DE3822222A1 - Einrichtung fuer head-up-displays an kraftfahrzeugen - Google Patents

Einrichtung fuer head-up-displays an kraftfahrzeugen

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer optischen Einrichtung an Kraftfahr­ zeugen zur Einspiegelung bildhaft dargestellter Anzeigen in das Sichtfeld des Fahrers nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es gibt zahlreiche Vorschläge, dem Fahrer eines Kraftfahrzeugs rele­ vante Informationen durch ein sogenanntes Head-up-Display (HUD) an­ zuzeigen. Dabei werden auf einen Teil der Windschutzscheibe, der im Sichtfeld des Fahrers liegt, für den Fahrer wichtige Meßdaten und Warnsignale eingeblendet. Sie haben den Zweck, daß der Fahrer auch bei Ausrichtung seiner Aufmerksamkeit auf die Verkehrssituation An­ zeigesignale wie beispielsweise die Geschwindigkeit, die Funktions­ sicherheit der Bremsanlage oder Wegleitinformationen erkennen kann, ohne daß er seinen Blick von der Fahrbahn abwenden muß. Die Akkomo­ dation der Augen des Fahrers entfällt weitgehend.
Head-up-Displays benötigen zur Überlagerung des virtuellen Bildes, das aus den Anzeigeelementen gebildet wird, mit dem Umweltbild ei­ nen teildurchlässigen Spiegel. Im Kraftfahrzeug kann hierzu die Re­ flexion an der Windschutzscheibe oder einer vor der Windschutz­ scheibe stehenden zusätzlichen Scheibe (Combiner) benutzt werden.
In beiden Fällen treten an den beiden Trennflächen zwischen der Windschutzscheibe bzw. der Combinerscheibe und der Luft Reflexio­ nen auf, die zu unerwünschten Doppelbildern führen und damit die Ab­ lesbarkeit der Anzeigen stark beeinträchtigen. Auch führen Lichtein­ strahlungen in den optischen Raum des HUD′s zu Reflexionen, die ebenfalls in das Sichtfeld des Fahrers eingespiegelt werden. Dem Fahrer erscheint eine helle nebelartige Hintergrundfläche, die die Sicht auf das Verkehrsgeschehen behindert. Um diese Effekte zu un­ terdrücken, wird im allgemeinen eine Beschichtung der innenliegenden Grenzfläche mit einer dielektrischen Schicht vorgeschlagen, wodurch eins der Reflexionsbilder verstärkt und die anderen abgeschwächt werden.
Es ist weiterhin bekannt, die Reflexionsschichten so auszubilden, daß sie nur Licht von der Wellenlänge reflektieren, welches die An­ zeigenelemente, die innerhalb des Armaturenbrettes angeordnet sind, abstrahlen. Dadurch läßt sich der Einfluß des Umgebungslichts ver­ ringern.
Weiterhin ist aus der DE-PS 33 47 271 bekannt, den Lichtstrom zu polarisieren und von einer auf der Windschutzscheibe aufgebrachten Mehrfachbeschichtung mit unterschiedlichen Brechungsindizes unter Berücksichtigung des Brewster-Winkels zum Fahrer hin abzulenken. Das Aufbringen von dielektrischen Schichten durch Aufdampfen oder Sput­ tern im Hochvakuum ist insbesondere auf die Windschutzscheibe sehr aufwendig. Bekanntermaßen sind diese Schichten auch gegen Verkratzen und Verschmutzen sehr empfindlich, so daß dadurch die Lesbarkeit der Anzeigen beeinträchtigt wird.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen der Hauptansprüche hat demgegenüber den Vorteil, daß einfache und preiswert herzustellende lineare Polarisationsfilter verwendet wer­ den, die einen guten Kontrast der Anzeigen auf die Windschutzschei­ be liefern. Auch ist vorteilhaft, daß diese kratzfest sind und bei eventueller Beschädigung leicht ausgetauscht werden können. Durch die Verwendung von Jalousien wird die Transmission des Lichtes in Richtung Fahrbahn in vorteilhafter Weise nur geringfügig beein­ trächtigt.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen der in den Hauptansprüchen angegebenen Einrichtung möglich. Besonders ist die Verwendung einer zweiten Jalousie im Lichtstrom vorteilhaft, da dadurch das störende Streu­ licht weitgehend ausgeblendet wird. Will man die Anzeigen im Blick­ winkel und der Helligkeit variabel gestalten, dann ist die Anord­ nung der Filterscheiben auf einem schwenkbaren Combiner vor der Windschutzscheibe vorteilhaft. Durch Schwenken des Combiners ist das virtuelle Abbild auch auf unterschiedliche große Fahrer einstellbar, so daß in vorteilhafter Weise stets ein maximaler Kontrast unter dem Brewster-Winkel erreicht wird. Auch ist vorteilhaft, vorzugsweise transparente Flüssigkristallanzeigen mit dem virtuellen Bild auf dem Combiner zu kombinieren, weil hierdurch wichtige Fahrzeugdaten wie Drehzahl oder Geschwindigkeit in das Sichtfeld des Fahrers besonders kontrastreich eingeblendet werden, die in Verbindung mit Wegleitin­ formationen des virtuellen Bildes sehr übersichtlich darstellbar sind.
Ein weiterer Vorteil ist, daß die Filterfolien oder -scheiben auf­ grund ihrer dünnen Wandung sich bei Verbundscheiben leicht innerhalb der Windschutzscheibe ohne nennenswerte störende Reflexionen ein­ betten lassen, wodurch sie besonders gut gegen mechanische Beschä­ digung geschützt sind. Auch ist die Anordnung der Anzeigen im Blick­ feld auf die Motorhaube von Vorteil, da dadurch der Blick auf die Straße nicht beeinträchtigt wird und dennoch eine Akkomodation der Augen weitgehend vermieden wird. Weiterhin kann durch die Änderung des Reflexionswinkels am Combiner oder der Helligkeit der Beleuch­ tung das virtuelle Abbild der Anzeigen in vorteilhafter Weise den Tageslichtverhältnissen angepaßt werden, wodurch eine Blendung des Fahrers insbesondere auch nachts vermieden wird.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 die Reflexionsstrahlen der virtuellen Abbildungen an der un­ behandelten Windschutzscheibe,
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbei­ spiel,
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel,
Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel,
Fig. 5 zeigt die Funktion der Jalousie,
Fig. 6 zeigt eine Kombinationsanzeige mit zwei Flüssig­ kristallanzeigen und
Fig. 7 zeigt den Aufbau der Kombinationsan­ zeige im Schnitt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt eine bekannte optische Einrichtung, bei der der Licht­ strom 6, der durch die Anzeigenelemente 1 erzeugt und mit der Optik 4 fokussiert wird. Er trifft auf die Windschutzscheibe 24, wo er so­ wohl an der Innenseite wie auch an der Außenseite der Scheibe re­ flektiert wird. Ein Beobachter, der etwa in der Position 12 sitzt, sieht aufgrund der Scheibendicke zwei verschobene, etwa gleichhelle virtuelle Bilder auf der Scheibe 10, die sich dem Straßenbild über­ lagern. Da auch Streulicht von außen in den Beobachtungsraum eintre­ ten kann, ist ein eindeutiges Ablesen der Anzeigen für den Beobach­ ter sehr erschwert. Zur Vermeidung dieser störenden Einflüsse wurde in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 in der Austrittsöffnung 3 ein erstes Polarisationsfilter 11 eingesetzt, das den Lichtstrom 6 linear polarisiert. Weiterhin ist auf der Innenseite der Windschutz­ scheibe 24 ein zweites Polarisationsfilter 9 aufgebracht. Seine Po­ larisationsrichtung steht senkrecht auf der des ersten Polarisa­ tionsfilters 11. Auf der dem Fahrer zugewandten Seite des zweiten Polarisationsfilters 9 wird nunmehr ein Teil des Lichtstromes 6 zum Fahrer hin abgelenkt, er sieht das virtuelle Bild der Anzeigenele­ mente 1. Der nicht an der Oberfläche des zweiten Polarsationsfilters 9 reflektierte Teil des Lichtstromes 6 wird im gekreuzten zweiten Polarisationsfilter 9 weitgehend absorbiert. Das abgeschwächte Bild ist mit der punktierten Linie 16 gekennzeichnet, während das primäre Abbild durch den Lichtstrom 15 erkennbar ist. Durch Verschieben der Optik 4 im Schacht 2 läßt sich die Bildweite (virtuelle Entfernung) der Anzeigenelemente 1 einstellen. Der Fahrer ist dadurch in der Lage, das Anzeigenbild den Sichtverhältnissen auf der Straße anzu­ passen. Auch ist eine nicht dargestellte Helligkeitsregelung vorge­ sehen, die eine manuelle oder automatische Helligkeitsregelung der Anzeige vornehmen läßt, um Blendungen, insbesondere auch bei Dunkel­ heit zu vermeiden. Das zweite Polarisationsfilter 9 ist vorzugsweise im unteren Bereich der Windschutzscheibe angeordnet, der im wesent­ lichen im Blickfeld auf die Motorhaube liegt. Dadurch werden stören­ de Beeinträchtigungen des Straßenbildes vermieden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 dargestellt. Anstel­ le der Polarisationsfilter sind hier Jalousien 7, 8 verwendet. Die Jalousien 7, 8 haben parallel angeordnete Reflektoren, die das auf­ treffende Licht je nach Auftreffwinkel durchlassen oder sperren. Die Jalousie 8, die auf der Innenseite der Windschutzscheibe 24 be­ festigt ist, ist so ausgerichtet, daß der auftreffende Lichtstrom 6 an ihrer Oberfläche teilweise zum Fahrer hin abgelenkt wird. In Fig. 5 ist die Wirkungsweise dieser Reflektorscheibe ersichtlich. Die Anordnung der Reflektoren 13 ist derart, daß der verbleibende Teil des Lichtstromes 6 vollständig absorbiert wird und so kein Doppel­ bild entsteht. Dadurch wird nur die an der Trennfläche Luft/Folie entstehende Reflexion genutzt. Andererseits ist jedoch der Blick durch die Jalousie 8 für den Beobachter 12 nur wenig beeinträchtigt, da die Jalousie 8 unter diesem Blickwinkel einen hohen Transmission­ grad aufweist. Zur Vermeidung von Spiegelungen und unerwünschten Re­ flexionen aus dem optischen Raum des HUD′s ist im Ausgang des Lichtschachtes 2 eine zweite Jalousie 7 angeordnet. Hier sind die Reflektoren parallel zum Lichtstrom 6 angeordnet, so daß der Licht­ strom 6 nahezu ungehindert hindurchtreten kann. Bei geeigneter Nei­ gung der Windschutzscheibe 24 mit der ersten Jalousie 8 kann auf die Anwendung der zweiten Jalousie 7 verzichtet werden, da dann die stö­ renden Reflexionen durch in den optischen Raum einfallendes Licht nicht auftreten können. Um ein Zerkratzen der Folien zu vermeiden, lassen sich die Jalousien auch in einer Zwischenschicht der Wind­ schutzscheibe 24 einbetten.
Ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 4 darge­ stellt. Hier ist vor der Windschutzscheibe 24 eine transparente Scheibe als Combiner 10 am Ausgang des Schachtes 3 vorgesehen. Auf der zum Fahrer zugewandten Seite des Combiners 10 ist entweder das zweite Polarisationsfilter 9 des ersten Ausführungsbeispiels oder die Jalousie 8 angebracht. Entsprechend erfolgt die Schachtabdek­ kung 11 mit einem Polarisationsfilter bzw. einer Jalousie. Die Wir­ kungsweise dieses Ausführungsbeispiels ist die gleiche wie in den zuvor aufgeführten. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wurde jedoch der Combiner schwenkbar angeordnet, so daß unabhängig vom Neigungswinkel der Windschutzscheibe 24 die Lage des virtuellen Bildes auf dem Combiner 10 durch Schwenken individuell eingestellt werden kann. Die maximale Lichtstärke erhält er, wenn der Combiner 10 zum Lichtstrom 6 unter dem Brewster-Winkel eingestellt wird.
Durch die Aufstellung eines Combiners braucht auf die Lage der Wind­ schutzscheibe und der damit verbundenen aerodynamischen Einflüsse auf die Karosserie keine Rücksicht genommen zu werden. Da die Funk­ tionsweise die gleiche ist wie beim ersten Ausführungsbeispiel, er­ übrigt sich eine weitere Erläuterung.
In Fig. 6 und 7 ist ein weiters Ausführungsbeispiel dargestellt, das eine Kombination von einem Feld mit einem virtuellen Bild mit zwei seitlich angeordneten Flüssigkristall-Anzeigen LCD auf einem gemeinsamen Combiner 10 aufweist. Das Feld mit dem virtuellen Bild ist wie im dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 mit dem zwei­ ten Polarisationsfilter 9 auf der dem Beobachter 12 zugewandten Seite (Vorderseite) des Combiners 10 ausgestattet. Das zweite Pola­ risationsfilter 9 wird zweckmäßigerweise über die ganze Vorderseite des Combiners 10 gelegt. Zwischen dem zweiten Polarisationsfilter 9 und dem Combiner 10 sind seitlich neben dem Feld mit dem virtuellen Bild vorzugsweise transparente Flüssigkristall-Anzeigen LCD bei­ spielsweise für die Anzeige der Motordrehzahl und der Fahrzeugge­ schwindigkeit vorgesehen. Selbstverständlich können auch andere In­ dikatoren wie Öldruck, Uhrzeit oder Weginformationen integriert wer­ den. Die Flüssigkristall-Anzeigen LCD weisen vorzugsweise dunkle oder farbige Zeichen auf. Die notwendigen elektrischen Versorgungs­ leitungen sind an nicht störender Stelle auf den Flüssigkristall-An­ zeigen angeordnet.
Die Flüssigkristall-Anzeigen LCD sind auf der der Windschutzscheibe zugewandten Seite mit einem dritten Polarisationsfilter 14 hinter­ legt, damit die Funktion der Flüssigkristall-Anzeigen gewährleistet ist. Das zweite Polarisationsfilter 9 ist in seiner Polarisations­ richtung zum ersten Polarisationsfilter 11 vorzugsweise in etwa senkrecht ausgerichtet, um störende Lichteinstreuungen weitgehendst zu absorbieren. Auch ist vorgesehen, die Flüssigkristall-Anzeigen LCD mit einer steuerbaren Beleuchtungsrichtung 18 auszugestalten, die beispielsweise im Raum zwischen der Windschutzscheibe 24 und dem Combiner 10 angeordnet ist.
Die Funktionsweise dieser Anordnung ist wie folgt. Das Feld mit dem virtuellen Bild stellt beispielsweise Wegleitinformationen für den Fahrer dar, wie es bereits nach dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.
Zusätzlich sind hier zwei elektrisch betriebene Flüssigkristall-An­ zeigen LCD vorgesehen, die beispielsweise die Drehzahl und Geschwin­ digkeit anzeigen. Es sind jedoch auch andere Anzeigen insbesondere dann vorsehbar, wenn die Flüssigkristall-Anzeigen LCD mit einem Datenspeicher verbunden sind. Beispielsweise könnte bei geeigneter Gestaltung der Flüssigkristall-Anzeigen LCD auch Straßenkarten oder Stadtpläne zur Anzeige gebracht werden.

Claims (10)

1. Optische Einrichtung an einem Kraftfahrzeug zur Einspiegelung bildhaft dargestellter Anzeigen, die mittels Anzeigenelemente durch einen Lichtstrom in einem Schacht im Bereich der Armaturenabdeckung erzeugt und über eine Optik durch eine Austrittsöffnung des Schach­ tes in das Sichtfeld des Fahrers auf die Windschutzscheibe proji­ ziert werden, die in diesem Bereich durch Folien oder Scheiben re­ flektiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Aus­ trittsöffnung (3) im Strahlengang des Lichtstromes (6) ein erstes Polarisationsfilter (11) angebracht ist und daß ein zweites Polari­ sationsfilter (9) vorgesehen ist, das im Bereich der Innenseite der Windschutzscheibe (24) angeordnet ist und in seiner Polarisations­ richtung in etwa senkrecht zum ersten Polarisationsfilter (11) steht.
2. Optische Einrichtung an einem Kraftfahrzeug zur Einspiegelung bildhaft dargestellter Anzeigen, die mittels Anzeigenelemente durch einen Lichtstrom in einem Schacht im Bereich der Armaturenabdeckung erzeugt und über eine Optik durch eine Austrittsöffnung des Schach­ tes in das Sichtfeld des Fahrers auf die Windschutzscheibe proji­ ziert werden, die in diesem Bereich durch Folien oder Scheiben re­ flektiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrom (6) an der Trennfläche Luft/Folie bzw. Luft/Scheibe einer ersten Jalousie (8), die horizontal liegende und übereinander geschichtete Reflekto­ ren (13) aufweist und die im Bereich der Innenseite der Windschutz­ scheibe (24) angeordnet ist, zum Fahrer hin abgelenkt und bei der der verbleibende Teil des Lichtstromes (6) durch die Reflektoren (13) absorbiert wird.
3. Optische Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Jalousie (7) mit zum Lichtstrom parallelen Reflektoren (13) in der Austrittsöffnung (3) des Schachtes (2) angeordnet ist.
4. Optische Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das zweite Polarisationsfilter (9) oder die erste Jalousie (8) auf einem lichtdurchlässigen Combiner (10) vor der Windschutzscheibe (24) angeordnet ist.
5. Optische Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Windschutzscheibe (24) auf dem Combiner (10) eine weitere Anzeige angeordnet ist, die mindestens eine Flüssigkristall-Anzeige (LCD) aufweist, daß zwischen der Flüssigkristall-Anzeige (LCD) und der Windschutzscheibe (24) im Bereich der Flüssigkristall-Anzeige (LCD) ein drittes Polarisationsfilter (14) angeordnet ist, daß das zweite Polarisationsfilter (9) in der Polarisationsrichtung zum ersten Polarisationsfilter (11) in etwa senkrecht angeordnet ist und daß die Flüssigkristall-Anzeige (LCD) von einer Beleuchtungseinrich­ tung (18) beleuchtet wird, die im Raum zwischen dem Combiner (10) und der Windschutzscheibe (24) angeordnet ist.
6. Optische Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Neigungswinkel des Combiners (10) einstellbar ist.
7. Optische Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das zweite Polarisationsfilter (9) zum Strahlengang des Lichtstroms (6) vorzugsweise unter dem Brewster- Winkel angeordnet ist.
8. Optische Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das zweite Polarisationsfilter (9) oder die erste Jalousie (8) in einer Zwischenschicht der Windschutzschei­ be (24) angeordnet ist.
9. Optische Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das zweite Polarisationsfilter (9) oder die erste Jalousie (8) vorzugsweise im unteren Bereich der Wind­ schutzscheibe (24) angeordnet ist.
10. Optische Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Helligkeit des virtuellen Abbildes auf dem zweiten Polarisationsfilter (9) bzw. der ersten Jalousie (8) veränderbar ist.
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