EP0800661A1 - Vorrichtung zur darstellung eines ersten bildes in einem durch e ine durchsichtige scheibe sichtbaren zweiten bild - Google Patents

Vorrichtung zur darstellung eines ersten bildes in einem durch e ine durchsichtige scheibe sichtbaren zweiten bild

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EP0800661A1
EP0800661A1 EP96932530A EP96932530A EP0800661A1 EP 0800661 A1 EP0800661 A1 EP 0800661A1 EP 96932530 A EP96932530 A EP 96932530A EP 96932530 A EP96932530 A EP 96932530A EP 0800661 A1 EP0800661 A1 EP 0800661A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
image
light
light source
layer
laser
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP96932530A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christhard Deter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LDT Laser Display Technology GmbH
Original Assignee
LDT GmbH and Co Laser Display Technologie KG
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 LDT GmbH and Co Laser Display Technologie KG filed Critical LDT GmbH and Co Laser Display Technologie KG
Publication of EP0800661A1 publication Critical patent/EP0800661A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G—PHYSICS
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    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0118—Head-up displays characterised by optical features comprising devices for improving the contrast of the display / brillance control visibility
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0149—Head-up displays characterised by mechanical features
    • G02B2027/0154—Head-up displays characterised by mechanical features with movable elements

Definitions

  • the invention relates to a device for displaying a first image in a second image, which is visible through a transparent pane, on which light emanating from the first image is reflected and which is arranged such that the first and second images are viewed by a viewer can be grasped from the same perspective.
  • Such devices can be used for example in airplanes and cars.
  • the second image represents the e.g. environment visible through the windshield.
  • marks in the driver's field of vision can be displayed as virtual images above the windshield, with which orientation aids for starting and landing are given.
  • HUD Head-Up Displays
  • imaging optics are either completely dispensed with or conventional glass optics are used, for example according to GB 2 203 855 A, and creates a virtual image using an image generator.
  • the information that is displayed as the first image on a hidden LCD is only projected onto the windshield of a vehicle.
  • the imaging element can then be a holographic-optical element (HOE) in transmission mode (transmission HOE, T-HOE), which is integrated in the dashboard of the motor vehicle.
  • HOE holographic-optical element
  • the essential components of this solution are a light source, an image generator and the T-HOE, which performs several functions. It directs the light beam onto the windshield in the desired direction, creates an enlarged virtual image of the object a few meters away from the windshield and compensates for the errors caused by the reflection of the light on the windshield.
  • a stationary image plane is sufficient.
  • a variable distance display is useful. It can be implemented in different ways.
  • a holographic way fixed symbols can be displayed as a three-dimensional image at different distances using a so-called multihologram.
  • Such a hologram consists of a large number of individual holograms that reconstruct the same object at different distances.
  • an adjustment device is required for the targeted illumination of each individual hologram.
  • imaging with a stereoscopic beam path is more elegant, since the image generation can be changed as desired. This method has been implemented in the HUD mentioned above.
  • the stereoscopic procedure creates the spatial image impression through binocular parallax, if the left and right eye are offered the corresponding, slightly different aspect of an object.
  • the shift in space is achieved by generating two images of the object to be displayed from the corresponding visual angle of the eyes, taking into account the convergence or the object size.
  • the imaging level image level
  • the HUD therefore consists of two optical channels, each with an image generator. The information of each individual image gets into one eye. The brain then merges both partial images into one overall image.
  • suitable LCDs have a pixel size of more than 0.3 mm. With a magnification factor of 50, the driver sees the pixels with a size of 15 mm. The distance between the pixels is around 10% larger than the pixels themselves. The unwanted image of the pixel matrix is therefore still clearly visible from a distance of 10 to 15 m. With this pixel size, only relatively large jumps in distance can be represented exactly, since although the size of the symbols can be generated correctly, the jumps in distance of the symbols to be generated (cross-dispersion) is very large, particularly at large distances, because of the pixel size.
  • the T-HOEs mentioned at the outset have the property of breaking down white light into its spectral components. Imaging over a T-HOE when irradiated with white light would result in smearing of the image due to such chromatic errors. These chromatic errors can be compensated for in a wavelength range of around 100 nm by a combination of several HOEs, but if only one HOE is used, there is a requirement for a narrow-band light source with an unrealistic requirement of ⁇ ⁇ 10 nm the light source has the highest possible luminance, so that the observer can still see the display on a bright, real background; the required luminance of the light source can be determined from the luminance at the location of the observer and the efficiency of the optical system.
  • Another factor for the suitability of a light source is its size and power. Light sources that consume 100 W and more are impractical not only because of the high power, but also because of the high heat generation. Furthermore, a light source must not have a large delay time (t ⁇ 10s) between Have control phase and operating phase so that warning symbols can be displayed as directly as possible.
  • DCG dichromate gelatin
  • holographic storage medium which have also been used in aircraft for many years.
  • Another material that should also be of interest for this purpose is the photopolymer.
  • the photopolymer Of particular note here are those from Polaroid, Offenbach, (with wet development) and those from Du Pont Wilmington, USA. The latter do not require a complex wet development process with toxic chemicals.
  • the hologram is completely developed and fixed by a simple diffuse post-exposure and subsequent heat treatment. However, the photopolymers are still in the development phase, that is, not yet commercially available.
  • the combiner can also correct the distortion of the virtual photo in principle.
  • a narrow-band green phosphor serves as the light source for the display, which, in conjunction with the combiner, suppresses chromatic aberrations.
  • LCD displays or backlit display displays or cathode ray tubes do not achieve the required luminance in the driver's field of vision because the device also protects against glaring sunlight must be operable.
  • the holograms used to reflect the display element also have the very unpleasant property that they appear in the visible range and in the rainbow colors when illuminated with broadband light.
  • the object of the invention is therefore to create a generic device in which the first image has sufficient luminosity compared to the second image.
  • a simple and inexpensive construction should also be possible.
  • the invention dispenses with a holographic combiner which causes the disturbing rainbow colors and the deteriorated resolution.
  • the first and the second picture are simply combined on a pane, which can be the windshield, for example. This is inexpensive and also allows the first image to be clearly displayed.
  • the expansion of the light beam should be a maximum of 30 to 50 cm, so that the first picture is good regardless of the position of the driver's head is recognizable and on the other hand the expansion of the light beam is small enough for it to reach the driver with optimal light intensity. Good results have been achieved in practice with a beam expansion of less than ⁇ 7 °.
  • segments for emitting the light bundle with little expansion or for reflecting or transmitting the light from the at least one light source are provided, which can be controlled with regard to emission, transmission or reflection in order to form the first image.
  • the information for producing the first image is impressed on the light beam or beams with little expansion.
  • the segments can preferably be designed as laser diodes. These generate the light bundle, which is essentially parallel according to the invention, with a correspondingly high intensity so that the projected first image stands out sufficiently well from the second image.
  • Another likewise preferred possibility of impressing the information of the first image on the parallel light of the light source by means of reflection or transmission similarly permits a high intensity of the first image in comparison to the second image, wherein the controllability of the segments also enables different image contents can be represented.
  • the segments could, for example, be designed as seven-segment displays for the display of numerical information. According to a preferred development of the invention, however, it is particularly advantageous if the segments are arranged in the form of a matrix. This enables much greater information densities to be exploited, which can be used, for example, to display graphics in the first image.
  • the transmission can be used particularly well if the matrix is an LCD matrix.
  • one or more mirrors are provided which reflect the light bundle generated by the at least one light source for shaping the image.
  • the light beam generated by the at least one light source can be directed completely onto the pane, with light losses, e.g. due to polarization in the LCD matrix. The light intensity is thus also increased in a simple manner.
  • the cost of mirrors can be kept particularly low if two mirrors are provided with which the light beam can be deflected in two directions.
  • the effort for image generation is greatly reduced, for example compared to a pixel matrix made of mirrors. Furthermore, the light intensity of the entire light bundle is available at full intensity because the first image is generated by deflecting it.
  • the mirrors can be changed independently of one another by a deflection device with which the first image can be represented as a vector graphic.
  • a deflection device with which the first image can be represented as a vector graphic.
  • the points are scanned which should be detectable as illuminated points. Dark duty cycles are reduced to a minimum, so that practically the full light intensity of the primary light source is used to display the first image.
  • a deflection device with which the light beam emanating from the at least one light source can be scanned in two directions, and a controller, with which the intensity of the light beam can be controlled, are provided.
  • the image is used via a uniform grid, as is known, for example, from the display of television pictures. This enables particularly beautiful images to be displayed, which increases driving comfort and also leads to greater driving safety.
  • the deflection can be carried out, for example, with the aid of acousto-optical modulators.
  • the advantages of the above development of the invention can be exploited by deflecting the light beam via two mirrors.
  • one of the mirrors is a polygon mirror rotating at a uniform rotational speed, as a result of which very rapid deflections can be achieved and flickering of the image is avoided.
  • due to the inertia of the rotating mirror there are only slight synchronous inaccuracies, which brings about significant advantages especially when operating in a motor vehicle, in which the device is also exposed to shocks and vibrations.
  • the at least one light source is an LED with parallelizing and collimating optics.
  • an LED can be regarded as essentially spot-shaped, so that the expansion requirements can be met in a simple manner with the aid of such optics, without a loss of light due to collimation significantly reducing the intensity.
  • the laser is a laser diode or contains it as a pump source.
  • Laser diodes already generate a high light output at voltages that is significantly lower than the voltage of a car battery. So you do not need complex electronics, such as a high voltage supply when using a gas laser. ⁇ ⁇ ",. "" - PCT / EP96 / 04041 O 97/16757
  • high intensities can be achieved if the laser is a diode-pumped solid-state laser.
  • devices for frequency conversion are also provided for the diode-pumped solid-state laser. With the devices for frequency conversion, a wavelength can always be selected in this way, for example in the green area, where eye sensitivity is very high, or in the red area, which is always perceived by humans as a warning, without being significantly restricted to the selection of diode-pumped solid-state lasers with regard to high intensity . Because of these features, particularly high light intensities can be achieved with little effort for the primary light source.
  • the light emanating from the first image is polarized.
  • at least one polarization filter can be provided or a laser emitting a polarizing light can be used.
  • the advantages of using polarized light are particularly clear from DE 38 22 222 A1, which has already been described above.
  • the light source itself is polarized, so that due to an additional polarization, to reduce reflections or to attenuate the light of the second image for the first image, with appropriate adjustment of the polarization direction, no light losses occur.
  • the advantage of using polarized light is particularly noticeable in a further development of the invention in which the light source is arranged in such a way that the light emitted by the first image falls on the pane at approximately the Brewster angle. At the Brewster angle, the polarized light is completely reflected, so that the full intensity of the essentially parallel light beam is available to the vehicle driver for observing the first image.
  • the light intensity is therefore optimal without the need to provide additional polarizers, for example on the reflecting disk.
  • the pane is provided with a layer on which the first image can be completely reflected, since the entire intensity, which is from first image is sent out, is available at the location of the vehicle driver for capturing the first image.
  • the layer is or contains a dielectric layer and which completely reflects the first image.
  • Dielectric layers for full reflection are known from the prior art, for example for coating lenses.
  • the layer thicknesses are dimensioned on the basis of the optical parameters of the layer material so that maximum reflection occurs.
  • it is particularly interesting that at a single wavelength of the first light as is the case, for example, when using a laser, only a single dielectric layer must be provided, the layer thickness of which is designed so that the angle to the incident light transmitted rays are extinguished by interference.
  • the advantage of reflective layers can also be realized particularly easily if the light emanating from the first image is polarized and, according to an advantageous development of the invention, the layer on the pane is a polarizing layer or contains a polarizing partial layer.
  • the layer is applied to the side of the pane facing away from the second image.
  • This advantageously avoids double images due to different reflection on the front and back of the pane, as would occur if the layer were attached on the side facing away from the first image.
  • This results in a particularly clear image representation, so that the light intensity of the first image is also optimized for the viewer due to this development.
  • the clearer image also reduces the burden on the driver, so that traffic safety is increased due to less fatigue.
  • the layer is a composite of several individual layers. If several individual layers are provided, the reflection behavior can be designed for a broad wavelength spectrum of the light source. At the Compound, for example in the laminated glass of a windshield, results in a particularly low outlay in terms of production technology.
  • the layer is designed such that it allows light from the second image to pass through unhindered. This does not affect the visibility of the surroundings for the driver. This is particularly advantageous for night driving, where safety is impaired anyway due to poor lighting conditions. For this reason, the additional layer should not dampen the light from the surroundings.
  • the windshield itself can be the windshield itself, for example. However, their bend is generally curved due to design decisions and the lowest possible air propulsion losses when driving, so that the first image generally has to be corrected for the distortions caused by this curvature. These distortions can be counteracted, for example, by suitably displaying the first image.
  • a special pane is provided which is arranged in a vehicle between a windshield and the position of a vehicle driver. This allows the shape of the disk to be suitably dimensioned to represent the first image.
  • a flat disk is advantageous in terms of expenditure, since no special production is required for it.
  • the arrangement between the windshield and the driver's place is particularly advantageous because possible undesired reflections or light losses on the windshield are avoided.
  • the window is also located inside the vehicle. This has the further advantage that weather conditions have no influence on the view. A condensation of fog or adhering drops in the rain, on the other hand, could severely impair the visibility of the first image when the pane is arranged outside the vehicle.
  • the light source emits
  • Light bundle of three different wavelengths This also allows colored images to be displayed in the first image, which can increase the information content, but it does also allowed to make the information shown in the first picture aesthetically particularly pleasant. This increases driving comfort and contributes to safety when driving due to the lower nervous strain due to the additional information. Furthermore, the colored representation enables, for example, the display of warning signals in red and static information, for example in the driver, to show a pleasant green. According to this further development, it is also possible to display switched-on high beam, for which a blue light is prescribed in Germany, without any problems within the first image.
  • an imaging optical system is provided between the pane and the first image.
  • virtual images can be displayed at a great distance, which is particularly advantageous for the adaptability of the driver's eye.
  • a virtual image at a great distance can be achieved particularly advantageously if the first image is imaged within the focal length of the optical system on the object side.
  • Fig. 1 shows an embodiment of the invention to explain essential
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of an exemplary embodiment in which the first image is represented by a matrix on a diffusing screen
  • FIG. 3 shows a schematic illustration for a colored first image
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment with an LED array and a polarization filter
  • FIG. 6 shows a basic arrangement for a matrix for displaying a colored first image
  • 7 shows a schematic illustration for image generation with two movable mirrors arranged one after the other for a further exemplary embodiment of the invention
  • Fig. 8 is a windshield with internal reflection layers.
  • the device shown in FIG. 1 has a control device 1 which generates the data required for the symbol display.
  • An output of the control device 1 is connected to the input of a control electronics 2, with which a light source 3 is controlled to generate an essentially parallel light beam 4.
  • the light source was a diode-pumped solid-state laser with frequency conversion in order to generate light with a wavelength at the maximum of eye sensitivity.
  • the essentially parallel light beam 4 is incident on a mirror 5, from which it is reflected in the direction of a lens 6.
  • the mirror 5 can be pivoted about two axes to deflect the light beam.
  • the corresponding angles of rotation are designated in FIG. 1 by ⁇ and ⁇ .
  • the pivoting movements taking place by the angles ⁇ and ⁇ are also controlled by the control device 1.
  • the control device 1 can be used to generate images on the lens 6 in different ways. If the control device 1 is designed such that the mirror 5 rasterizes the light beam evenly over the lens 6 and the intensity of the light beam 4 is controlled via the control electronics 2, images can be displayed in a rastering manner, for example from television technology with electron beams on the screen a television tube is known.
  • the intensity of the light beam 4 was kept constant, while a structure was projected onto the lens 6 with the aid of movements of the mirror 5.
  • the intensity of the light beam is only blanked out when changing from one structure to another.
  • the structures are depicted in the form of a vector graphic on the lens 6.
  • an optical system 8 is provided with a focal point 7 on the object, within the focal length of which the lens 6 lies.
  • the light emerging from the optical system 8 then falls on a reflection layer 9, so that the image generated is virtually visible at a position 10.
  • the reflection layer 9 is arranged on the inside of the windshield 11 of a motor vehicle.
  • An observer whose eye 12 is shown schematically, then sees a virtual image 10 behind the windshield in addition to the area lying in the viewing area. Since the reflection layer 9 is designed such that it essentially only reflects at wavelengths of the light source 3, the observer at position 12 can also see the surroundings unhindered and the virtual image at position 10 is inserted into this view.
  • the area in which the virtual image is clearly visible at the position 10 is essentially given by the scattering properties of the lens 6.
  • the scattering of the primary light beam 4 this is designed such that the image at position 10 can only be detected optically in the area which lies within typical driver head movements. It has been found to be advisable that the widening of the essentially parallel light bundle should be at most in a range of 30 to 50 cm due to the diffusing screen 6 and the subsequent optics 8. This means that practically the entire light beam 4 is directed at the driver with full intensity. Loss of light due to a too wide angular range is reduced to a minimum. Good results have been achieved in practice with an expansion of the light beam of less than or equal to ⁇ 7 °.
  • the diffusing screen 6 can also be designed for even smaller angle divisions in the light beam, but it is then advisable to make the device positionally adjustable or the tilting direction of the mirror 5 via the control device 1 to apply an adjustable DC voltage so that the
  • Driver at position 12 can bring the virtual image 10 into the optimal head area, so that the virtual image is always visible with optimal intensity with different driver sizes and seating positions. From the sizes given for the expansion, it can also be seen directly that the parallelism of the light beam 4 is not very critical. Therefore, a light-emitting diode of high intensity can also be used as the light source 3 instead of a laser. Since the light in such components essentially arises at the barrier layer, it can essentially be regarded as a point light source, the output light bundle of which can be suitably parallelized with the aid of a lens, a concave mirror and / or collimators.
  • the selection of a laser for the light source 3 also has advantages with regard to the reflection on the windshield 11.
  • a linearly polarized light bundle 4 was generated with the aforementioned laser.
  • the reflective layer 9 was designed as a polarizer, the linear polarization direction of which was selected such that all of the light generated by the lens 6 was reflected in the area of the driver's head.
  • the polarization properties of the reflective layer 9 have the advantage that reflections on the windshield are switched off, so that the virtual image is more clearly visible.
  • the device can also be arranged in such a way that the light beams emanating from the optical system strike the windshield 11 at approximately a Brewster angle. As is known, the reflection of a polarized light beam is then at a maximum with a suitable direction of polarization. This means that no coating of the windshield is required.
  • the windshield 11 is drawn as a flat surface.
  • the image 6 is displayed undistorted at position 10.
  • windshields are curved.
  • the resulting distortion can be compensated for by the control device 1 by the image on the lens 6 being so distorted that the distortion is canceled out by the reflection in the windshield 11.
  • the resolution in different image areas of the virtual image at position 10 can be different.
  • a flat pane can be arranged between the windshield 11 and the driver, with which the same advantageous imaging properties result as in the flat windshield 11 shown schematically.
  • the reflective layer 9 should, however, be arranged on the driver's side, so that multiple reflections in the window itself do not produce any further virtual images that could be perceived as extremely disruptive.
  • Reflective layers can be formed as thin layers, so-called dielectric mirrors, as are also known from other applications in optics. In the case of a multiplicity of wavelengths which are to be reflected by the layers, it is expedient to apply a composite of a plurality of individual layers which are matched to the wavelength or wavelengths of the light source 3.
  • FIG. 2 shows a similar embodiment to that shown in FIG. 1.
  • the image representation on the lens 6 is different from this.
  • the image is generated as a rasterized matrix, as has already been described above.
  • a further exemplary embodiment can, however, be explained with reference to FIG. 2.
  • the light beam 4 is widened accordingly, for example if the light source 3 is an LED with parallelizing optics, an LCD matrix can also be provided instead of the lens 6.
  • the LCD matrix whose image is known to be based on different polarization directions when a voltage is applied to different segments in the matrix, allows practically all of the light to pass through at points with the same polarization as that of the light beam 4 become.
  • FIG. 3 shows an example similar to that in FIG. 1.
  • the light source 3 is replaced by a light source 13.
  • the light source 13 there are three lasers with the colors red, green and blue.
  • the light beams emanating from the lasers are combined into a single parallel beam 15 by a beam combiner 14.
  • the image is generated in the same way as has already been described in the exemplary embodiments of FIGS. 1 and 2.
  • dichroic mirrors can be used 7/16757 PCI7EP96 / 04041
  • a single light beam 4 or 14 and the deflecting mirror 5 are dispensed with.
  • a laser diode matrix 18 is arranged between the optical system 8 and the associated focal point 7, as shown in FIG. 4. The image is generated by electrical activation of the individual laser diodes at the corresponding pixels in the matrix.
  • control electronics 17 are integrated together with the integrated matrix arrangement in the same component, with which the individual laser diodes in the matrix can be controlled with regard to light intensity.
  • an LED matrix 15 with integrated control electronics 16 is provided here.
  • the LED matrix was selected such that the expansion required for maximum light intensity by the individual LEDs of the matrix was given due to the structure.
  • LEDs can also be used if a film is placed over such an LED matrix 15, on which small elevations which match the LEDs are designed as lenses and are dimensioned such that the expansion of the outgoing light bundles together with a change in beam profile due to the optics 8 is small enough so that the essential portion of the light is within the range that is accessible by the driver's head movements.
  • a polarization filter 19 is arranged in the light path of the light bundles emitted by the LEDs. 5, this polarization filter 19 is inserted between the optical system 8 and the LED matrix 15.
  • the LED matrix 15 and the laser diode matrix 18 can in principle be referred to as a light source matrix.
  • the embodiment of FIG. 6 shows how such a light source matrix must be designed so that colored images are also possible.
  • the light source matrix 20, which is integrated together with a control electronics 21, consists of different laser diodes or LEDs different wavelengths, which are denoted by R, G, B, corresponding to the designations R, G, B for red, green and blue image points in color television.
  • the LEDs are shown in Fig. 6 according to their wavelengths with different shading. 6 shows a possible arrangement of the various laser diodes or LEDs, with which colored images can be displayed.
  • two independent mirrors 23 and 22 can also be provided.
  • Such an embodiment is shown in FIG. 7.
  • a polygon mirror can also be used instead of one of the mirrors 22 or 23 for rastering lines. Because of their inertia, polygon mirrors generally guarantee a very even raster.
  • the reflective layer 9 is not applied to the windshield 11 itself, but is integrated into it. Since the above-mentioned reflective layers are primarily very thin layers, such an installation in a laminated glass designed as a windshield provides 1 1 protection for the thin layer 24 shown in FIG. 8. Here, too, the layer 24 can be used as a thin layer total reflection of the light beam 3 can be executed. Furthermore, layers reflecting polarization-dependent can also be used.
  • An essential element is that with the help of an essentially parallel light beam in the driver's field of vision maximum light intensity is generated due to the slight expansion of the light beam.

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Darstellung eines ersten Bildes (6; 15; 18; 20) in einem zweiten Bild, das durch eine durchsichtige Scheibe (11) sichtbar ist, an der vom ersten Bild (6; 15; 18; 20) ausgehendes Licht (4, 15) reflektiert wird und die so angeordnet ist, daß das erste und das zweite Bild von einem Betrachter unter gleichem Blickwinkel erfaßbar sind, ist mindestens eine Lichtquelle (3; 13; 15; 18; 20) für im wesentlichen paralleles Licht vorgesehen, mit der das vom ersten Bild (6; 15; 18; 20) ausgehende Licht als Lichtbündel mit geringer Aufweitung erzeugbar ist.

Description

Vorrichtung zur Darstelluno eines ersten Bildes in einem durch eine durchsichtige
Scheibe sichtbaren zweiten Bild
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Darstellung eines ersten Bildes in einem zweiten Bild, das durch eine durchsichtige Scheibe sichtbar ist, an der vom ersten Bild ausgehendes Licht reflektiert wird und die so angeordnet ist, daß das erste und das zweite Bild von einem Betrachter unter gleichem Blickwinkel erfaßbar sind.
Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise in Flugzeugen und Autos einsetzbar. Dabei repräsentiert das zweite Bild die z.B. durch die Windschutzscheibe sichtbare Umgebung. Als erstes Bild können, beispielsweise für den Flugbetrieb, Marken in den Sichtbereich des Fahrzeugführers über die Windschutzscheibe als virtuelle Bilder dargestellt werden, mit denen Orientierungshilfsmittel zum Starten und Landen gegeben werden. Auch für andere Fahrzeuge, wie Autos, ergeben sich bei Einsatz derartiger Vorrichtungen wesentliche Vorteile. So kann man mit Hilfe des ersten Bildes z.B. eine Marke für den Sicherheitsabstand sichtbar machen, mit welcher der Fahrzeugführer abschätzen kann, ob er einem vor ihm fahrenden Fahrzeug zu nahe kommt. Dabei ist es möglich, die scheinbare Entfernung dieser Marke mit der Geschwindigkeit zu koppeln, so daß der Fahrzeugführer jeweils kontrollieren kann, ob er zum vorausfahrenden Fahrzeug einen ausreichenden Sicherheitsabstand einhält.
Weiter kann man auch wesentliche Informationen der Anzeigeninstrumente in den
Sichtbereich des Fahrers einblenden, so daß er das Fahrzeug wesentlich besser unter Kontrolle behält, als wenn er ständig den Blick zwischen Umgebung und Armaturenbrett hin- und herwenden muß, wodurch die Betriebs- und Fahrsicherheit wesentlich gesteigert wird.
Es gibt eine Vielzahl von Systemvorschlägen für derartige Vorrichtungen, die auch unter dem Namen "Head-Up Displays" (HUD) bekannt sind. Bei diesen hat es sich als wichtig herausgestellt, daß, um Ermüdungserscheinungen zu verringern, die Information des ersten Bildes als virtuelles Bild akkomodationsfrei bei auf Fernsicht eingestelltem Auge abgebildet wird. Zur Abbildung als virtuelles Bild in großer Entfernung wird das Objekt, welches das erste Bild darstellt und das beispielsweise ein Liquid Christal Display (LCD) sein kann, zwischen den Brennpunkt und den ersten Linsenscheitel eines Abbildungssystems gebracht.
In den vergangenen zwanzig Jahren wurden weltweit eine Vielzahl von Schutzrechteπ auf HUDs für Kraftfahrzeuge getätigt. In Europa befinden sich diese Systeme allerdings noch im Eπtwicklungs- bzw. Erprobungsstadium. Dabei sind im wesentlichen Systeme mit holografischer Optik und solche ohne holografische Optik zu unterscheiden. Einen Überblick über ersteren kann man z.B. in dem Artikel von Woodcock und Kirkham, "Holographie Applications in Avioπic HUDs", Military Technology Miltech (1985), S. 6, finden.
In Systemen ohne holografischer Darstellung, wie sie beispielsweise aus der EP-A-0 202 460 oder der US 4 740 780 bekannt sind, wird entweder ganz auf eine Abbildungsoptik verzichtet oder es wird mit konventioneller Glasoptik, beispielsweise gemäß der GB 2 203 855 A, und mit Hilfe eines Bildgenerators ein virtuelles Bild erzeugt. In den einfachsten Systemen wird die Information, die als erstes Bild auf einem verdeckten LCD dargestellt wird, lediglich auf die Windschutzscheibe eines Fahrzeugs projiziert. Bei diesen HUDs ergibt sich zwar der Vorteil, daß der Fahrer seine Blickrichtung nicht verändern muß, um die angezeigte Information zu erkennen, er muß jedoch zum Ablesen seine Augen auf die kurze Distanz zur Windschutzscheibe einstellen. Die wechselnde Akkomodation der Augen auf Fernsicht zum Erfassen des Umfeldes und auf die Windschutzscheibe führt insbesondere bei älteren Fahrern zu Ermüdungserscheinungen und damit zu Reaktions Verlusten.
Bei Systemen mit virtueller Bilddarstellung einige Meter vor der Windschutzscheibe kann das entspannte Auge jederzeit die Information ablesen; unnötige Ermüdungserscheinungen werden so vermieden. Jedoch treten durch die Reflexion des Lichtes an der asphärisch gekrümmten Windschutzscheibe insbesondere bei virtueller Bilddarstellung Abbildungsfehler auf, die durch speziell berechnete Optiken korrigiert werden müssen. Wie aus der DE 26 33 067 C2 zu entnehmen ist, ist die Herstellung und Berechnung dieser Kompensationsoptik sehr aufwendig und im Hinblick auf Fertigungstoleranzen schwierig herzustellen. Wegen des großen Raumbedarfs von konventionellen optischen Systemen treten zudem Integrationsprobleme auf.
Insbesondere sind für einen Einsatz von HUDs in Fahrzeugen die folgenden Fragen zu klären:
Wie hoch ist der Raumbedarf für ein System bzw. ist dieses in ein Fahrzeug integrierbar?
Kann vom Fahrzeug genügend Leistung für Lichtquelle und Bildgenerator zur Verfügung gestellt werden?
Wie hoch sind die Herstellungskosten?
Diese Fragen müssen bereits bei der Konzeption berücksichtigt werden. Nachfolgend werdeη zwei HUDs beschrieben, die von ihrer Konzeption her sehr unterschiedlich sind:
Im ersten System, das von der Holtronic GmbH Ottersberg in Zusammenarbeit mit BMW, München, entwickelt wurde, wird auf einen sogenannten separaten Combiner in der Windschutzscheibe zur Kombination des ersten und des zweiten Bildes verzichtet, um die Freisicht zur Außenwelt nicht zu beeinträchtigen. Dieses System ist z.B. in der DE 37 12 663 A1 beschrieben. Danach kann das abbildende Element ein holografisch-optisches Element (HOE) im Transmissionsbetrieb (Transmissions-HOE, T-HOE) sein, das in die Armaturentafel des Kraftfahrzeugs integriert ist.
Die bei dieser Lösung wesentlichen Bauteile sind eine Lichtquelle, ein Bildgenerator und das T-HOE, das mehrere Funktionen übernimmt. Es lenkt den Lichtstrahl in der gewünschten Richtung auf die Windschutzscheibe, erzeugt ein vergrößertes virtuelles Bild des Objektes in einigen Metern Entfernung vor der Windschutzscheibe und kompensiert die Fehler, die durch die Reflexion des Lichts an der Windschutzscheibe entstehen. Dabei gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, um die Information optisch anzubieten. Bei der virtuellen Darstellung von Instrumenten oder Symbolen, die zum Beispiel einen Defekt in der Elektronik anzeigen sollen, ist eine ortsfeste Abbilduπgsebene ausreichend. Bei anderen Informationsdarstellungeπ, beispielsweise die Darstellung eines ortsabhängigen Objektes, wie die Anzeige des oben genannten Sicherheitsabstands, ist eine variable Entfernungsdarstellung sinnvoll. Sie kann auf verschiedene Arten realisiert werden.
Auf holografischem Wege lassen sich feste Symbole durch ein sogenanntes Multihologramm in unterschiedlicher Entfernung als dreidimensionales Bild darstellen. Ein solches Hologramm besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Hologrammen, die dasselbe Objekt in unterschiedlicher Entfernung rekonstruieren. Zur gezielten Beleuchtung jedes einzelnen Hologramms ist jedoch eine Versteileinrichtung erforderlich. Eleganter ist dagegen die Abbildung mit einem stereoskopischeπ Strahlengang, da hierbei die Bildgenerierung beliebiger geändert werden kann. Diese Methode ist bei dem oben gennanten HUD realisiert worden.
Der räumliche Bildeindruck entsteht bei dem stereoskopischen Verfahren durch die binokulare Parallaxe, wenn dem linken und dem rechten Auge der jeweils zugehörige, leicht unterschiedliche Aspekt eines Objekts angeboten wird. Die Verschiebung im Raum wird durch die Generierung zweier Bilder des darzustellenden Gegenstands aus dem entsprechenden Sehwinkel der Augen unter Berücksichtigung der Konvergenz bzw. der Objektgröße erreicht. Die Abbildungsebene (Bildebene) bleibt dabei ortsfest. Das HUD besteht also aus zwei optischen Kanälen mit jeweils einem Bildgenerator. Die Information jedes einzelnen Bildes gelangt in je ein Auge. Das Gehirn läßt dann beide Teilbilder zu einem Gesamtbild zusammenschmelzen.
Prinzipiell sind wegen der Möglichkeit, Informationen variabel darzustellen, Displays erwünscht, mit denen sich die im ersten Bild dargestellten Symbole elektronisch erzeugen lassen. Hierfür eignen sich Bildröhren und LCDs. Bildröhren sind jedoch wegen des hohen Preises und der Spannungsversorgungseinheit zur Erzeugung von Hochspannung für den Kraftfahrzeugbereich nicht praktikabel. LCDs hingegen besitzen eine kompakte Bauweise, sind relativ problemlos anzusteuern und ihre Spannungsversorgung ist ebenfalls unproblematisch. Nachteilig wirken sich die nicht ausreichende Leuchtdichte, der geringe Kontrast, der von der Wellenlänge und von der Polarisation des eingestreuten Lichts abhängig ist, die Temperaturempfindlichkeit und das geringe Auflösungsvermögen aus.
Letzteres stelle ein Hauptproblem für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug dar. Gegenwärtig besitzen geeignete LCDs eine Pixelgröße von mehr als 0, 3 mm. Bei einem Vergrößerungsfaktor von 50 sieht der Fahrer die Pixel mit einer Größe von 15 mm. Der Abstand der Pixel ist rund 10% größer als die Pixel selbst. Das unerwünschte Bild der Pixelmatrix ist daher aus einer Entfernung von 10 bis 15 m noch gut sichtbar. Mit dieser Pixelgröße lassen sich nur relativ große Entferπungssprüπge exakt darstellen, da zwar die Größe der Symbole richtig generiert werden kann, die Abstandssprünge der zu generierenden Symbole (Querdisparation) wegen der Pixelgröße insbesondere bei großen Entfernungen sehr groß ist. Man muß den Kompromiß eingehen, daß das Bild bei jeder scheinbaren Bildentfernung zwar die richtige Größe besitzt, die Querdisparation wegen der geringen Auflösung aber nur für bestimmte Entfernungen richtig eingestellt werden kann. Bezüglich des Einsatzes von LCDs für dieses System im Kraftfahrzeugbereich läßt sich zusammenfassend sagen, daß sowohl das Auflösungsvermögen als auch der Kontrast sowie die Temperaturstabilität verbessert werden müßten.
Die eingangs genannten T-HOEs haben die Eigenschaft, weißes Licht in seine Spektralanteile zu zerlegen. Die Abbildung über ein T-HOE bei Einstrahlung mit weißem Licht würde zu einer Verschmierung des Bildes aufgrund derartiger chromatischen Fehler führen. Diese chromatischen Fehler lassen sich zwar in einem Wellenlängenbereich von rund 100 nm durch eine Kombination mehrerer HOEs kompensieren, setzt man jedoch nur ein HOE ein, so ergibt sich die Forderung nach einer schmalbandigen Lichtquelle mit einer unrealistischen Forderung von Δλ < 10 nm. Darüber hinaus müßte die Lichtquelle eine möglichst hohe Leuchtdichte besitzen, so daß der Beobachter bei hellem realen Hintergrund noch das Display erkennen kann; die erforderliche Leuchtdichte der Lichtquelle läßt sich aus der Leuchtdichte am Ort des Beobachters und dem Wirkungsgrad des optischen Systems bestimmen.
Ein weiterer Faktor für die Eignung einer Lichtquelle ist ihre Größe und Aufnahmeleistung. Lichtquellen, die 100 W und mehr verbrauchen, sind nicht nur wegen der hohen Leistung, sondern auch wegen der hohen Wärmeerzeugung unpraktikabel. Des weiteren darf eine Lichtquelle keine große Verzögerungszeit (t < 10s) zwischen Ansteuerphase und Betriebsphase aufweisen, damit Warnsymbole möglichst direkt angezeigt werden können.
In dem Artikel von W. Windeln und M.A. Beeck "Windschutzscheibe mit holografischem Spiegel für Head-Up Displays", Automobiltechnische Zeitschrift 91 (1989), S. 538-342, ist ein anderes System angegeben, das von der Volkswagen AG, Wolfsburg, in Zusammenarbeit mit der Vereinigten Glaswerke GmbH, Aachen, entwickelt wurde. In diesem System wird ein in die Windschutzscheibe integrierter holografischer Combiner eingesetzt. Auf einem LCD wird die gewünschte Information erzeugt, die mit Hilfe einer Abbildungslinse bei fester Darstellungsebene erscheint. Durch den Einsatz des Combiners wird ein hoher Wirkungsgrad des Gesamtsystems erreicht. Wie anfangs beschrieben, lassen sich die Anforderungen an einen Combiner (hohe Transmission, hoher Wirkungs¬ und Reflexionsgrad, geringe spektrale Bandbreite und gute Abbildungsqualität) nur durch einen holografischen Combiner erfüllen. Als holografisches Speichermedium eignen sich derzeit nur die Dichromat-Gelatine (DCG) Schichten, die auch in Flugzeugen langjährig Verwendung finden. Ein anderes Material, das für diesen Zweck ebenfalls interessant sein dürfte, sind die Photopolymere. Hier sind besonders die von Polaroid, Offenbach, (mit Naßentwicklung) und die von Du Pont Wilmington, USA, erwähnenswert. Letztere benötigen keinen aufwendigen Naßentwicklungsprozeß mit giftigen Chemikalien. Durch eine einfache diffuse Nachbelichtung und anschließende Wärmebehandlung ist das Hologramm fertig entwickelt und fixiert. Die Photopolymere sind allerdings noch in der Entwicklungsphase, das heißt, noch nicht im Handel erhältlich.
Ein Großteil der Entwicklungsanstreπgungen konzentrierte sich auf die industrielle Herstellung des Combiners und dessen Integration in die Windschutzscheibe.
Das Verzerren des virtuellen Lichtbilds läßt sich prinzipiell ebenfalls durch den Combiner korrigieren. Als Lichtquelle für das Display dient ein schmalbandiger grüner Phosphor, durch den in Verbindung mit dem Combiner die chromatischen Abbildungsfehler unterdrückt werden.
Den vorstehend aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen haftet folgender grundlegender Mangel an: Durch LCD-Anzeigen bzw. hinterleuchtete Anzeigendisplaγs oder auch Kathodenstrahlröhren wird die erforderliche Leuchtdichte im Gesichtsfeld des Fahrzeugführers nicht erreicht, weil die Vorrichtung auch gegen grelles Sonnenlicht betreibbar sein muß. Insbesondere die zur Spiegelung des Aπzeigeelements eingesetzten Hologramme besitzen weiter die sehr unangenehme Eigenschaft, daß sie bei Beleuchtung mit breitbandigem Licht im sichtbaren Bereich und in den Regenbogenfarben erscheinen.
Zur Erhöhung der Lichtintensität wird in der DE 38 22 222 A1 vorgeschlagen, Polarisationsfilter an der Innenseite der Windschutzscheibe anzubringen und das erste Bild direkt über eine Optik als virtuelles Bild an der Windschutzscheibe zu reflektieren. Damit kann zum Beispiel grelles Sonnenlicht gedämpft werden, so daß das erste Bild besser sichtbar ist. Weiter haben diese Polarisationsfilter den Vorteil, daß Doppelbilder und störende Reflexion auf der Windschutzscheibe vermieden oder zumindest vermindert werden. Die Praxis hat jedoch gezeigt, daß auch diese Lösung keine genügend hohe Lichtintensität für das erste Bild bei gleichzeitiger Sichtbarkeit des taghellen zweiten Bildes zur Verfügung stellt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Vorrichtung zu schaffen, bei der das erste Bild gegenüber dem zweiten Bild genügend Leuchtkraft besitzt. Dabei soll insbesondere auch noch ein einfacher und kostengünstiger Aufbau möglich sein.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß mindestens eine Lichtquelle für im wesentlichen paralleles Licht vorgesehen ist, mit der das vom ersten Bild ausgehende Licht mit geringer Aufweitung erzeugbar ist.
Bei der Erfindung wird auf einen holografischen Combiner verzichtet, der die störenden Regenbogenfarben und die verschlechterte Auflösung verursacht. Das erste und das zweite Bild werden einfach auf einer Scheibe, die zum Beispiel die Windschutzscheibe sein kann, kombiniert. Dies ist wenig aufwendig und gestattet auch eine klare Darstellung des ersten Bildes.
Damit ergibt sich eine ähnliche Anordnung, wie sie aus der DE 38 22 222 A1 bekannt ist. Sie unterscheidet sich aber von dieser im wesentlichen durch die Lichtquelle mit im wesentlichen parallelen Licht, die garantiert, daß die gesamte erzeugte Lichtleistung über die Scheibe zum Fahrer reflektiert werden kann. Eine Polarisationseiπrichtung ist dabei nicht mehr unbedingt erforderlich. Aufgrund der erfindungsgemäß geringen Aufweitung des vom ersten Bild ausgehenden Lichts ist das Lichtbündel auch nur vom Fahrer innerhalb eines Bereiches, in dem er seinen Kopf bewegen kann, erfaßbar; störende Lichtreflexe und Lichterscheinungen für andere Verkehrsteilnehmer oder Beifahrer entfallen damit.
Aus dieser Betrachtung wird deutlich, daß die Aufweitung des Lichtbündels, eventuell nach Transmission einer oder mehrerer optischer Systeme im Bereich des Fahrers, maximal im Bereich von 30 bis 50 cm liegen sollte, damit einmal das erste Bild unabhängig von der Position des Kopfes des Fahrers gut erkennbar ist und andererseits die Auf weitung des Lichtbündels gering genug ist, damit es den Fahrer mit optimaler Lichtintensität erreicht. Mit einer Strahlauf weitung von kleiner als ± 7° wurden in der Praxis gute Ergebnisse erzielt.
Bei einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung sind Segmente zur Emission des Lichtbündels geringer Aufweitung oder zur Reflexion oder Transmission des Lichts von der mindestens einen Lichtquelle vorgesehen, die zur Formierung des ersten Bildes bezüglich Emission, Transmission bzw. Reflexion ansteuerbar sind.
Mit Hilfe solcher Segmente wird die Information zur Erzeugung des ersten Bildes auf das oder die Lichtbündel geringer Aufweitung aufgeprägt. Hierfür sind mehrere Möglichkeiten beschreitbar: zunächst sei die vorteilhafte Möglichkeit genannt, daß die Segmente selbst das Lichtbündel emittieren. Dazu kann man vorzugsweise die Segmente als Laserdioden ausbilden. Diese erzeugen das erfindungsgemäß im wesentlichen parallele LichtbUndel mit einer entsprechend großen Intensität, damit sich das projizierte erste Bild genügend gut von dem zweiten Bild abhebt. Eine andere ebenfalls bevorzugte Möglichkeit, zur Formung dem parallelen Licht der Lichtquelle mittels Reflexion oder Transmission die Information des ersten Bildes aufzuprägen, gestattet in ähnlicher Weise eine große Intensität des ersten Bildes im Vergleich zum zweiten Bild, wobei durch die Ansteuerbarkeit der Segmente auch noch verschiedene Bildinhalte darstellbar sind.
Die Segmente könnte man beispielsweise für die Darstellung numerischer Information als Siebensegmentanzeigen ausbilden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, wenn die Segmente in Form einer Matrix angeordnet sind. Dadurch lassen sich wesentlich größere Informationsdichten ausnutzen, die beispielsweise dazu verwendet werden können, im ersten Bild auch Grafiken darzustellen.
Besonders gut läßt sich die Transmission bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung dann ausnutzen, wenn die Matrix eine LCD-Matrix ist.
Ähnliche Vorteile wie bei der Transmission lassen sich auch dann erreichen, wenn ein oder mehrere Spiegel vorgesehen sind, die das von der mindestens einen Lichtquelle erzeugte Lichtbündel zur Formung des Bildes reflektieren. Insbesondere ist es dabei vorteilhaft, wenn mit Hilfe der Reflexion das von der mindestens einen Lichtquelle erzeugte Lichtbündel vollständig auf die Scheibe gerichtet werden kann, wobei Lichtverluste, z.B. aufgrund einer Polarisation in der LCD-Matrix, vermieden werden. Die Lichtintensität ist somit ebenfalls auf einfache Weise erhöht.
Der Aufwand an Spiegeln läßt sich gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besonders gering halten, wenn zwei Spiegel vorgesehen sind, mit denen das Lichtbündel in zwei Richtungen ablenkbar ist.
Der Aufwand für die Bilderzeugung ist dabei, etwa gegenüber einer Pixelmatrix aus Spiegeln, stark verringert. Weiter steht die Lichtintensität des gesamten Lichtbündels, weil das erste Bild mittels einer Ablenkung von diesem erzeugt wird, mit voller Intensität zur Verfügung.
Dieser Vorteil macht sich insbesondere dann bemerkbar, wenn die Spiegel gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung durch eine Ablenkeinrichtung, mit der das erste Bild als Vektorgrafik darstellbar ist, unabhängig voneinander winkelveränderbar sind. Bei einer Vektorgrafik werden nur die Punkte abgetastet, die als beleuchtete Punkte erfaßbar sein sollen. Dunkeltastzeiten sind auf ein Minimum reduziert, so daß praktisch die volle Lichtintensität der primären Lichtquelle zur Darstellung des ersten Bildes ausgenutzt wird.
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden eine Ablenkeinrichtung, mit der das von der mindestens einen Lichtquelle ausgehende Lichtbündel in zwei Richtungen rasterbar ist, und eine Steuerung vorgesehen, mit der die Intensität des Lichtbündels steuerbar ist. Dabei macht man sich die Abbildung über ein gleichmäßiges Raster zunutze, wie sie beispielsweise aus der Darstellung von Fernsehbildern bekannt ist. Damit lassen sich besonders schöne Bilder darstellen, was den Fahrkomfort erhöht und ebenfalls zu einer höheren Fahrsicherheit führt.
Die Ablenkung kann beispielsweise mit Hilfe akustooptischer Modulatoren durchgeführt werden. Man kann sich aber die Vorteile der obigen Weiterbildung der Erfindung mittels Ablenkung des Lichtbündels über zwei Spiegel zunutze machen. Insbesondere ist deshalb bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß einer der Spiegel ein mit gleichmäßiger Umlaufgeschwindigkeit rotierender Polygonspiegel ist, wodurch sich sehr schnelle Ablenkungen verwirklichen lassen und ein Flimmern des Bildes vermieden wird. Weiter ergeben sich aufgrund der Trägheit des rotierenden Spiegels auch nur geringe Gleichlaufungenauigkeiten, was vor allem beim Betrieb im Kraftfahrzeug, bei dem die Vorrichtung auch Stößen und Schwingungen ausgesetzt ist, wesentliche Vorteile mit sich bringt.
Die vorgenannten Vorteile der Erfindung und deren Weiterbildungen sind insbesondere dann mit wenig Aufwand erreichbar, wenn gemäß einer weiteren vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung die mindestens eine Lichtquelle ein LED mit parallelisierender und kolliminierender Optik ist. Gegenüber den übrigen Dimensionen im Kraftfahrzeug kann ein LED als im wesentlichen puπktförmig betrachtet werden, so daß mit Hilfe einer solchen Optik die Aufweitungserforderπisse in einfacher Weise erfüllt werden können, ohne daß ein Lichtverlust durch das Kollimieren die Intensität wesentlich verringert.
Mögliche Verluste durch das Kollimieren können sogar vollständig vermieden werden, wenn mindestens eine der Lichtquellen ein Laser ist. Ein Laser erzeugt schon von vornherein einen hochparallelen Strahl, der den Anforderungen bezüglich der Aufweitung vollständig genügt.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Laser eine Laserdiode oder enthält diese als Pumpquelle. Laserdioden erzeugen schon eine hohe Lichtleistung bei Spannungen, die wesentlich geringer als die Spannung einer Autobatterie ist. Man benötigt dann also keine aufwendige Elektronik, wie beispielsweise eine Hochspannungsversorgung bei Verwendung eines Gaslasers. ~ Λ„ , . ««- PCT/EP96/04041 O 97/16757
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Insbesondere lassen sich gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung hohe Intensitäten erreichen, wenn der Laser ein diodengepumpter Festkörperlaser ist. Gemäß einer weitergehenden bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind für den diodengepumpten Festkörperlaser auch Einrichtungen zur Frequenzkonversion vorgesehen. Mit den Einrichtungen zur Frequenzkonversioπ läßt sich immer eine Wellenlänge so auswählen, beispielsweise im Grünbereich, wo die Augenempfindlichkeit sehr hoch ist oder im Rotbereich, der vom Menschen immer als Warnung aufgefaßt wird, ohne daß man auf die Auswahl diodeπgepumpter Festkörperlaser bezüglich hoher Intensität wesentlich eingeschränkt ist. Aufgrund dieser Merkmale lassen sich also besonders hohe Lichtintensitäten mit wenig Aufwand für die primäre Lichtquelle erzielen.
Gemäß einer anderen vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung ist das vom ersten Bild ausgehende Licht polarisiert. Dazu kann man gemäß einer weiterführenden Weiterbildung der Erfindung mindestens ein Polarisationsfilter vorsehen oder einen ein polarisierendes Licht aussendenden Laser verwenden. Die Vorteile der Verwendung polarisierten Lichtes werden vor allem auch aus der DE 38 22 222 A1 deutlich, die vorstehend schon beschrieben wurde. Im Unterschied zu der dort dargestellten Erfindung ist hier aber die Lichtquelle selbst polarisiert, so daß aufgrund einer zusätzlichen Polarisation, zur Verminderung von Reflexen oder zur Dämpfung des Lichts des zweiten Bildes für das erste Bild bei entsprechender Einstellung der Polarisationsrichtung keine Lichtverluste auftreten.
Der Vorteil der Verwendung polarisierten Lichtes macht sich insbesondere bei einer Weiterbildung der Erfindung bemerkbar, bei der die Lichtquelle so angeordnet ist, daß das vom ersten Bild ausgesandte Licht an der Scheibe etwa unter dem Brewsterwinkel einfällt. Beim Brewsterwinkel wird das polarisierte Licht vollständig reflektiert, so daß die volle Intensität des im wesentlichen parallelen Lichtbündels beim Fahrzeugführer zur Beobachtung des ersten Bildes zur Verfügung steht. Die Lichtintensität ist damit optimal, ohne daß zusätzliche Polarisatoren, beispielsweise an der reflektierenden Scheibe, vorgesehen werden müssen.
Ähnliche Vorteile wie bei den Polarisatoren ergeben sich dann, wenn die Scheibe gemäß einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung mit einer Schicht versehen ist, an der das erste Bild vollständig reflektierbar ist, da auch dann die gesamte Intensität, die vom ersten Bild ausgesandt wird, am Ort des Fahrzeugführers zur Erfassung des ersten Bildes zur Verfügung steht.
Besonders einfach läßt sich dies verwirklichen, wenn gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung die Schicht eine dielektrische Schicht ist oder diese enthält und die das erste Bild vollständig reflektiert. Dielektrische Schichten zur vollen Reflexion sind aus dem Stand der Technik beispielsweise zur Vergütung von Linsen bekannt. Während aber bei der Vergütung von Linsen eine hohe Transmission erreicht werden soll, ist hier zu beachten, daß die Schichtdicken aufgrund der optischen Parameter des Schichtmaterials so dimensioniert werden, daß maximale Reflexion auftritt. Insbesondere ist in diesem Zusammenhang interessant, daß man bei einer einzigen Wellenlänge des ersten Lichtes, wie es zum Beispiel bei dem Einsatz eines Lasers gegeben ist, nur eine einzige dielektrische Schicht vorsehen muß, deren Schichtdicke auf den Winkel zum einfallenden Licht so ausgelegt ist, daß transmittierte Strahlen sich durch Interferenz auslöschen.
Der Vorteil von reflektierenden Schichten ist auch dann besonders einfach zu verwirklichen, wenn das vom ersten Bild ausgehende Licht polarisiert ist und gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Schicht auf der Scheibe eine polarisierende Schicht ist oder eine polarisierende Teilschicht enthält.
Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Schicht auf der dem zweiten Bild abgewandten Seite der Scheibe aufgebracht. Dadurch werden vorteilhafterweise Doppelbilder aufgrund unterschiedlicher Reflexion an der Vorder- und Rückseite der Scheibe, wie sie auftreten würden, wenn die Schicht auf der dem ersten Bild abgewandten Seite angebracht wäre, vermieden. Dadurch ergibt sich eine besonders klare Bilddarstellung, so daß auch aufgrund dieser Weiterbildung die Lichtintensität des ersten Bildes für den Betrachter optimiert wird. Die klarere Bilddarstellung verringert auch die Belastung des Fahrers, so daß die Verkehrssicherheit aufgrund geringerer Ermüdung erhöht ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Schicht ein Verbund aus mehreren Einzelschichten. Bei Vorsehen mehrerer Einzelschichten läßt sich das Reflexionsverhalten auf ein breites Wellenlängenspektrum der Lichtquelle auslegen. Beim Verbund, beispielsweise im Verbundglas einer Windschutzscheibe, ergibt sich fertigungstechnisch ein besonders geringer Aufwand.
Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Schicht so ausgelegt, daß sie Licht des zweiten Bildes ungehindert durchläßt. Damit wird die Sichtbarkeit der Umgebung für den Fahrer nicht beeinträchtigt. Dies ist insbesondere für Nachtfahrten vorteilhaft, bei denen die Sicherheit aufgrund schlechter Lichtverhältnisse sowieso beeinträchtigt ist. Deshalb sollte gerade für diesen Zweck durch die zusätzliche Schicht keinerlei Dämpfung des aus der Umgebung einfallenden Lichts stattfinden.
Die vorangehend mehrfach erwähnte Scheibe kann beispielsweise die Windschutzscheibe selbst sein. Deren Biegung ist aber im allgemeinen aufgrund von Designentscheidungen und möglichst geringer Lufttreibungsverluste bei der Fahrt gekrümmt, so daß das erste Bild im allgemeinen bezüglich der durch diese Krümmung entstehenden Verzerrungen korrigiert werden muß. Diesen Verzerrungen kann man beispielsweise durch geeignete Darstellung des ersten Bildes entgegenwirken.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch eine besondere Scheibe vorgesehen, die in einem Fahrzeug zwischen einer Windschutzscheibe und dem Platz eines Fahrzeugführers angeordnet ist. Damit kann man die Form der Scheibe zur Abbildung des ersten Bildes geeignet dimensionieren. Insbesondere ist eine plane Scheibe bezüglich des Aufwandes vorteilhaft, da für diese keine Sonderanfertigung benötigt wird.
Die Anordnung zwischen Windschutzscheibe und dem Platz des Fahrzeugführers ist insbesondere deswegen vorteilhaft, da eventuelle unerwünschte Reflexionen oder Lichtverluste an der Windschutzscheibe vermieden werden. Außerdem befindet sich die Scheibe auch im Innenraum des Fahrzeugs. Dies hat den weiteren Vorteil, daß Wetterbedingungen keinen Einfluß auf die Sicht haben. Eine Kondensation von Nebel oder anhaftende Tropfen bei Regen könnte dagegen die Sichtbarkeit des ersten Bildes bei einer Anordnung der Scheibe außerhalb des Fahrzeugs stark beeinträchtigen.
Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung emittiert die Lichtquelle
LichtbUndel dreier verschiedener Wellenlängen. Damit lassen sich auch farbige Bilder im ersten Bild darstellen, wodurch der Informationsgehalt erhöht werden kann, was es aber auch gestattet, die im ersten Bild dargestellte Information ästhetisch besonders angenehm zu gestalten. Dies erhöht den Fahrkomfort und trägt aufgrund der geringeren nervlichen Belastung durch die Zusatzinformatioπ zur Sicherheit beim Fahren bei. Weiter ermöglicht die farbige Darstellung, beispielsweise die Anzeige von Warnsignalen in Rot und statische Information beispielsweise in dem Fahrer angenehmen Grün zu zeigen. Auch die Anzeige von eingeschaltetem Fernlicht, für die in Deutschland ein blaues Licht vorgeschrieben ist, ist gemäß dieser Weiterbildung ohne Probleme innerhalb des ersten Bildes möglich.
Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Scheibe und dem ersten Bild ein abbildendes optisches System vorgesehen. Mit Hilfe eines derartigen optischen Systems lassen sich virtuelle Bilder in großer Entfernung darstellen, was vor allen Dingen für die Adaptionsfähigkeit des Auges des Fahrers besonders vorteilhaft ist. Insbesondere läßt sich ein virtuelles Bild in großer Entfernung dann besonders vorteilhaft erzielen, wenn das erste Bild innerhalb der objektseitigen Brennweite des optischen Systems abgebildet wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielshalber noch näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel zur Erläuterung wesentlicher
Züge der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung für ein Ausführungsbeispiel, in der das erste Bild durch eine Matrix auf einer Streuscheibe dargestellt wird;
Fig.3 eine schematische Darstellung für ein farbiges erstes Bild;
Fig. 4 eine Ausführungsform mit einer Matrix aus Laserdioden;
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel mit einem LED-Array und einem Polarisationsfilter;
Fig. 6 eine prinzipielle Anordnung für eine Matrix zur Darstellung eines farbigen ersten Bildes; Fig. 7 eine schematische Darstellung zur Bilderzeugung mit zwei nacheinander angeordneten beweglichen Spiegeln für ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 8 eine Windschutzscheibe mit innenliegenden Reflexionsschichten.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung weist eine Steuereinrichtung 1 auf, welche die zur Symboldarstelluπg erforderlichen Daten erzeugt. Ein Ausgang der Steuereinrichtung 1 ist mit dem Eingang einer Steuerelektronik 2 verbunden, mit der eine Lichtquelle 3 zur Erzeugung eines im wesentlichen parallelen Lichtbündels 4 angesteuert wird. Die Lichtquelle war im Anwendungsbeispiel ein diodengepumpter Festkörperlaser mit Frequenzkonversion, um Licht mit einer Wellenlänge im Maximum der Augenempfindlichkeit zu erzeugen.
Das im wesentlichen parallele Lichtbündel 4 fällt auf einen Spiegel 5 auf, von dem aus es in Richtung einer Streuscheibe 6 reflektiert wird. Der Spiegel 5 ist zur Auslenkung des Lichtbündels um zwei Achsen schwenkbar. Die entsprechenden Drehwinkel sind in Fig. 1 mit ω und φ bezeichnet.
Die um die Winkel ω und φ erfolgenden Schwenkbewegungen werden ebenfalls von der Steuereinrichtung 1 angesteuert. Je nach Ausführungsart der Steuereinrichtung 1 lassen sich mit einer derartigen Anordnung Bilder auf der Streuscheibe 6 in unterschiedlicher Weise erzeugen. Wenn die Steuereinrichtung 1 so ausgebildet ist, daß der Spiegel 5 den Lichtstrahl gleichmäßig über die Streuscheibe 6 rastert und über die Steuerelektronik 2 die Intensität des Lichtstrahls 4 gesteuert wird, lassen sich Bilder rasternd darstellen, wie es beispielsweise aus der Fernsehtechnik mit Elektronenstrahlen auf dem Bildschirm einer Fernsehröhre bekannt ist.
Im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 wurde jedoch die Intensität des Lichtbündels 4 konstant gehalten, während eine Struktur mit Hilfe von Bewegungen des Spiegels 5 auf die Streuscheibe 6 projiziert wurde. Die Intensität des Lichtbündels wird dabei nur beim Übergang von einer zu einer anderen Struktur dunkelgetastet. Die Strukturen werden so in Form einer Vektorgrafik auf der Streuscheibe 6 abgebildet. Zur Abbildung des auf der Streuscheibe 6 dargestellten Bildes als virtuelles Bild im Sichtbereich des Fahrers eines Fahrzeugs ist ein optisches System 8 mit einem objektseitigen Brennpunkt 7 vorgesehen, innerhalb dessen Brennweite die Streuscheibe 6 liegt. Das aus dem optischen System 8 austretende Licht fällt anschließend auf eine Reflexionsschicht 9, so daß das erzeugte Bild virtuell bei einer Position 10 sichtbar ist. Die Reflexionsschicht 9 ist auf der Innenseite der Windschutzscheibe 1 1 eines Kraftfahrzeugs angeordnet. Ein Beobachter, dessen Auge 12 schematisch eingezeichnet ist, sieht dann zusätzlich zu der im Sichtbereich liegenden Gegend ein virtuelles Bild 10 hinter der Windschutzscheibe. Da die Reflexionsschicht 9 so ausgebildet ist, daß sie im wesentlichen nur bei Wellenlängen der Lichtquelle 3 reflektiert, kann der Beobachter an der Position 12 auch die Umgegend ungehindert sehen und das virtuelle Bild an Position 10 wird in diese Ansicht eingefügt.
Aufgrund des im wesentlichen parallelen Strahls der Lichtquelle 3 ist der Bereich, in der das virtuelle Bild an der Position 10 deutlich sichtbar ist, im wesentlichen durch die Streueigenschaften der Streuscheibe 6 gegeben. Diese ist bezüglich der Streuung des primären Lichtbündels 4 so ausgelegt, daß das Bild an der Position 10 nur im Bereich, der innerhalb typischer Kopfbewegungen des Fahrers liegt, optisch gut erfaßbar ist. Als empfehlenswert hat sich herausgestellt, daß die Aufweitung des im wesentlichen parallelen Lichtbündels aufgrund der Streuscheibe 6 und der nachfolgenden Optik 8 maximal in einem Bereich von 30 bis 50 cm liegen sollte. Damit wird praktisch das ganze Lichtbündel 4 mit voller Intensität auf den Fahrer gerichtet. Lichtverluste aufgrund eines zu großen Winkelbereiches sind auf ein Mindestmaß reduziert. Mit einer Aufweitung des Lichtbündels kleiner gleich ± 7° wurden in der Praxis gute Ergebnisse erzielt.
Wenn noch höhere Lichtintensitäten in der Nähe des Auges 12 des Fahrers benötigt werden, kann die Streuscheibe 6 auch für noch kleinere Winkeldivengenzen im Lichtbündel ausgelegt sein, jedoch empfiehlt es sich dann, die Vorrichtung positionsmäßig verstellbar auszugestalten oder die Kipprichtung des Spiegels 5 über die Steuereinrichtung 1 mit einer einstellbaren Gleichspannung zu beaufschlagen, so daß der
Fahrer an der Position 12 das virtuelle Bild 10 in den optimalen Kopf bereich bringen kann, damit bei unterschiedlichen Fahrergrößen und Sitzpositionen das virtuelle Bild immer mit optimaler Intensität sichtbar ist. Aus den angegebenen Größen für die Aufweitung kann man auch direkt entnehmen, daß die Parallelität des Lichtbündels 4 nicht sehr kritisch ist. Deswegen kann man als Lichtquelle 3 statt eines Lasers auch eine Leuchtdiode hoher Intensität einsetzen. Da das Licht bei derartigen Bauelementen im wesentlichen an der Sperrschicht entsteht, kann man diese im wesentlichen als punktförmige Lichtquelle betrachten, deren Ausgangslichtbündel mit Hilfe einer Linse, einem Hohlspiegel und/oder Kollimatoren in geeigneter Weise parallelisiert werden kann.
Die Auswahl eines Lasers für die Lichtquelle 3 hat aber auch noch Vorteile bezüglich der Reflexion an der Windschutzscheibe 1 1 . Mit dem genannten Laser wurde im Ausführungsbeispiel ein linear polarisiertes Lichtbündel 4 erzeugt. Die reflektierende Schicht 9 wurde dabei als Polarisator ausgebildet, dessen lineare Polarisationsrichtung so gewählt wurde, daß das gesamte von der Streuscheibe 6 erzeugte Licht in den Bereich des Kopfes des Fahrers reflektiert wurde. Die Polarisationseigenschaften der reflektierenden Schicht 9 haben zusätzlich zum Erzielen optimaler Lichtintensität den Vorteil, daß Reflexe auf der Windschutzscheibe ausgeschaltet werden, das virtuelle Bild also deutlicher sichtbar ist.
Wenn man allerdings zum Erzielen hoher Intensität zur Verringerung des Aufwandes auf die reflektierende Schicht 9 verzichten will, kann man auch die Vorrichtung so anordnen, daß die von dem optischen System ausgehenden Lichtbündel etwa im Brewsterwinkel auf die Windschutzscheibe 1 1 auftreffen. Bekanntlich ist dann die Reflexion eines polarisierten Lichtstrahls bei geeigneter Polarisaτionsrichtung maximal. Es wird dadurch keine Beschichtung der Windschutzscheibe benötigt.
In Fig. 1 ist die Windschutzscheibe 1 1 als plane Fläche gezeichnet. Dadurch wird das Bild 6 unverzerrt an der Position 10 abgebildet. Im allgemeinen sind Windschutzscheiben jedoch gebogen. Die daraus resultierende Verzerrung kann man durch die Steuereinrichtung 1 ausgleichen, indem das Bild auf der Streuscheibe 6 so verzerrt dargestellt wird, daß die Verzerrungen durch die Spiegelung in der Windschutzscheibe 1 1 aufgehoben werden. Dadurch kann allerdings die Auflösung in unterschiedlichen Bildbereichen des virtuellen Bildes an der Position 10 verschieden sein. Statt dessen kann man aber auch eine flache Scheibe zwischen Windschutzscheibe 1 1 und Fahrer anordnen, mit der sich dieselben vorteilhaften Abbildungseigenschaften wie bei der schematisch gezeigten flachen Windschutzscheibe 1 1 ergeben.
Die reflektierende Schicht 9 sollte jedoch unabhängig davon, ob sie auf der Windschutzscheibe 1 1 oder auf einer separaten Scheibe aufgebracht ist, fahrerseitig angeordnet sein, damit Mehrfachreflexionen in der Scheibe selbst keine weiteren virtuellen Bilder erzeugen, die als äußerst störend empfunden werden könnten.
Reflektierende Schichten lassen sich als dünne Schichten, sogenannte dielektrische Spiegel, ausbilden, wie sie auch aus anderen Anwendungen der Optik bekannt sind. Bei einer Vielzahl von Wellenlängen, die durch die Schichten reflektiert werden sollen, ist es günstig, einen Verbund aus mehreren Einzelschichten aufzubringen, die auf die Wellenlänge bzw. Wellenlängen der Lichtquelle 3 abgestimmt sind.
In Fig. 2 ist ein ähnliches Ausführungsbeispiel wie in Fig. 1 gezeigt. Jedoch ist die Bilddarstellung auf der Streuscheibe 6 verschieden von diesem. Hier wird das Bild als gerasterte Matrix erzeugt, wie es vorstehend schon beschrieben wurde.
Anhand von Fig. 2 kann jedoch noch ein weiteres Ausführungsbeispiel erläutert werden. Wenn das LichtbUndel 4 entsprechend aufgeweitet ist, beispielsweise wenn die Lichtquelle 3 ein LED mit parallelisierender Optik ist, kann man anstelle der Streuscheibe 6 auch eine LCD-Matrix vorsehen. Insbesondere wenn das LichtbUndel 4 schon polarisiert ist, kann mit der LCD-Matrix, deren Bilddarstellung bekanntermaßen auf unterschiedlichen Polarisationsrichtungen bei Anlegen einer Spannung an verschiedenen Segmenten in der Matrix beruht, an Punkten mit der gleichen Polarisation wie die des Lichtbündels 4 praktisch das ganze Licht durchgelassen werden.
In Fig. 3 ist ein ähnliches Beispiel wie in Fig. 1 gezeigt. Jedoch ist hier die Lichtquelle 3 durch eine Lichtquelle 13 ersetzt. Innerhalb der Lichtquelle 13 befinden sich drei Laser mit den Farben Rot, Grün und Blau. Die von den Lasern ausgehenden Lichtbündel werden durch eine Strahlkombiniereinrichtung 14 in einen einzigen parallelen Strahl 15 zusammengeführt. Die Bilderzeugung erfolgt in gleicher Weise, wie es schon bei den Ausführungsbeispielen von Fig. 1 und Fig. 2 beschrieben wurde. In der Strahlkombiniereinrichtung 14 können beispielsweise dichroitische Spiegel zur 7/16757 PCI7EP96/04041
-19- Kombination der verschiedenfarbigen Lichtbündel angeordnet sein, wie es aus der Laserfernsehtechnik bekannt ist.
Im Ausführungsbeispiel von Fig. 4 wird auf ein einziges Lichtbündel 4 bzw. 14 und den ablenkenden Spiegel 5 verzichtet. Anstelle der Streuscheibe 6 wird gemäß Fig. 4 eine Laserdiodenmatrix 18 zwischen das optische System 8 und dem dazugehörigen Brennpunkt 7 angeordnet. Die Bilderzeugung erfolgt dabei durch elektrische Aktivierung der einzelnen Laserdioden an entsprechenden Bildpunkten der Matrix.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist zusammen mit der integrierten Matrixanordnung im selben Bauelement eine Ansteuerelektronik 17 integriert, mit der die einzelnen Laserdioden in der Matrix bezüglich Lichtintensität angesteuert werden können.
Ein ähnliches Ausführungsbeispiel ist auch in Fig. 5 gezeigt. Statt der Laserdiodenmatrix 18 ist hier eine LED-Matrix 15 mit einer integrierten Ansteuerelektronik 16 vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel war die LED-Matrix so ausgesucht, daß die erfindungsgemäß erforderliche Aufweitung für maximale Lichtintensität von den einzelnen LEDs der Matrix aufgrund des Aufbaus gegeben war. Prinzipiell lassen sich jedoch auch LEDs einsetzen, wenn über eine derartige LED-Matrix 15 eine Folie gelegt wird, auf der kleine, auf die LEDs passende Erhebungen als Linsen ausgebildet sind, die so dimensioniert sind, daß die Aufweitung der ausgehenden Lichtbündel zusammen mit einer Strahlprofiländerung aufgrund der Optik 8 gering genug ist, damit der wesentliche Anteil des Lichtes innerhalb des Bereichs, der durch Kopfbewegungen des Fahrers zugänglich ist, liegt.
Bei einer LED-Matrix 15 muß man auch nicht auf die Vorteile verzichten, die aufgrund von polarisiertem Licht gegeben sind, wenn man, wie in Fig. 5 gezeigt, ein Polarisationsfilter 19 im Lichtweg der von den LEDs ausgehenden Lichtbündel anordnet. Im Ausführungsbeispiel von Fig. 5 ist dieses Polarisationsfilter 19 zwischen dem optischen System 8 und der LED-Matrix 15 eingefügt.
Die LED-Matrix 15 und die Laserdiodenmatrix 18 kann man prinzipiell als Lichtquellenmatrix bezeichnen. Wie eine derartige Lichtquellenmatrix ausgestaltet sein muß, damit auch farbige Bilder möglich sind, ist in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 6 gezeigt. Die Lichtquellenmatrix 20, die zusammen mit einer Ansteuerungselekτronik 21 integriert ist, besteht dort aus verschiedenen Laserdioden oder LEDs mit unterschiedlicher Wellenlängen, die mit R, G, B, entsprechend den Bezeichnungen R, G, B für rote, grüne und blaue Bildpuπkte beim Farbfernsehen bezeichnet sind. Die LEDs sind in Fig. 6 entsprechend ihrer Wellenlängen mit unterschiedlicher Schattierung dargestellt. Aus Fig. 6 ist direkt eine mögliche Anordnung der verschiedenen Laserdioden oder LEDs erkennbar, mit der farbige Bilder dargestellt werden kann.
Anstelle des Spiegels 5 gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 für die gemeinsame Verkippung um zwei Achsen können auch zwei unabhängige Spiegel 23 und 22 vorgesehen werden. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in Fig. 7 gezeigt. Für einen gleichmäßiges Rastern läßt sich anstelle eines der Spiegel 22 oder 23 auch ein Polygonspiegel zur Zeilenrasterung einsetzen. Polygonspiegel garantieren im allgemeinen aufgrund ihrer Trägheit ein sehr gleichmäßiges Rastern.
in Fig. 8 ist ein weiteres Beispiel dargestellt, bei dem die reflektierende Schicht 9 nicht auf der Windschutzscheibe 1 1 selbst aufgebracht, sondern in diese integriert ist. Da es sich bei den genannten reflektierenden Schichten vor allem um sehr dünne Schichten handelt, gewährt ein derartiger Einbau in einem als Windschutzscheibe ausgeführten Verbundglas 1 1 Schutz für die in Fig. 8 dargestellte dünne Schicht 24. Auch hier kann die Schicht 24 als dünne Schicht zur totalen Reflexion des Lichtbündels 3 ausgeführt sein. Ferner sind auch polarisationsabhängig reflektierende Schichten einsetzbar.
Die vorstehenden Beispiele zeigen deutlich auf, in welch vielfältiger Weise die Erfindung verwirklicht werden kann. Wesentliches Element ist dabei, daß mit Hilfe eines im wesentlichen parallelen Lichtbündels im Sichtbereich des Fahrers maximale Lichtintensität aufgrund der geringen Aufweitung des Lichtbündels erzeugt wird.

Claims

Ansprüche
1 . Vorrichtung zur Darstellung eines ersten Bildes (6; 15; 18; 20) in einem zweiten
Bild, das durch eine durchsichtige Scheibe (1 1 ) sichtbar ist, an der vom ersten Bild (6; 1 5; 18; 20) ausgehendes Licht (4, 15) reflektiert wird und die so angeordnet ist, daß das erste und das zweite Bild von einem Betrachter unter gleichem Blickwinkel erfaßbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Lichtquelle (3; 13; 15; 18; 20) für im wesentlichen paralleles Licht vorgesehen ist, mit der das vom ersten Bild (6; 15; 18; 20) ausgehende Licht als Lichtbündel mit geringer Aufweitung erzeugbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß Segmente zur Emission von dem Lichtbündel geringer Aufweitung oder zur Reflexion oder Transmission des Licht von der mindestens einen Lichtquelle (3; 13; 15; 18; 20) vorgesehen sind, die zur Formierung des ersten Bildes (6; 15; 18; 20) bezüglich Emission, Transmission bzw. Reflexion ansteuerbar sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente in
Form einer Matrix (15; 18; 20) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente für Transmission ausgelegt sind und die Matrix eine LCD-Matrix ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Spiegel (5; 22, 23) vorgesehen sind, die das von der mindestens einen Lichtquelle (3, 13) erzeugte LichtbUndel geringer Aufweitung zur Formung des Bildes reflektieren.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Spiegel (22, 23) vorgesehen sind, mit denen das Lichtbündel in zwei Richtungen ablenkbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Spiegel (5; 22, 23) durch eine Ablenkeinrichtung in zwei Kipprichtungen unabhängig voneinander winkelveränderbar ist, wodurch das erste Bild (6; 15; 18; 20) als Vektorgraphik darstellbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Ablenkeinrichtung, mit der das von der mindestens einen Lichtquelle ausgehende Lichtbündel in zwei Richtungen rasterbar ist, und eine Steuereinrichtung (1 ) vorgesehen sind, mit der die Intensität des Lichtbündels steuerbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8 in Kombination mit Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Spiegel (22, 23) ein mit gleichmäßiger Umlaufgeschwindigkeit rotierender Polygonspiegel ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Lichtquelle (3; 15) ein LED mit parallelisierender und/oder kollimierender Optik ist.
11 , Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Lichtquellen (3; 13) ein Laser ist oder diesen enthält.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (3) eine Laserdiode ist oder als Pumpquelle enthält.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (3) ein diodengepumpter Festkörperlaser ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß für den diodengepumpten Festkörperlaser Einrichtungen zur Frequeπzkonversion vorgesehen sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das vom ersten Bild (6; 15; 18; 20) ausgehende Licht polarisiert ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Polarisation ein Polarisationsfilter (19) vorgesehen ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Lichtquelle (3; 13) ein polarisierendes Licht aussendender Laser ist oder diesen enthält.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (3, 13) so angeordnet ist, daß das vom ersten Bild ausgesandte Licht an der Scheibe (1 1 ) unter dem Brewsterwinkel einfällt.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (1 1 ) mit einer Schicht (9; 24) versehen ist, an der das erste Bild (6; 15; 18; 20) vollständig reflektierbar ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (9; 24) eine dielektrische Schicht ist oder enthält, die das erste Bild (6; 15; 18; 20) vollständig reflektiert.
21 . Vorrichtung nach Anspruch 20 in Kombination mit Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (9; 24) eine polarisierende Schicht ist oder eine polarisierende Teilschicht enthält.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (9; 24) auf der dem zweiten Bild abgewandten Seite der Scheibe (1 1 ) aufgebracht ist.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (9; 24) ein Verbund aus mehreren Einzelschichten ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (9; 24) so ausgelegt ist, daß sie Licht des zweiten Bildes ungehindert durchläßt.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (1 1 ) in einem Fahrzeug zwischen einer Windschutzscheibe und dem Platz eines Fahrzeugführers angeordnet ist.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (13; 20) Lichtbündel dreier verschiedener Wellenlängen emittiert.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Scheibe (1 1 ) und dem ersten Bild ein abbildendes optisches System (8) vorgesehen ist.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß ein reelles Bild innerhalb der objektseitigen Brennweite des optischen Systems (8) erzeugbar ist, welches als erstes Bild (6; 15; 18; 20) an der Scheibe (1 1 ) reflektierbar ist.
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