WO2024260501A1 - Hybrider bildgeber mit einem auflicht- oder rücklicht-projektor und einer lc-matrix für ein hud für ein fahrzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Projektionseinheit für eine Blickfeldanzeigevorrichtung zum Einblenden eines virtuellen Bilds über Reflexion an einer im Blickfeld eines Benutzers angeordneten Reflexionsscheibe, insbesondere Fahrzeugscheibe, umfassend: - einen projektorbasierten Bildgeber mit einem Projektor zur Erzeugung eines Lichtstrahlenbündels mit gewünschtem Anzeigeinhalt und einem von diesem ausgeleuchteten Projektionsschirm, wobei der Projektor zur Erzeugung eines realen Bilds auf dem Projektionsschirm und der Projektionsschirm zum Werfen des daraus resultierenden Lichtstrahlenbündels auf die Reflexionsscheibe ausgebildet sind; und - eine im Strahlengang des vom Projektionsschirm ausgehenden Lichtstrahlenbündels angeordnete polarisationsfilterbasierte Kontrastpixel-Matrix, deren Kontrastpixel synchron mit dem erzeugten realen Bild zwischen einem lichtblockierenden Zustand für schwarz darzustellende Bildbereiche und einem lichttransmittierenden Zustand für die übrigen Bildbereiche schaltbar sind.

Description

Beschreibung

Hybrider Bildqeber mit einem Auflicht- oder Rücklicht-Projektor und einer LC-Matrix für ein HUP für ein Fahrzeug

Die Erfindung betrifft eine Projektionseinheit für Blickfeldanzeigevorrichtungen, die in Kraftfahrzeugen oder anderen Land-, Luft- oder Wasserfahrzeugen einsetzbar sind und auch unter der Bezeichnung Head-up-Display (HUD) bekannt sind. Sie dienen zur Erzeugung eines ins Blickfeld ihrer Benutzer eingeblendeten virtuellen Bilds über Reflexion an einer Reflexionsscheibe, wie einer Front-, Heck- oder Seitenscheibe des Fahrzeugs oder einer eigens hierzu vorgesehenen Combinerscheibe, die im Blickfeld der Benutzer angeordnet ist. Die Erfindung richtet sich auch auf ein zugehöriges Betriebsverfahren und auf die Blickfeldanzeigevorrichtung sowie auf ein damit ausgestattetes Fahrzeug.

Mit einem Head-up-Display werden beispielsweise in einem Kraftfahrzeug Geschwindigkeitsangaben und andere nützliche Navigations-, Warn- und Fahrzeugbedienungshinweise oder auch Entertainment-Inhalte in Form eines virtuellen Bilds dem vom Fahrer und/oder einem anderen Insassen beobachteten realen Umgebungsbild vor dem Fahrzeug überlagert. Dabei ist unter anderem zur Erzeugung einer panoramaartigen virtuellen Darstellung eine vereinfachte HUD-Bauweise bekannt, bei der ein Bildgeber ohne weitere Projektionsoptik wie Spiegel etc. direkt gegenüber der Frontscheibe in deren Scheibenwurzelbereich positioniert wird. Das vom Bildgeber erzeugte reale Bild wird somit direkt an der Frontscheibe reflektiert und gelangt dadurch zu den Betrachtern, wie beispielsweise dem Fahrer und/oder Beifahrer. In diesem Zusammenhang wird beispielsweise in EP 2 594 987 A2 ein HUD- System für ein Kraftfahrzeug mit einem projektorbasierten Bildgeber vorgeschlagen. Das System umfasst eine Standard-Fahrzeugscheibe (d. h. ohne spezielle Beschichtungen), einen optischen Bildprojektor und eine Instrumententafel, die mit einer reflektierenden Facetten-Oberfläche ausgestattet ist. Der Projektor ist zum Projizieren eines Bilds auf die reflektierende Facetten-Oberfläche ausgebildet. Diese ist dazu ausgebildet, das Projektor-Bild auf eine Oberfläche der Standard-Fahrzeugscheibe zu projizieren, die so orientiert ist, dass sie das Bild von der reflektierenden Facetten-Oberfläche in Richtung eines Insassen reflektiert. Die reflektierende Facetten-Oberfläche kann innerhalb einer Vielzahl von Trögen, die durch eine Vielzahl von diffus reflektierenden Trennwänden voneinander getrennt sind, angeordnet sein. Die Vielzahl von Trögen kann dazu ausgebildet sein, den Insassen von äußeren Reflexen abzuschirmen. Die reflektierende Facetten- Oberfläche kann insbesondere eine Vielzahl von elektrisch ansteuerbaren Facetten umfassen, die als ein Array von Elektrobenetzungs-Zellen ausgebildet ist.

Will man in einem Automobil mittels eines Projektors ein reales Bild erzeugen, so gelangt man umgehend zum Problem des geringen Kontrasts solcher Systeme. Der Kontrast wird durch zwei Störlichtlichtquellen reduziert: zum einen durch unvermeidbares Streulicht aus dem Projektor selbst und zum anderen durch Umgebungslicht. Während man die negative Auswirkung des Umgebungslichts durch entsprechende Auslegung des Projektionsschirms (auch Leinwand oder Screen genannt) durch Einschränkung seiner Akzeptanzwinkel etwas reduzieren kann, gelingt dies bei Streulicht aus dem Projektor nicht, da dieses zwangsläufig in die Akzeptanzwinkel des Screens fällt. Anders ausgedrückt, besteht hier eine Kontrastproblematik darin, dass schwarze Inhalte in dem vom Projektor erzeugten Bild nicht schwarz erscheinen, weil Streulicht aus dem Projektor und Umgebungslicht über den Projektionsschirm in das Auge des Betrachters gelangen. Die aktuellen Kontrastanforderungen für projektorbasierte Bildgeber für Head- up-Displays in Fahrzeugen erreichen je nach Anzeigeart Kontrastwerte bis zu 10000:1. Als Vergleich liegen die derzeit mit Projektoren erreichbaren Kontraste im Bereich (1000-1500): 1 . Projektoren können demnach selbst mit einem perfekten Screen (perfekt im Sinne, dass nur Projektorlicht zum Betrachter gelenkt wird) die Kontrastanforderungen für einen HUD nicht erfüllen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative und/oder verbesserte Projektionseinheit für eine Blickfeldanzeigevorrichtung anzugeben, die insbesondere in einem Fahrzeug zum Einsatz kommen und gegenüber bekannten Vorrichtungen beispielsweise im Hinblick auf deren Kontrast, Kosten, Bildqualität, Sichtbarkeit auch bei hoher Umgebungshelligkeit und/oder andere Gesichtspunkte eine Verbesserung ermöglichen kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Projektionseinheit gemäß Anspruch 1 sowie durch ein zugehöriges Betriebsverfahren, eine diese Projektionseinheit enthaltende Blickfeldanzeigevorrichtung und ein damit ausgestattetes Fahrzeug gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Alle in den Ansprüchen und der nachfolgen Beschreibung für die Projektionseinheit genannten weiterführenden Merkmale und Wirkungen gelten auch in Bezug auf die Blickfeldanzeigevorrichtung, das Betriebsverfahren und das Fahrzeug, wie auch jeweils umgekehrt.

Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Projektionseinheit für eine Blickfeldanzeigevorrichtung vorgesehen, die insbesondere zum Einsatz in einem Fahrzeug ausgelegt sein kann. Beim Fahrzeug kann es sich um ein Kraftfahrzeug, aber auch um ein beliebiges anderes Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug handeln. Die Blickfeldanzeigevorrichtung kann beispielsweise als ein Head-up-Display (HUD) ausgebildet sein.

Die Projektionseinheit ist dazu ausgelegt, im Betrieb der Blickfeldanzeigevorrichtung ein Lichtstrahlenbündel auszugeben und in geeigneter Form und Richtung auf eine im Blickfeld mindestens eines Benutzers angeordnete Reflexionsscheibe zu werfen, von der es zu seinen Augen (bzw. seiner Eyebox) reflektiert wird und ihm dadurch ein jenseits der Reflexionsscheibe schwebendes virtuelles Bild dargestellt wird. Als Eyebox der Blickfeldanzeigevorrichtung wird wie üblich ein Raumbereich verstanden, aus dem das virtuelle Bild für den Benutzer uneingeschränkt sichtbar ist. Die Reflexionsscheibe kann insbesondere als Teilabschnitt einer Frontscheibe oder einer anderen Fahrzeugscheibe ausgebildet sein oder aber eine eigens hierzu vorgesehene Combinerscheibe sein, die benutzerseitig reflektierend und rückseitig zumindest teilweise transparent sein kann. Sie ist im Betrieb der Blickfeldanzeigevorrichtung außerhalb der Projektionseinheit angeordnet, sodass die Projektionseinheit auch separat von der Reflexionsscheibe hergestellt und vertrieben werden kann.

Die Projektionseinheit umfasst einen projektorbasierten Bildgeber mit einem Projektor, der zur Erzeugung eines Lichtstrahlenbündels mit gewünschtem Anzeigeinhalt ausgebildet ist, und einem von diesem ausgeleuchteten Projektionsschirm (auch Leinwand oder Screen genannt). Dabei ist der Projektor zur Erzeugung eines realen Bilds auf dem Projektionsschirm ausgebildet. Der Projektionsschirm ist zum Werfen des daraus resultierenden Lichtstrahlenbündels in vorbestimmter Form und Richtung auf die Reflexionsscheibe ausgelegt, um dem Benutzer jenseits der Reflexionsscheibe ein virtuelles Bild wie gewünscht darzustellen.

Zur Lösung eingangs skizzierter Kontrastprobleme umfasst die Projektionseinheit zudem eine polarisationsfilterbasierte Kontrastpixel-Matrix, die im Strahlengang des vom Projektionsschirm ausgehenden Lichtstrahlenbündels angeordnet ist und seinen gesamten zur Bilderzeugung beitragenden Strahlquerschnitt abdeckt. Die einzelnen Kontrastpixel dieser Matrix sind unabhängig voneinander und synchron mit dem auf dem Projektionsschirm erzeugten realen Bild zwischen einem lichtblockierenden Zustand für diejenigen Bildbereiche, die schwarz dargestellt werden sollen, und einem lichttransmittierenden Zustand für alle übrigen Bildbereiche schaltbar. Eine Idee dieser Projektionseinheit besteht also darin, den mangelnden Kontrast eines projektorbasierten Bildgebers durch den Einsatz eines lokal schaltbaren, auf Polarisationsfiltern basierenden lichtabsorbierenden Moduls (Kontrastpixel-Matrix genannt), welches ausgangsseitig vor den Projektionsschirm montiert wird, zu verbessern. Daher eignet sich diese Projektionseinheit unter anderem auch zur virtuellen Bilddarstellung in einem Transparentbereich der Frontscheibe, der oberhalb ihres sogenannten Schwarzdruckbereichs, der sich entlang der Frontscheibenwurzel erstreckt und typischerweise schwarz oder dunkel bedruckt oder getönt ist, liegt. Für den konkreten Schichtaufbau der polarisationsfilterbasierten Kontrastpixel-Matrix sind mehrere verschiedene Ausführungsformen möglich, von denen nachfolgend nur einige beispielhafte Grundvarianten umrissen werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Kontrastpixel-Matrix direkt auf dem Projektionsschirm im Strahlengang des vom Projektionsschirm ausgehenden Lichtstrahlenbündels angeordnet. Dabei erstreckt sich jeder Kontrastpixel mit seinen linearen Abmessungen jeweils über mehrere, idealerweise etwa zwei bis drei, Bildpixel des auf dem Projektionsschirm erzeugbaren realen Bilds. Anders ausgedrückt, erstreckt sich jeder Kontrastpixel bei dieser Ausführungsform mit seiner Fläche über mehrere, idealerweise etwa fünf bis zehn, Bildpixel des auf dem Projektionsschirm erzeugbaren realen Bilds. In diesem Fall kann der jeweilige Kontrastpixel im Betrieb beispielsweise immer dann auf Lichtdurchlass geschaltet werden, wenn es mindestens einen nicht schwarzen Bildpixel innerhalb seiner Fläche gibt.

Insbesondere kann der Projektionsschirm zum Reflektieren des vom Projektor ausgehenden Lichtstrahlenbündels in Richtung der Reflexionsscheibe ausgebildet sein. Mit anderen Worten wird der Projektionsschirm vom Projektor bei dieser spezifischen Ausgestaltung des Bildgebers (auch Auflicht-Projektor genannt) in Reflexion ausgeleuchtet und die Kontrastpixel-Matrix ist im Strahlengang des vom Projektionsschirm reflektierten Lichtstrahlenbündels, beispielsweise direkt auf dem Projektionsschirm, angeordnet. Alternativ kann der Projektionsschirm vom Projektor aber auch in Transmission ausgeleuchtet werden. Bei diesem Bildgeber (auch Rücklicht-Projektor genannt) ist die Kontrastpixel-Matrix im Strahlengang des von dem Projektionsschirm transmittierten Lichtstrahlenbündels, wiederum beispielsweise direkt auf dem Projektionsschirm, angeordnet.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die polarisationsfilterbasierte Kontrastpixel-Matrix folgende Schichten: einen ersten linearen Polarisationsfilter auf einer dem Projektionsschirm zugewandten Matrixoberfläche und/oder einen zweiten linearen Polarisationsfilter auf einer von dem Projektionsschirm abgewandten Matrixoberfläche; sowie eine zweidimensionale Polarisationsdreh-Matrix, deren Matrixelemente in Zusammenwirkung mit dem ersten und/oder dem zweiten linearen Polarisationsfilter die Kontrastpixel bilden und hierzu jeweils zwischen einem polarisationsdrehenden Zustand und einem nicht polarisationsdrehenden Zustand schaltbar sind. Dabei ist jedes Matrixelement beispielsweise dazu ausgebildet, in seinem polarisationsdrehenden Zustand eine vorbestimmte lineare Polarisationsrichtung des Lichts um einen vorbestimmten Winkel von beispielsweise bis zu 90° zu drehen. Die Wahl des vorbestimmten Winkels hängt dabei von dem spezifischen optischen Aufbau des Bildgebers und der Polarisationsfilter, wie die nachfolgenden Beispiele zeigen, um beispielsweise jeweils eine bestmögliche Kontrastwirkung zu erzielen.

Die beidseitige Polarisationsfilteranordnung kann bei dieser Ausführungsform zu einem hervorragenden Kontrastergebnis auch mit Projektoren führen, welche unpolarisiertes Licht emittieren. Bei Projektoren, welche linear polarisiertes Licht emittieren, ist es für eine bestmögliche Energieeffizienz zielführend, die Durchlassrichtung eines projektorseitigen Polarisationsfilters parallel zur Polarisationsrichtung des einfallenden Projektorlichts auszurichten. Bei der beidseitigen Polarisationsfilteranordnung können der erste lineare Polarisationsfilter und der zweite lineare Polarisationsfilter beispielsweise zum Durchlässen der gleichen Polarisationsrichtung ausgebildet sein und die Matrixelemente in deren polarisationsdrehenden Zustand zum Drehen der Polarisationsrichtung um 90° im Bereich schwarzer Bildpixel geschaltet werden. Alternativ können die Matrixelemente in deren polarisationsdrehenden Zustand zum Drehen der Polarisationsrichtung um einen vorbestimmten Winkel im Bereich nicht-schwarzer Bildpixel geschaltet werden und die Durchlassrichtung des ersten Polarisationsfilters und des zweiten Polarisationsfilters sich um genau diesen Winkel unterscheiden, etc. etc.

Bei einer spezifischen Ausgestaltung nach dieser Ausführungsform ist der Bildgeber als ein Auflicht-Projektor zum Erzeugen des Lichtstrahlenbündels mit einer vorbestimmten Linearpolarisation ausgebildet, und der Projektionsschirm ist zu einer polarisationserhaltenden Reflexion dieses Lichtstrahlenbündels ausgebildet. Die Kontrastpixel-Matrix weist bei einer ersten Variante nur den ersten, d. h. dem Projektionsschirm zugewandten, linearen Polarisationsfilter auf, dessen Durchlassrichtung mit der Polarisationsrichtung des Lichtstrahlenbündels zusammenfällt oder um den vorbestimmten Winkel der Polarisationsdreh-Matrix von beispielsweise etwa 90° dazu verdreht ist.

Bei einer Abwandlung dieser Variante weist die Kontrastpixel-Matrix nur den zweiten, d. h. vom Projektionsschirm abgewandten, linearen Polarisationsfilter auf, dessen Durchlassrichtung mit der Polarisationsrichtung des Lichtstrahlenbündels zusammenfällt, und der vorbestimmte Winkel der Polarisationsdreh-Matrix etwa 45° beträgt. Dadurch lässt sich nicht nur das Streulicht aus dem Projektor, sondern auch das Umgebungslicht gezielt reduzieren oder sogar komplett auslöschen.

Mit ähnlichen Überlegungen ergeben sich verschiedene geeignete Schichtkonstruktionen der Kontrastpixel-Matrix auch für einen Rücklicht- Projektor, wie beispielsweise nur mit einem vom Projektionsschirm abgewandten linearen Polarisationsfilter, dessen Durchlassrichtung mit der Polarisationsrichtung des Lichtstrahlenbündels zusammenfällt oder diesbezüglich um den vorbestimmten Winkel der Polarisationsdreh-Matrix von beispielsweise etwa 90° verdreht ist. Entsprechend muss die Polarisationsdreh- Matrix im Betrieb angesteuert werden.

Die Polarisationsdreh-Matrix kann insbesondere in an sich bekannter Weise auf Flüssigkristallbasis (liquid crystal, LC), d.h. als eine LC-Matrix, ausgebildet sein. Damit der Projektionsschirm Licht polarisationserhaltend reflektiert, kann er beispielsweise metallisch, insbesondere durch eine metallische Beschichtung seiner zur Bilderzeugung vorgesehenen Ober- oder Zwischenfläche, ausgebildet sein.

Bei einer spezifischen Ausgestaltung eines Auflicht-Projektors weist der Projektionsschirm eine Spiegelfläche auf, die sich aus einer Vielzahl von Facetten zu einem Facettenraster mit einem Sägezahnprofil zusammensetzt. Dabei weist jede Facette ein Spiegelsegment zu einer gerichteten Lenkung des Lichtstrahlenbündels in eine für Benutzeraugen vorbestimmten Eyebox auf. Durch solche gerichtete Eyebox-Ausleuchtung kann die Energieeffizienz der Blickfeldanzeigevorrichtung mit dem projektorbasierten Bildgeber weiter erheblich gesteigert werden. Das jeweilige Spiegelsegment kann insbesondere planar ausgestaltet sein. Alternativ hierzu kann eine gekrümmte, beispielswiese konkave, Ausgestaltung zielführend sein. Das Sägezahnprofil kann dabei unter anderem dadurch entstehen, dass die Spiegelsegmente der Facetten je nach Position auf dem Facettenraster bzw. Spiegelarray unterschiedliche Winkel aufweisen können. Sie schließen daher nicht immer stetig aneinander an, sodass Höhenversatze benachbarter Facetten durch beispielsweise nahezu senkrecht zu deren Spiegelsegmenten orientierte Übergangsflächen ausgeglichen werden können, wodurch ein Sägezahnprofil entsteht. Die Flächen der einzelnen Facetten bzw. von deren Spiegelsegmenten können dabei insbesondere unterhalb einer mit dem menschlichen Auge auflösbaren Größe sein, damit das Facettenraster für den Benutzer im virtuellen Bild nicht erkennbar ist. Deren lineare Abmessungen können dabei insbesondere größer als die größte Wellenlänge des verwendeten Projektorlichts sein und beispielsweise im Mikrometer-Bereich liegen. Um störende Beugungseffekte wie Farbsäume oder Interferenz etc. zu vermeiden, können die Flächen der einzelnen Facetten/Spiegelsegmente zudem untereinander variierende Größen und/oder Formen aufweisen.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben der hierin vorgestellten Projektionseinheit bzw. Blickfeldanzeigevorrichtung vorgesehen. Bei diesem Verfahren wird der Projektor zur Erzeugung eines Lichtstrahlenbündels mit gewünschtem Anzeigeinhalt und eines entsprechenden realen Bilds auf dem Projektionsschirm angesteuert. Synchron mit dem auf dem Projektionsschirm erzeugten realen Bild werden die einzelnen Kontrastpixel der Kontrastpixel-Matrix in ihren lichtblockierenden Zustand in schwarz darzustellenden Bildbereichen und in ihren lichttransmittierenden Zustand in den übrigen Bildbereichen geschaltet. Dabei kann die Steuerung der Kontrastpixel mit sehr einfachen Algorithmen erfolgen, die beispielsweise im Wesentlichen ein Downsampling des hochaufgelösten Projektorbilds, das auf dem Projektionsschirm erzeugt wird, auf die gegebenenfalls niedrigere Auflösung der Kontrastpixel-Matrix und eine anschließende Binarisierung (schwarz/weiß) umfassen.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Blickfeldanzeigevorrichtung vorgesehen, die insbesondere zum Einsatz (d. h. Einbau) in einem Fahrzeug ausgelegt sein kann. Die Blickfeldanzeigevorrichtung umfasst neben der hierin vorgestellten Projektionseinheit auch eine Steuereinheit, die zur automatischen Durchführung des obigen Verfahrens ausgebildet und eingerichtet ist. Ferner umfasst sie die oben genannte Reflexionsscheibe. Insbesondere kann die Reflexionsscheibe direkt gegenüber der Kontrastpixel-Matrix und dem dahinter und/oder darunter liegenden Projektionsschirm angeordnet sein, mit Ausnahme etwaiger Abdeckungen der Projektionseinheit (beispielsweise in Form einer das Lichtstrahlenbündel durchlassenden Deckscheibe), die keine strahlformende, - umlenkende oder abbildende optische Wirkung auf das Lichtstrahlenbündel haben. Mit anderen Worten umfasst die Blickfeldanzeigevorrichtung bei dieser spezifischen Ausführungsform keine weiteren optischen Elemente wie Umlenk- oder Konkavspiegel oder Linsen etc. im Strahlengang des Lichtstrahlenbündels zwischen dem Kontrastelement und der Reflexionsscheibe. Etwaige Beschichtungen des Projektionsschirms, des Kontrastelements oder der Reflexionsscheibe mit optischer Funktionalität sind dabei jedoch weiterhin möglich. Mit dieser Ausführungsform lässt sich insbesondere eine in Höhenrichtung besonders kompakte Projektionseinheit implementieren, die sich deshalb insbesondere auch für eine großflächige virtuelle Darstellung wie eine panoramaartige Darstellung gut eignet.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist das oben genannte Fahrzeug vorgesehen. Die hierin verwendeten räumlichen Orientierungsbegriffe wie „darüber“, „darunter“, „dahinter“, „seitlich“, „horizontal“, „vertikal“ etc. beziehen sich in diesem Fall auf das übliche fahrzeugfeste kartesische Koordinatensystem mit zueinander senkrechten Längs-, Quer- und Höhenachsen des Fahrzeugs. Das Fahrzeug besitzt beispielsweise mindestens eine Fahrzeugscheibe, etwa eine Frontscheibe mit einer sich darunter erstreckenden Instrumententafel, und einen teilweise dadurch begrenzten Insassenraum. Es ist mit der obigen Blickfeldanzeigevorrichtung ausgestattet, deren Projektionseinheit beispielsweise direkt in oder unterhalb einer Oberseite der Instrumententafel verbaut sein kann, so dass das Lichtstrahlenbündel von der Projektionseinheit auf die Frontscheibe oder eine direkt im Blickfeld des Fahrers und/oder eines anderen Insassen angeordnete Combinerscheibe geworfen wird, die als oben genannte Reflexionsscheibe der Blickfeldanzeigevorrichtung dient. Die Blickfeldanzeigevorrichtung kann aber auch an jedem anderen geeigneten Einbauort im Fahrzeug integriert sein, wobei auch andere Fahrzeugscheiben oder im Insassenraum an anderen Stellen angeordnete Combinerscheiben als Reflexionsscheiben dienen können.

Insbesondere kann die Frontscheibe in Fahrzeugquerrichtung nach links und rechts jeweils von einer A-Säule des Fahrzeugs begrenzt sein und die Projektionseinheit und deren Projektionsschirm derart in oder unter der Oberseite der Instrumententafel angeordnet sein, dass die Frontscheibe zumindest mit einem Großteil ihrer Erstreckung in Fahrzeugquerrichtung als Reflexionsscheibe dient. Damit ist insbesondere eine panoramaartige virtuelle Darstellung für den Fahrer und/oder Beifahrer realisierbar.

Die obigen Aspekte der Erfindung und deren Ausführungsformen und spezifische Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand in den beigefügten Zeichnungen dargestellter Beispiele näher erläutert. Die Zeichnungen sind als rein schematische Illustrationen des grundsätzlichen optischen Aufbauprinzips, d. h. nicht als maßstabsgetreu, zu verstehen. Es zeigen:

Figur 1 einen Ausschnitt eines Fahrzeugs mit einer Blickfeldanzeigevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem vertikalen Längsschnitt;

Figur 2 eine vertikale Längsschnittansicht einer Ausgestaltungsvariante einer Projektionseinheit der Blickfeldanzeigevorrichtung der Fig. 1 , mit einer schematischen Darstellung der Strahlengänge des Umgebungslichts sowie des Nutz- und Streulichts aus dem Projektor; und

Figur 3 eine vertikale Längsschnittansicht einer weiteren Ausgestaltungsvariante der Projektionseinheit der Fig. 1 mit schematischer Darstellung der Strahlengänge des Umgebungslichts und des Nutz- und Streulichts aus dem Projektor.

Alle weiter oben in der Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen erwähnten verschiedenen Ausführungsformen, Alternativen und spezifischen Ausgestaltungsmerkmale der Projektionseinheit, des zugehörigen Betriebsverfahrens, der Blickfeldanzeigevorrichtung und des Fahrzeugs gemäß den obigen Aspekten der Erfindung können bei den in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Beispielen, insbesondere auch alternativ oder zusätzlich zu den darin gezeigten Merkmalen, implementiert sein. Sie werden daher nachfolgend nicht alle nochmals wiederholt. Das Gleiche gilt entsprechend für die weiter oben bereits angegebenen Begriffsdefinitionen und Wirkungen in Bezug auf einzelne Merkmale, die in den Fig. 1-3 gezeigt sind. Fig. 1 zeigt in einer stark vereinfachten vertikalen Längsschnittdarstellung einen Ausschnitt eines Fahrzeugs 1 mit einer Blickfeldanzeigevorrichtung 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die nachfolgend verwendeten räumlichen Orientierungsbegriffe wie „horizontal“, „vertikal“, „oberhalb“, „unterhalb“, „darunter“ etc. beziehen sich auf das übliche fahrzeugfeste kartesische Koordinatensystem mit zueinander senkrechten Längs-, Quer- und Höhenrichtungen des Fahrzeugs 1. Das Fahrzeug 1 ist in diesem Beispiel ein Kraftfahrzeug, das in Fig. 1 nur durch seine Frontscheibe 3 angedeutet ist, die als weiter oben genannte Reflexionsscheibe der Blickfeldanzeigevorrichtung 2 dient. Darunter ist in einer nicht extra eingezeichneten Instrumententafel eine Projektionseinheit 5 der Blickfeldanzeigevorrichtung 2 angeordnet.

Die Blickfeldanzeigevorrichtung 2 ist ausgebildet zur Erzeugung eines virtuellen Bilds V im Blickfeld mindestens eines Benutzers, der in Fig. 1 nur durch einen für seine Augen bestimmten Raumbereich (Eyebox) E im Insassenraum des Fahrzeugs 1 angedeutet ist. Der mindestens eine Benutzer kann beispielsweise ein Fahrer und/oder Beifahrer des Fahrzeugs 1 sein. Die Blickfeldanzeigevorrichtung 2 kann insbesondere zu einer panoramaartigen virtuellen Darstellung ausgelegt sein, indem die Frontscheibe 3 mit ihrer nahezu gesamten Erstreckung in Fahrzeugquerrichtung als Reflexionsscheibe der Blickfeldanzeigevorrichtung 2 dient. Es handelt sich rein beispielhaft um ein Head-up-Display (HUD).

Die Projektionseinheit 5 enthält einen projektorbasierten Bildgeber. Dieser umfasst einen Projektor 6, der zur Erzeugung eines Lichtstrahlenbündels L mit gewünschtem Anzeigeinhalt ausgebildet ist, und einen von diesem ausgeleuchteten Projektionsschirm 7 (auch Leinwand oder Screen genannt). Das Lichtstrahlenbündel L, das hierin auch „Projektorlicht“ genannt wird, ist in Fig. 1 durch seine Randstrahlen angedeutet, die seinen zur virtuellen Bilderzeugung benötigten Strahlquerschnitt begrenzen. In diesem Beispiel ist der Projektor 6 zur Erzeugung eines realen Bilds auf dem Projektionsschirm 7 in Reflexion ausgebildet und leuchtet ihn daher schräg von oben aus. Der Projektionsschirm 7 ist dabei zum Werfen des resultierenden, d. h. reflektierten Lichtstrahlenbündels L in vorbestimmter Form und Richtung auf die Frontscheibe 3 ausgelegt, um dem Benutzer das virtuelle Bild V mit gewünschten Darstellungseigenschaften jenseits der Frontscheibe 3 darzustellen.

Ferner umfasst die Projektionseinheit 5 eine in diesem Beispiel direkt auf dem Projektionsschirm 7 angeordnete polarisationsfilterbasierte Kontrastpixel-Matrix 8, die sich über den gesamten zur virtuellen Bilderzeugung benötigten Strahlquerschnitt des Lichtstrahlenbündels L erstreckt. Wie nachfolgend an einigen Beispielen mit Bezug auf Fig. 2 und 3 erläutert, lässt sich dadurch der Kontrast der realen Bilddarstellung auf dem Projektionsschirm 7 deutlich verbessern.

Fig. 2 und 3 zeigen jeweils in einer vertikalen Längsschnittansicht zwei verschiedene Ausgestaltungsvarianten der Projektionseinheit 5 der Fig. 1 . Wie eingangs erwähnt, wird im Stand der Technik der Kontrast des auf dem Projektionsschirm 7 durch Nutzlicht NS des Projektors 6 erzeugten realen Bilds durch zwei Störlichtlichtquellen reduziert: zum einen durch Streulicht LS aus dem Projektor 6 selbst und zum anderen durch Umgebungslicht 12 von Umgebungslichtquellen 11 , wie beispielsweise der Sonne oder künstlicher Beleuchtung im und außerhalb des Fahrzeugs 1. Fig. 2 und 3 zeigen zwei verschiedene Beispiele für den optischen Schichtaufbau der polarisationsfilterbasierten Kontrastpixel-Matrix 8, die zu einer teilweisen (als verdünnte Strahllinien angedeutet) oder sogar vollständigen (als durchgestrichene Strahllinien angedeutet) Unterdrückung des Streulichts LS und des Umgebungslichts 12 ansteuerbar ist, um den Kontrast zu verbessern. Der entsprechende Strahlengang des Nutzlichts NS, Streulichts LS und Umgebungslichts 12 ist jeweils nur schematisch angedeutet.

Fig. 2 zeigt eine polarisationsfilterbasierte Kontrastpixel-Matrix 8 mit nur einem linearen Polarisationsfilter 10, der projektionsschirmseitig positioniert ist, und einer Polarisationsdreh-Matrix 9 aus schaltbaren LC-Elementen, welche die Polarisationsrichtung von einfallendem linear polarisiertem Licht um einen vorbestimmten Winkel von bis zu 90° drehen können. Die Durchlassrichtung des Polarisationsfilters 10 ist so gewählt, dass sie entweder parallel oder senkrecht zur Polarisationsrichtung des Projektorlichts L liegt. Man kann nun über die Drehung der Polarisationsachse durch selektive Ansteuerung der LC- Elemente auswählen, in welchen Bereichen (lichtblockierend geschaltete LC- Elemente 9a) das Licht im Polarisationsfilter 10 absorbiert werden soll, und wo (lichtdurchlässig geschaltete LC-Elemente 9b) das Licht den Polarisationsfilter 10 passieren kann. Voraussetzung für eine bestmögliche Kontrastverbesserung bei dieser Ausführung ist natürlich, dass der Projektor 6 linear polarisiertes Licht emittiert, sodass Nutzlicht NS möglichst ungeschwächt die Kontrastpixel-Matrix 8 passieren kann.

Schaltet man die LC-Elemente im Einklang mit den Anzeigeinhalten (Durchlass, wo Bildinhalte angezeigt werden, Absorption, wo keine Bildinhalte sind), erreicht man dadurch eine deutliche Kontrastverbesserung. Man bringt im Endeffekt auf den Projektionsschirm 7 ein halbes LC-Display (bei dem der zweite Polarisationsfilter 20, vgl. Fig. 3, fehlt) auf, dessen einzige Funktion ist, das Streulicht LS aus dem Projektor 6 in Bildbereichen ohne Anzeige zu absorbieren. Die LC-Matrix hat hierbei keine Farbfilter, sondern weist nur weiße Pixel auf. Die Pixelgröße der LC-Matrix bzw. Kontrastpixelgröße ist im besten Fall (für den Kontrast) genau so groß, wie bei den auf dem Projektionsschirm 7 vom Projektor 6 dargestellten Bildpixeln. Da eine solche Kontrastpixelgröße jedoch eine extrem genaue Ausrichtung der Pixelraster des Projektors 6 und der LC-Matrix aneinander erfordert (denn bei einer Abweichung entstehen starke Moire-Effekte), ist es eine bessere Option, die LC-Pixel deutlich größer (x5-x15) als das Pixelraster des Projektors 6 zu wählen. Zusätzlich zur Reduktion oder vollständigen Beseitigung des Projektor-Streulichts LS lässt sich bei dieser Ausführungsform auch das unpolarisierte Umgebungslicht 12 und die dadurch bedingte Kontrastverschlechterung um ca. Faktor 2 reduzieren.

Alternativ kann in Fig. 2 ein einziger linearer Polarisationsfilter 20 projektorseitig auf die LC-Matrix aufgebracht sein (nicht dargestellt), d. h. wie Fig. 3, jedoch ohne projektionsschirmseitigen Polarisationsfilter 10. Der Polarisationsfilter 20 ist in diesem Fall so ausgerichtet, dass er die Polarisationsrichtung des Projektorlichts L transmittiert. So kann man einen Effekt ähnlich einem lokal schaltbaren Zirkularpolarisator erzielen: Mit schaltbaren LC-Elementen, die zu einer Drehung der Polarisationsrichtung um 45° ausgebildet sind, lässt sich nicht nur das Streulicht LS aus dem Projektor 6, sondern auch das Umgebungslicht 12 gezielt reduzieren oder ganz eliminieren. Anders als in Fig. 2 ist dieser Aufbau auch für eine Rücklichtprojektion geeignet, wenn die LC- Elemente zu einer Drehung der Polarisationsrichtung um 90° ausgelegt sind.

Die in Fig. 3 gezeigte weitere Variante der polarisationsfilterbasierten Kontrastpixel-Matrix 8 funktioniert analog zu Fig. 2, jedoch mit dem Unterschied, dass man hier sozusagen ein vollständiges LC-Display mit linearen Polarisationsfiltern 10 und 20 auf beiden Seiten der LC-Matrix 9 nutzt. Dies hat eine deutliche Kontrastverbesserung zur Folge, unabhängig von der Störlichtquelle (Projektor-Streulicht LS oder Umgebungslicht 12). Diese Ausführungsform hat gegenüber der Variante der Fig. 2 den Vorteil, dass sie auch mit Projektoren 6 funktioniert, welche unpolarisiertes Licht emittieren. Bei Projektoren 6, welche linear polarisiertes Licht emittieren, muss der projektorseitige Polarisationsfilter 20 wiederum parallel zur Polarisationsrichtung des einfallenden Projektorlichts L ausgerichtet sein. Diese Variante eignet sich auch für einen Auflicht-Projektor (nicht gezeigt).

Die Kontrastverbesserung lässt sich dabei durch die Wahl der Stärke der Polarisationsfilter 10 und 20 einstellen. Hierbei bringen schon recht schwache Polarisationsfilter 10 und 20 einen deutlichen Hub: beispielsweise würden Polarisationsfilter 10 und 20 mit 10% Transmission im gekreuzten Zustand zu einer Verbesserung des Kontrasts um Faktor 10 führen, was also reichen würde, um die eingangs erwähnten HUD-Kontrastanforderungen zu erfüllen. Bezugszeichenliste

1 Fahrzeug

2 Blickfeldanzeigevorrichtung

3 Frontscheibe

5 Projektionseinheit

6 Projektor

7 Projektionsschirm

8 polarisationsfilterbasierte Kontrastpixel-Matrix

9 Polarisationsdreh-Matrix, insbesondere LC-Matrix

9a lichtblockierend geschaltete Matrix-Elemente

9b auf Lichtdurchlass geschaltete Matrix-Elemente

10 erster, d. h. projektionsschirmseitiger linearer Polarisationsfilter

11 Umgebungslichtquelle

12 Umgebungslicht

20 zweiter, d. h. vom Projektionsschirm abgewandter linearer Polarisationsfilter

L Lichtstrahlenbündel, auch Projektorlicht genannt

LN Nutzlicht aus dem Projektor

LS Streulicht aus dem Projektor

E Eyebox

V virtuelles Bild

Claims

Ansprüche

1. Projektionseinheit (5) für eine Blickfeldanzeigevorrichtung (2), die zum Einblenden eines virtuellen Bilds (V) über Reflexion an einer im Blickfeld eines Benutzers angeordneten Reflexionsscheibe, insbesondere einer Fahrzeugscheibe (3), ausgebildet ist, umfassend: einen projektorbasierten Bildgeber mit einem Projektor (6) zur Erzeugung eines Lichtstrahlenbündels (L) mit gewünschtem Anzeigeinhalt und einem von diesem ausgeleuchteten Projektionsschirm (7), wobei der Projektor (6) zur Erzeugung eines realen Bilds auf dem Projektionsschirm (7) und der Projektionsschirm (7) zum Werfen des daraus resultierenden Lichtstrahlenbündels (L) in vorbestimmter Form und Richtung auf die Reflexionsscheibe ausgebildet sind; und eine im Strahlengang des gesamten vom Projektionsschirm (7) ausgehenden Lichtstrahlenbündels (L) angeordnete polarisationsfilterbasierte Kontrastpixel-Matrix (8), deren einzelne Kontrastpixel synchron mit dem auf dem Projektionsschirm (7) erzeugten realen Bild zwischen einem lichtblockierenden Zustand für schwarz darzustellende Bildbereiche und einem lichttransmittierenden Zustand für die übrigen Bildbereiche schaltbar sind.

2. Projektionseinheit (5) nach Anspruch 1 , wobei die Kontrastpixel-Matrix (8) direkt auf dem Projektionsschirm (7) im Strahlengang des vom Projektionsschirm (7) ausgehenden Lichtstrahlenbündels (L) angeordnet ist; und jeder ihrer Kontrastpixel sich mit jeder seiner linearen Abmessung über mehrere, vorzugsweise etwa zwei bis drei, Bildpixel des auf dem Projektionsschirm (7) erzeugbaren realen Bilds erstreckt.

3. Projektionseinheit (5) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Projektionsschirm (7) zum Reflektieren des Lichtstrahlenbündels (L) in Richtung der Reflexionsscheibe ausgebildet ist; und die Kontrastpixel-Matrix (8) im Strahlengang des gesamten vom Projektionsschirm (7) reflektierten Lichtstrahlenbündels (L), insbesondere direkt auf dem Projektionsschirm (7), angeordnet ist.

4. Projektionseinheit (5) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Projektor (6) zum rückseitigen Ausleuchten des Projektionsschirms (7) und der Projektionsschirm (7) zum Transmittieren des Lichtstrahlenbündels (L) in Richtung der Reflexionsscheibe angeordnet und ausgebildet sind; und die Kontrastpixel-Matrix (8) im Strahlengang des gesamten von dem Projektionsschirm (7) transmittierten Lichtstrahlenbündels (L), insbesondere direkt auf dem Projektionsschirm (7), angeordnet ist.

5. Projektionseinheit (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die polarisationsfilterbasierte Kontrastpixel-Matrix (8) folgende Schichten umfasst: einen ersten linearen Polarisationsfilter (10) auf einer dem Projektionsschirm (7) zugewandten Matrixoberfläche und/oder einen zweiten linearen Polarisationsfilter (20) auf einer von dem Projektionsschirm (7) abgewandten Matrixoberfläche; und eine zweidimensionale Polarisationsdreh-Matrix (9), deren Matrixelemente (9a, 9b) in Zusammenwirkung mit dem ersten und/oder dem zweiten linearen Polarisationsfilter (10, 20) die Kontrastpixel bilden und hierzu jeweils zwischen einem um einen vorbestimmten Winkel polarisationsdrehenden Zustand und einem nicht polarisationsdrehenden Zustand schaltbar sind.

6. Projektionseinheit (5) nach Anspruch 5 in Verbindung mit Anspruch 3, wobei der Projektor (6) zum Erzeugen des Lichtstrahlenbündels (L) mit einer vorbestimmten Linearpolarisation ausgebildet ist; der Projektionsschirm (7) zu einer polarisationserhaltenden Reflexion des Lichtstrahlenbündels (L) ausgebildet ist; und die Kontrastpixel-Matrix (8) nur den ersten linearen Polarisationsfilter (10) aufweist, dessen Durchlassrichtung mit der Polarisationsrichtung des Lichtstrahlenbündels (L) zusammenfällt oder um den vorbestimmten Winkel der Polarisationsdreh-Matrix von vorzugsweise etwa 90° dazu verdreht ist; oder die Kontrastpixel-Matrix (8) nur den zweiten linearen Polarisationsfilter (20) aufweist, dessen Durchlassrichtung mit der Polarisationsrichtung des Lichtstrahlenbündels (L) zusammenfällt, und der vorbestimmte Winkel der Polarisationsdreh-Matrix (9) etwa 45° beträgt.

7. Projektionseinheit (5) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Polarisationsdreh-Matrix (9) als eine LC-Matrix ausgebildet ist.

8. Verfahren zum Betreiben einer Projektionseinheit (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Projektor (6) zur Erzeugung eines Lichtstrahlenbündels (L) mit gewünschtem Anzeigeinhalt und eines entsprechenden realen Bilds auf dem Projektionsschirm (7) angesteuert wird; und die einzelnen Kontrastpixel der Kontrastpixel-Matrix (8) synchron mit dem auf dem Projektionsschirm (7) erzeugten realen Bild in einen lichtblockierenden Zustand in schwarz darzustellenden Bildbereichen und einen lichttransmittierenden Zustand in den übrigen Bildbereichen geschaltet werden.

9. Blickfeldanzeigevorrichtung (2), insbesondere zum Einsatz in einem Fahrzeug (1 ), umfassend: eine Projektionseinheit (5) nach einem der Ansprüche 1-7; eine im Strahlengang des von der Projektionseinheit (5) ausgegebenen Lichtstrahlenbündels (L) angeordnete, benutzerseitig reflektierende und für das rückseitig einfallende Umgebungslicht vorzugsweise zumindest teilweise transparente Reflexionsscheibe, insbesondere eine Fahrzeugscheibe (3) oder eine extra vorgesehene Combinerscheibe; eine Steuereinheit, die zur automatischen Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8 ausgebildet und eingerichtet ist; wobei die Reflexionsscheibe derart im Blickfeld des Benutzers angeordnet und ausgebildet ist, dass sie das Lichtstrahlenbündel (L) zu einer für Benutzeraugen vorbestimmten Eyebox (E) reflektiert, wodurch ihm der Anzeigeinhalt in Form eines virtuellen Bilds (V) jenseits der Reflexionsscheibe darstellbar ist.

10. Fahrzeug (1 ), insbesondere ein Kraftfahrzeug, umfassend: eine Fahrzeugscheibe, insbesondere eine Frontscheibe (3), und einen teilweise von dieser begrenzten Insassenraum; sowie eine Blickfeldanzeigevorrichtung (2) nach Anspruch 9, deren Reflexionsscheibe als Teil der Fahrzeugscheibe oder als eine im Insassenraum angeordnete Combinerscheibe ausgebildet ist.