DE3523032C2

DE3523032C2 -

Info

Publication number: DE3523032C2
Application number: DE3523032A
Authority: DE
Inventors: Nile F. Franklin Ohio Us Hartman
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1984-07-09
Filing date: 1985-06-27
Publication date: 1988-05-11
Also published as: DE3523032A1; GB8515947D0; US4613200A; JPS6135416A; GB2161615B; CA1245085A; GB2161615A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Head-up-Display-System nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei einem aus der GB-PS 21 23 974A bekannten Display-System dieser Art ist die Strahlenquelle mit einer Kathodenstrahlröhre gebildet, in deren Strahlengang ein Linsensystem und ein Spiegel angeordnet sind, um die Strahlen unter einem rechten Winkel über eine weitere Linse und ein erstes Hologramm hin zu einem parallel angeordneten, a.a.O. so bezeichneten Kombinator umzulenken, der für die auf den Betrachter ausgerichtete Projektion eines virtuellen Bildes den umgelenkten Strahlengang nochmals rechtwinklig in Richtung auf das zweite Hologramm ausrichtet, das somit im Blickfeld des Betrachters angeordnet ist. Bei diesem bekannten Display-System ergänzen die beiden Hologramme eine mit den vorgeschalteten Linsen bezweckte Vergrößerung und gleichzeitige Kollimation des von der Kathodenstrahlröhre erzeugten sichtbaren Bildes, indem das eine Hologramm eine "negative" und das andere Hologramm eine "positive" Linsenwirkung hat und somit diese Hologramme in bezug auf den dem ersten Hologramm nachgeschalteten Kombinator als ein brennpunktloses Galilei-Teleskop mit übereinstimmender Vergrößerung wirken. Diese Wirkung kann dabei noch mit der Maßnahme verbessert werden, daß der zwischen den beiden folglich als Linsen ausgebildeten Hologrammen angeordnete Kombinator optimal mit einem weiteren, dabei reflektierend ausgebildeten Hologramm versehen sein kann.

Bei einem aus der US-PS 37 37 212 daneben noch bekannten Display-System ist im Strahlengang einer dabei ebenfalls mit einer Kathodenstrahlröhre gebildeten Strahlenquelle ein a.a.O. so bezeichnetes Mischglas angeordnet, dem ebenfalls ein mit einem Spiegel und mit einer Linse gebildetes optisches System vorgeschaltet und ein weiteres Mischglas in der Ausbildung einer sphärischen Beugungslinse nachgeschaltet sind, um bei einer Verwendung dieses Display- Systems im Cockpit eines Luftfahrzeuges aus der eine konkave Parabolfläche aufweisenden Kathodenstrahlröhre eine projizierte Instrumentenanzeige zu erhalten. Die sphärische Beugungslinse kann dabei unter der Voraussetzung durch eine holographische Beugungslinse ersetzt sein, daß eine Kathodenstrahlröhre verwendet wird, die zur Erzeugung von hochenergetischen Lichtstrahlen mit im Schmalbandbereich liegenden Wellenlängen, Phosphorschichten aufweist, welche zu einer dann noch gegebenen Möglichkeit einer guten Wahrnehmbarkeit der in das Blickfeld des Piloten projizierten Instrumentanzeige und damit zur Verringerung von Aberrationen mit seltenen Erden dotiert sind.

Die durch die Patentansprüche gekennzeichnete Erfindung löst die Aufgabe, ein insbesondere zur Verwendung bei Kraftfahrzeugen geeignetes Head-up-Display-System der angegebenen Gattung bereitzustellen, mit dem ohne ein zusätzliches optisches System eine verbesserte holographische Dispersionskorrektur erhalten werden kann.

Die mit dem erfindungsgemäßen Head-up-Display-System erzielbaren Vorteile liegen im wesentlichen darin, daß mit der Verwendung der beiden beabstandet angeordneten Hologramme jetzt auch ohne ein zusätzliches optisches System ein virtuelles Bild für den Betrachter projiziert werden kann, das beispielsweise bei Verwendung einer sog. Vakuum-Fluoreszenzanzeige (VFD), die bereits in einigen Ford-Fahrzeugmodellen für eine in einem Wellenlängen-Breitbandbereich von etwa 460 bis 580 nm liegende Instrumentenanzeige benutzt wird, frei von jeder chromatischen Aberration und gleichzeitig auch vor einem hellen Hintergrund stark kontrastreich ist. Mit dem Head-up-Display-System läßt sich damit entsprechend kostengünstig einer Instrumentenanzeige bei Kraftfahrzeugen in das Blickfeld des Fahrers mit einer Anordnung des virtuellen Bildes vor der Windschutzscheibe und außerhalb des Fahrgastraumes projizieren. Das mit einer solchen VFD-Instrumentenanzeige erhaltene virtuelle Bild ist dabei selbst dann noch für den Fahrer klar erkennbar, wenn die Windschutzscheibe beispielsweise unter direkter Sonneneinstrahlung steht. Das Head-up-Display-System ist daneben auch für andere holographisch projizierte Anzeigen geeignet, so beispielsweise für Videospiele, Simulatoren usw., wenn dafür die beiden Hologramme in bezug auf die Strahlenquelle eine jeweils entsprechend angepaßte Anordnung und Ausrichtung erfahren.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Head-up-Display-Systems ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schemadarstellung des Display-Systems in einer Verwendung bei einem Kraftfahrzeug, Fig. 2 eine Schemadarstellung des Strahlenganges bei dem Display-System gemäß Fig. 1 zur Veranschaulichung von dessen chromatischer Dispersionskorrektur und

Fig. 3 und 4 Schemadarstellung zur Veranschaulichung des Arbeitsprinzips der beiden Hologramme in der Ausbildung als bildfreie Trägerplatten bei dem Display-System gemäß Fig. 1.

Das Head-up-Dispaly-System gemäß den Fig. 1 und 2 umfaßt für die Verwendung bei einem Kraftfahrzeug zwei im wesentlichen parallel zueinander angeordnete Hologramme A und B, mittels welcher für den Fahrer des Kraftfahrzeuges als Betrachter C vor der Windschutzscheibe 40 und außerhalb des Fahrgastraumes ein virtuelles Bild 10′ von der mit einer Strahlenquelle 10 ausgerüsteten Instrumentenanzeige erhalten wird. Das erste Hologramm A ist in einem Abstand OR₁ von der Stahlenquelle 10 außerhalb des direkten Blickfeldes des Fahrers unterhalb der Instrumententafel 30 des Fahrzeuges angeordnet und weist einen Abstand D zu dem zweiten Hologramm B auf, das planparallel an der Windschutzscheibe 40 angeordnet ist oder ein Laminat derselben bilden kann. Der Neigungswinkel der Windschutzscheibe 40, bezüglich welcher das virtuelle Bild 10′ von der Instrumentenanzeige in einem Abstand OR₂ erhalten wird, bestimmt für die beiden Abstandsgrößen OR₁ und D sowie den Neigungswinkel α und damit auch den Neigungswinkel β, unter welchem das erste Hologramm A in bezug auf die Strahlenquelle 10 in dem unterhalb der Instrumententafel 30 zur Verfügung stehenden Raum des Fahrzeuges anzuordnen ist.

Die Strahlenquelle 10 besteht aus einer ein Breitband von etwa 460 bis 580 nm der Wellenlänge liefernden Vakuum- Fluoreszenzanzeige (VFD), jedoch können für das Display-System auch andere, ein Breitband ähnlicher Größenordnung ihrer Wellenlänge liefernde Strahlenquelle verwendet werden. Die von dieser VFD-Strahlenquelle 10 gelieferten Strahlen p sind polychromatisch und enthalten somit nach der Darstellung in Fig. 2 blaue, grüne und rote Lichtanteile der Wellenlängen λ _B < g _G < λ _R. Diese drei unterschiedlichen Wellenlängen erfahren durch die beiden Hologramme A und B eine der folgenden Braggschen Gleichung folgende Beugung:

wobei:
d= Abstand benachbarter Beugungsstrahlen n= Beugungsordnung oder Ordnung der Strahlungsreflektion. λ=Wellenlänge der Strahlung R _Br=Halbwinkel zwischen auftreffendem und gebeugtem Strahl.

Durch eine geometrisch gleiche Ausbildung der beiden Hologramme A und B werden von den drei unterschiedlichen Wellenlängen der Strahlen entsprechend unterschiedlich, bei den beiden Hologrammen jedoch gleich gebeugte Strahlen p′ erhalten, die sich in dem Abstand OR₂ von dem Hologramm B zu dem virtuellen Bild 10′ vereinigen, das frei von jeder chromatischen Dispersion ist. Dieses virtuelle Bild 10′ wird dabei als Projektion der Strahlenquelle 10 nur dann erhalten, wenn die beiden Hologramme A und B zumindest nahezu völlig übereinstimmende Beugungskennlinien ergeben. Sofern der Winkel zwischen dem Primärstrahl und dem gebeugten Strahl nur bei einer der drei unterschiedlichen Wellenlängen an dem zweiten Hologramm B in bezug auf den entsprechenden Winkel an dem ersten Hologramm A um nur wenige Winkelgrade abweichen sollte, so beispielsweise mit einem Winkelunterschied von bereits 5°, dann wird damit ein virtuelles Bild 10′ erhalten, das sich für den Betrachter C "verschmiert" und jedenfalls nur entsprechend ungenau erfassen läßt. Andererseits wird ein äußerst konturenscharfes und gleichzeitig äußerst kontrastreiches virtuelles Bild 10′ erhalten, wenn die beiden Hologramme A und B geometrisch völlig gleich ausgebildet sind und für ihre Anordnung bezüglich der Strahlenquelle 10 auch die Abstände OR₁ und D sowie die Neigungswinkel α und β präzise eingehalten werden.

Die beiden Hologramme A und B sind zweckmäßig durch sog. bildfreie Trägerplatten gebildet, um damit eine ebenfalls der Braggschen Gleichung folgende Anwendung eines monochromatischen Punktquellen-Objektstrahls und eines parallel gerichteten monochromatischen Referenzstrahls einer in einem Breitband von etwa 460 bis 580 nm einer VFD-Strahlenquelle liegenden Wellenlänge zu ermöglichen. Die Bereitstellung solcher bildfreier Trägerplatten für die beiden Hologramme erfordert dann lediglich die Einhaltung einer übereinstimmenden Brennweite, welche definiert wird durch den Abstand zwischen der den divergierenden Objektstrahl bildenden monochromatischen Punktquelle und der Ebene der das jeweilige Hologramm bildenden Trägerplatte. Die Brennpunkteigenschaften der das erste Hologramm A bildenden Trägerplatte lassen sich dann unter Hinweis auf die Darstellung der Fig. 3 durch die folgende, für eine einfache dünne Linse gültige Gleichung ermitteln:

wobei:
O _C₁=Abstand zwischen der einen divergierenden Objektstrahl bildenden Punktquelle und der Trägerplatte, R _C₁=Abstand zwischen der einen parallel gerichteten Referenzstrahl bildenden Punktquelle und der Trägerplatte und f _C₁=Brennweite der Trägerplatte.

Da bei der vorstehenden Gleichung der mit dem Abstand R _{C 1} gebildete Term den Wert 0 annimmt, ergibt sich aus dieser Gleichung die Gleichheit der Brennweite f _{C 1} mit dem Abstand O _{C 1} der den Objektstrahl bildenden Punktquelle von der das Hologramm A bildenden Trägerplatte. Gleichartig ergibt sich unter Hinweis auf die zeichnerische Darstellung der Fig. 4 für die das Hologramm B bildende Trägerplatte eine Gleichheit von deren Brennweite f _{C 2} mit einem entsprechenden Abstand O _{C 2}, womit für das Display-System gemäß Fig. 1 für eine Verwendung bei einem Kraftfahrzeug mit einer Anordnung des ersten Hologramms A zusammen mit der Strahlenquelle 10 unterhalb der Instrumententafel 30 und einer Anordnung des zweiten Hologramms B an der Windschutzscheibe 40 die folgende Gleichung aufgestellt werden kann.

wobei:
O _C₂= Abstand zwischen der den Objektstrahl bildenden Punktquelle und der das Hologramm B bildenden Trägerplatte, O _C₁= Abstand zwischen der den Objektstrahl bildenden Punktquelle und der das Hologramm A bildenden Trägerplatte, O _R₁= Abstand zwischen der die Strahlenquelle 10 bildenden Instrumententafel und dem ersten Hologramm A, D= Abstand der beiden Hologramme A und B und O _R₂= Abstand zwischen dem virtuellen Bild 10′ und dem zweiten Hologramm B.

Unter Berücksichtigung dieser formelmäßigen Zusammenhänge kann damit für das virtuelle Bild 10′ jede gewünschte Vergrößerung als eine Überlagerung zu einer visuellen Instrumentenanzeige zur Verfügung gestellt werden, da sich diese Vergrößerung aus dem Verhältnis des Abstandes des virtuellen Bildes 20′ von dem zweiten Hologramm B zu der Weglänge des zur Erzeugung dieses virtuellen Bildes benutzten Objektstrahls entsprechend der folgenden Gleichung ergibt:

Durch eine Veränderung lediglich der Abstände O _R₁ und D bei einer Anordnung der beiden Hologramme A und B ist es damit entsprechend einfach möglich, bei einem Kraftfahrzeug jede für das virtuelle Bild 10′ einer Instrumentenanzeige gewünschte Vergrößerung variabel zur Verfügung zu stellen.

Claims

1. Head-up-Display-System mit einer ein sichtbares Bild erzeugenden Strahlenquelle, in deren Strahlengang zwei voneinander beabstandete Hologramme für eine in bezug auf einen Betrachter ausgerichtete Projektion eines virtuellen Bildes angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hologramme (A, B) im wesentlichen parallel zueinander angeordnet und für eine aufeinanderfolgende, linsenfreie Beugung der von einer Breitband-Strahlenquelle (10) gelieferten Strahlen (p) reflektierend ausgebildet sind.

2. Head-up-Display-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hologramme (A, B) geometrisch gleich ausgebildet sind.

3. Head-up-Display-System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hologramme (A, B) durch bildfreie Trägerplatten gebildet sind.

4. Head-up-Display-System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hologramme (A, B) für eine der Braggschen Gleichung folgende Anwendung eines monochromatischen Punktquellen- Objektstrahls und eines parallel gerichteten monochromatischen Referenzstrahls einer in einem Breitband von etwa 460 bis 580 nm einer Vakuum-Fluoreszenzanzeige liegenden Wellenlänge eingerichtet sind.

5. Head-up-Display-System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Hologramm (B) planparallel an der Windschutzscheibe (40) eines Kraftfahrzeuges für eine Projektion des virtuellen Bildes (10′) außerhalb des Fahrgastraumes angeordnet ist und daß das erste Hologramm (A) und die Strahlenquelle (10) eine Anordnung außerhalb des direkten Blickfeldes des Fahrers aufweisen.

6. Head-up-Display-System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Hologramm (B) in den im Blickfeld des Fahrers liegenden Bereich der Windschutzscheibe (40) integriert ist.

7. Head-up-Display-System nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Wiedergabe einer Instrumentenanzeige die Strahlenquelle (10) und das erste Hologramm (A) unterhalb der Instrumententafel (30) des Fahrzeuges angeordnet sind.