässig verhindert, dass von außen einfallendes Licht, wie z.B. Sonnenlicht oder Licht einer Straßenbeleuchtung, nach einer Reflexion am optischen Element 9 zur Projektionsfläche 6 und von dort in das Gesichtsfeld des Fahrzeugführers 4 proji- ziert wird und als störender Reflex wahrgenommen wird.
In diesem Beispiel ist die Wölbung des optischen Elements 9 besonders vorteilhaft, da reflektiertes Licht dadurch besonders zuverlässig auf den Strahlfänger 41 gebündelt werden kann. Dadurch wird die Entstehung von durch Streuung des an dem gewölbten optischen Element 9 reflektierten Lichts verursachten Reflexen verhindert oder zumindest signifikant vermindert.
Das optische Element 9 ist vorzugsweise so angeordnet und/oder derart gewölbt, dass auf das optische Element 9 treffendes Licht, welches vom Bereich der Augen des Fahrers 4 (sog. Eyebox) ausgeht und an der Projektionsfläche 6 reflektiert wird, auf den Strahlfänger 41 gelenkt, insbesondere gebündelt, wird und dort absorbiert werden kann. Auf diese Weise wird zuverlässig vermieden, dass Licht, welches aus dem Bereich der Augen des Fahrers 4 stammt, durch eine erneute Reflexion an der Projektionsfläche 6 wieder in die Eyebox des Fahrers gelangt.
Fig. 4 a) zeigt einen Ausschnitt eines weiteren Beispiels eines Head-Up-Displays zur weiteren Veranschaulichung der Funktionsweise eines mit einem Zirkularpolari- sator 51 versehenen gewölbten optischen Elements 9 der Projektionsvorrichtung 3. Fig. 4 b) zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus dem mit dem Zirkularpolarisator 51 versehenen gewölbten optischen Element 9.
Das gewölbte optische Element 9 kann beispielsweise als Glas- oder Kunststoffplatte ausgebildet sein und seine Wölbung durch Gießen und/oder Formen erhalten. Der Zirkularpolarisator 51 weist vorzugsweise ein linear polarisierendes Element 52 auf, beispielsweise eine dichroitische oder doppelbrechende Folie, welche eine erste Achse in der Folienebene aufweist und in Richtung der ersten Achse liegende Komponenten des Lichts passieren lässt, senkrecht dazu stehende Komponenten des Lichts jedoch absorbiert bzw. bricht. Dem linear polarisierenden Element 52 ist eine Verzögerungsplatte 53, insbesondere eine λ/4-Schicht, nachgeschaltet, welche eine zweite Achse aufweist und bei geeigneter Orientierung der Polarisationsrichtung des Lichts zwei senkrecht aufeinander stehende Komponenten des Lichts um eine Phase von ττ/2 gegeneinander verzögert, wodurch die Polarisationsrichtung des die Verzögerungsplatte 53 durchlaufenden Lichts, bezogen auf einen ortsfesten Punkt, die Form einer Helix annimmt.
In der Ausprägung als dichroitische oder doppelbrechende Folie ist das polarisierende Element 52 besonders dünn und platzsparend ausgebildet. Überdies lassen sich sowohl die polarisierende Folie 52 als auch die λ/4-Schicht 53 durch Laminie- ren besonders einfach und preisgünstig auf das gewölbte optische Element 9 aufbringen.
In einer alternativen Ausprägung ist es auch möglich, das linear polarisierende Element 52 als doppelbrechendes Element, beispielsweise als Nicols- oder Glan- Thomson-Prisma, auszubilden. In einer weiteren alternativen Ausbildung wird die lineare Polarisation durch Reflexion, vorzugsweise unter dem Brewster-Winkel, an hintereinander und gegenüber der Ausbreitungsrichtung des Lichts gekippt angeordneten transparenten Platten, beispielsweise aus Glas oder Kunststoff, erreicht.
Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert, werden Teile des von außen ein- fallenden unpolarisierten Lichts 54, wie etwa Sonnenlicht, am Eindringen in die Projektionsvorrichtung 3 gehindert, indem diese an der konkaven Seite des gewölbten optischen Elements 9 reflektiert und auf den Strahlfänger 41 gelenkt und dort absorbiert werden. Die übrigen Teile des einfallenden Lichts 54 dagegen passieren das mit dem Zirkularpolarisator 51 versehene optische Element 9 und werden hierbei in zirkulär polarisiertes Licht 55 umgewandelt.
Oberflächen der im Inneren der Projektionseinheit angeordneten optischen Elemente 56, beispielsweise der Bildgebungseinheit, eines Filters oder einer Linse, reflektieren das zirkulär polarisierte Licht 55 nach den Fresnel'schen Formeln zu einem gewissen Grad. Die Ausbreitungsrichtung des reflektierten zirkulär polarisierten Lichts 57 ist nun dieselbe wie die des von der Bildgebungseinheit (nicht dargestellt) emittierten Lichts. So trifft das reflektierte zirkulär polarisierte Licht 57 nun wieder auf das gewölbte optische Element 9, wo es zunächst die λ/4-Schicht 53 durchläuft. Dadurch wird das reflektierte zirkulär polarisierte Licht 57 wieder in linear polarisiertes Licht umgewandelt, dessen Polarisationsrichtung aufgrund der entgegengesetzten Ausbreitungsrichtung senkrecht auf der ersten Achse des dahinter liegenden li- near polarisierenden Elements 52 steht. Da nur Komponenten des Lichts, welche parallel zur ersten Achse des linear polarisierenden Elements 52 stehen, transmit- tiert werden, wirkt das linear polarisierende Element 52 als Filter und verhindert das Austreten eines Großteils des reflektieren zirkulär polarisierten Lichts 57, so dass nur ein Bruchteil des reflektierten zirkulär polarisierten Lichts 57 als ausgetretenes linear polarisiertes Licht 58 auf die Projektionsfläche 6 fällt. Das ausgetretene linear polarisierte Licht 58 ist dabei jedoch durch die beschriebenen Maßnahmen von so geringer Intensität, dass es nach Reflexion an der Projektionsfläche 6 im Gesichtsfeld des Fahrzeugführers nicht mehr als störender Reflex wahrgenommen wird.
Um eine besonders zuverlässige zirkuläre Polarisation des das gewölbte optische Element 9 durchlaufenden Lichts zu gewährleisten, wird die Funktion des Zirkularpolarisators 51 an den Einfallswinkel α des von außen auf die gewölbte erste Seite des optischen Elements 9 einfallenden unpolarisierten Lichts angepasst. Auf diese Weise wird eine Abschwächung der Intensität des ausgetretenen linear polarisierten Lichts 58 gegenüber dem einfallenden unpolarisierten Licht 54 um einen Faktor von 200 bis 250 erreicht.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass das als Austrittsfenster der Projektionseinheit fungierende gewölbte und mit einem Zirkularpolarisator 51 versehene bzw. als Zirkularpolarisator 51 ausgebildete optische Element 9 in zweifacher Hinsicht zur Reduktion bzw. Verhinderung von störenden Reflexen im Gesichtsfeld des Fahr- zeugführers beiträgt: An der gewölbten Oberfläche des optischen Elements bzw. Zirkularpolarisators wird ein Teil des einfallenden Lichts kontrolliert auf einen Strahlfänger reflektiert und somit unschädlich gemacht, während der andere Teil des einfallenden Lichts durch den am optischen Element vorgesehenen Zirkularpolarisator bzw. durch das als Zirkularpolarisator ausgebildete optische Element zirkulär polari- siert wird und, nach Reflexion an einer oder mehreren optischen Komponenten im Innern der Projektionseinheit, bei einem erneuten Durchgang durch den Zirkularpolarisator von diesem absorbiert wird. Das in die Projektionsvorrichtung 3 eindringende Licht kann noch weiter abgeschwächt werden, indem Oberflächen der optischen Elemente 56, beispielsweise die Vorder- und/oder Rückseite von Linsen, Filtern oder Lichtleitern, zusätzlich mit einer Antireflexschicht 59 bzw. Antireflex-Oberflächenstrukturen versehen werden. Dadurch wird bei der Reflexion des zirkulär polarisierten Lichts 55 an solchen Oberflächen dessen Intensität weiter vermindert. Insgesamt sinkt die Intensität des austretenden linear polarisierten Lichts 58 gegenüber der Intensität des von außen einfallenden unpolarisierten Lichts 54 um einen Faktor von über 1000, so dass auch die extrem hohe Helligkeit von einfallendem Sonnenlicht ausreichend und zuverläs- sig unterdrückt werden kann.
Fig. 5 zeigt Beispiele für optische Elemente, welche alternativ oder zusätzlich zu den oben beschriebenen optischen Elementen in der Projektionseinheit der Projektionsvorrichtung 3 verbaut werden können.
Bei dem in Fig. 5 a) gezeigten Beispiel wird eine vergrößernde Abbildung des durch die Bildgebungseinheit 2, welche z.B. als Display ausgebildet ist, emittierten Lichts durch eine Linse 31 oder ein Linsensystem, das mehrere nacheinander angeordnete Linsen aufweist, erreicht.
Fig. 5 b) zeigt ein Multilinsenarray 32, welches eine Mehrzahl von kleinen Linsen 33, sog. Lenslets, aufweist, wobei alle Lenslets die gleiche Brennweite aufweisen und in einer Ebene nebeneinander angeordnet sind. Dadurch wird eine Aufteilung des von der Bildgebungseinheit 2 ausgehenden Lichts auf mehrere Kanäle erreicht. Die in den einzelnen Kanälen eingesetzten Lenslets können dadurch eine sehr kleine Brennweite aufweisen, wodurch der für die Projektionseinheit benötigte Bauraum deutlich verringert wird. Fig. 5 c) zeigt eine Projektionseinheit, in welcher das durch die als Display ausgebildete Bildgebungseinheit 2 erzeugte Bild durch eine Linse 34 oder ein Linsensystem (nicht dargestellt) vergrößert und in einen Lichtleiter 35 eingekoppelt und an anderer Stelle wieder ausgekoppelt wird. Dies erlaubt eine flexible Verbauung der Projektionseinheit. Fig. 5 d) zeigt eine Ausführung, bei welcher die Projektionsvorrichtung nur eine Bild- gebungseinheit 2 aufweist. Durch die Ausbildung der Bildgebungseinheit 2 als großes Display ist eine vergrößernde Optik zur Erzeugung eines gut erkennbaren virtuellen Bilds 7 nicht nötig. Dadurch wird der benötigte Bauraum besonders klein.
Fig. 5 e) zeigt eine Erweiterung von Fig. 5 d), in der die als Display ausgebildete Bildgebungseinheit 2 mit einer Parallaxenbarriere 36 oder einer Lentikularschicht versehen wird. Durch die Parallaxenbarriere 36 werden Teile des Displays für jeweils einen der zwei Blickwinkel der beiden Augen des Fahrzeugführers 4 ausgeblendet, so dass bei geeigneter Darstellung der anzuzeigenden Information auf dem Display in den durch die Parallaxenbarriere 36 definierten Teilen des Displays ein stereoskopisches virtuelles Bild 7 entsteht. Der gleiche Effekt wird mit der Lentikularschicht erreicht, welche aus Lenslets auf dem Display entsteht, welche den Blick aus zwei verschiedenen Blickwinkeln auf unterschiedliche, definierte Teile des Displays lenken. Durch die stereoskopische Darstellung der anzuzeigenden Information kann das virtuelle Bild 7 in einer weiteren Entfernung zum Fahrzeugführer 4 erzeugt werden, so dass es noch besser in die Objekte im natürlichen Sichtfeld des Fahrzeugführers 4 integriert zu sein erscheint, wodurch die sog. Kontaktanalogie weiter verbessert wird.
Bezugszeichenliste
1 Head-Up-Display
2 Bildgebungseinheit
3 Projektionsvorrichtung
4 Fahrzeugführer
5 Projektionspfad
6 Projektionsfläche
7 virtuelles Bild
8 Gehäuse der Projektionseinheit
9 gewölbtes optisches Element
10 Austrittsfenster
1 1 Sonne/Sonnenlicht
12 Spiegel
13 Konkavspiegel
31 Linse/Linsensystem
32 Linsenarray
33 Lenslet
34 Linse/Linsensystem
35 Lichtleiter
36 Paralaxenbarriere
41 Strahlfänger
51 Zirkularpolarisator
52 Linear polarisierendes Element
53 λ/4-Schicht
54 unpolarisiertes einfallendes Licht
55 zirkulär polarisiertes Licht
56 optisches Element
57 reflektiertes zirkulär polarisiertes Licht
58 ausgetretenes linear polarisiertes Licht
59 Antireflexschicht

Claims

ANSPRÜCHE
1 . Projektionsvorrichtung (3) für ein Head-Up-Display (1 ) mit
- einer Bildgebungseinheit (2), welche zur Erzeugung eines Bildes ausgebildet ist, und
- einer Projektionseinheit (12, 13), welche dazu ausgebildet ist, das durch die
Bildgebungseinheit (2) erzeugte Bild über einen Projektionspfad (5) auf eine Projektionsfläche (6) zu projizieren,
gekennzeichnet durch
- ein im Projektionspfad (5) angeordnetes gewölbtes optisches Element (9), welches mit einem Zirkularpolarisator (51 ) versehen oder als Zirkularpolarisator (51 ) ausgebildet ist.
2. Projektionsvorrichtung (3) nach Anspruch 1 , wobei der Zirkularpolarisator (51 ) ein linear polarisierendes Element (52) und eine λ/4-Schicht (53) aufweist.
3. Projektionsvorrichtung (3) nach Anspruch 2, wobei die λ/4-Schicht (53), in Richtung des Projektionspfades (5) betrachtet, vor dem linear polarisierenden Element (52) angeordnet ist.
4. Projektionsvorrichtung (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das optische Element (9) als gewölbte transparente Platte, insbesondere als gewölbte Glas- oder Kunststoff platte, ausgebildet ist, an welcher der Zirkularpolarisator (51 ) angebracht, insbesondere auflaminiert, ist.
5. Projektionsvorrichtung (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine erste Seite des optischen Elements (9) konkav gewölbt und eine zweite Seite des optischen Element (9) konvex gewölbt ist.
6. Projektionsvorrichtung (3) nach Anspruch 5, wobei der Zirkularpolarisator (51 ) an der zweiten Seite des optischen Elements (9) angebracht ist.
7. Projektionsvorrichtung (3) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die erste Seite des optischen Elements (9) zur Projektionsfläche (6) hin und die zweite Seite des optischen Elements (9) zur Projektionseinheit hin gerichtet ist.
Projektionsvorrichtung (3) nach einem der Ansprüche 5 bis 7 mit einem Strahlfänger (41 ), welcher derart angeordnet und/oder dazu ausgebildet ist, auf die erste Seite des optischen Elements (9) auftreffende und reflektierte Lichtstrahlen zu schlucken, insbesondere zu absorbieren.
Projektionsvorrichtung (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Projektionseinheit mindestens ein weiteres optisches Element (56) aufweist, insbesondere einen Spiegel, ein Spiegelsystem, eine Linse, ein Linsensystem oder einen Lichtleiter, und zumindest eine Oberfläche des mindestens einen weiteren optischen Elements (56) eine Antireflexschicht (59) aufweist.
10. Projektionsvorrichtung (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Gehäuse (8), welches die Projektionseinheit (12, 13) umgibt und ein Austrittsfenster (10) aufweist, durch welches hindurch das durch die Bildge- bungseinheit (2) erzeugte Bild auf die Projektionsfläche (6) projiziert wird, wobei das Austrittsfenster (10) durch das optische Element (9) gebildet wird.
1 1 . Head-Up-Display (1 ) mit einer Projektionsfläche (6), insbesondere einer Frontscheibe eines Fahrzeugs, und einer Projektionsvorrichtung (3) nach nem der vorangehenden Ansprüche.
12. Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einer Projektionsfläche (6), insbesondere in Form einer Frontscheibe, und einer Projektionsvorrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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