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Die Entwicklung eines Mehrfachanzeigen-Beobachtungssystems,
manchmal als "Heads-Up Display" (HUD) (Über-Kopf-Anzeige)
bezeichnet, ist relativ neu und hat wahrscheinlich ihren
Ursprung auf dem Gebiet von Militärflugzeugen. Beim Betrieb
eines sehr schnellen Luftfahrzeugs, das sich mit
Überschallgeschwindigkeit bewegt, und insbesondere eines für
Kampfmanöver ausgelegten Luftfahrzeugs, ist es für den Piloten äußerst
gefährlich, seine Aufmerksamkeit von einem vor dem
Luftfahrzeug liegenden Punkt abzuwenden, um Rundskalen, Tastenknöpfe,
Meßgeräte, Instrumente, Anzeigen, usw. auf dem
"Armaturenbrett" oder der Instrumentenkonsole abzulesen, die zwar vor
ihm, jedoch unterhalb seiner normalen Sichtlinie positioniert
ist.
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In letzter Zeit trat das gleiche Problem auf dem Gebiet des
Betreibens von sehr schnellen Kraftfahrzeugen auf und wurde
als Aspekt eines Sicherheitsfaktors in dem normalen Betrieb
von zivilen Kraftfahrzeugen umgesetzt.
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In jedem Kontext ist es jedoch das Sicherheitsmerkmal, das
wichtig ist, da ein HUD es dem Bediener des Fahrzeugs
ermöglicht, kritische Instrumenten-Anzelgen, wie beispielsweise
Geschwindigkeit, Kraftstoffverbrauch, Öldruck, usw. direkt auf
seiner Sichtlinie zu sehen, ohne daß er dazu seine Augen von
dem Bereich abwenden muß, der vor dem sich bewegenden Fahrzeug
liegt.
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Aus JP-A-60-88 925 ist eine durchsichtige, lamellenartige
Platte bekannt, die auf die Innenfläche einer
Windschutzscheibe aufgeklebt ist. Das reflektierte Bild, das im Sichtfeld des
Fahrers erscheint, ergibt sich, wenn das Licht auf die
Lamellen fällt und in das Sichtfeld des Fahrers reflektiert wird.
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Es sollte daher leicht zu erkennen sein, daß, falls der Fahrer
oder die Fahrerin den Kopf aus dem engen, durch diese
Vorrichtung bereitgestellten sichtkegelbereich bewegt, sie das
Bild nicht mehr sehen können, das von den Lamellen reflektiert
wird. Im Gegensatz dazu ist die vorliegende Erfindung fähig,
ein Bild bereitzustellen, das von jeder Position im Fahrzeug
und nicht nur allein vom Fahrersitz aus gesehen werden kann.
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Aus EP-A-216 692 ist eine Heads-Up Display bekannt, die mit
Hologrammtechnik arbeitet, um ein Bild zu projizieren.
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Das Licht muß in einem bestimmten Winkel auf die
Windschutzscheibe projiziert werden, um ein Bild bereitzustellen, das im
Sichtfeld eines Benutzers sichtbar ist. Der Einsatz von
holographischen Anzeigen ist jedoch nicht immer wünschenswert. So
kann beispielsweise in Kraftfahrzeugen die holographische
Anzeige nur innerhalb eines sehr engen Sichtkegelbereichs
gesehen werden.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
eines Instrumenten-Anzeigegerätes das zur "Beobachtung von
Mehrfachanzeigen" dient, und das in Verbindung mit
Umgebungslicht und Wetterbedingungn entweder manuell oder automatisch
direkt gesteuert werden kann, um eine "Beobachtung von
Mehrfachanzeigen" bereitzustellen, die klar und deutlich ist.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die
Bereitstellung eines "Mehrfachanzeigen-Beobachtungssystems", das
"anwendungsfreundlich" ist, d.h. das sich der bestehenden
Fahrzeugkonstruktion anpaßt und keinen zusätzlichen Raum oder
eine zusätzliche Konstruktion benötigt, um es in das Fahrzeug
zu integrieren.
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Ein weiteres Ziel ist die Bereitstellung eines
"geisterbildfreien" HUD-Systems.
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Ein weiters Ziel ist die Bereitstellung eines HUD-Systems, das
sekundäre rote/orangefarbene Lichtwellen absorbiert oder
"abblockt", die ansonsten ein "Geisterbild" erzeugen könnten.
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Ein zusätzliches Ziel ist die Bereitstellung eines Verfahrens
und eines Gerätes, das vom Neigungswinkel oder der
Schrägstellung der Windschutzscheibe unabhängig ist und das des
weiteren vorteilhafte Ergebnisse bei der Bereitstellung einer
Scheibe gegen externe Störungsfaktoren bereitstellt, wie
beispielsweise grelles Sonnenlicht, die hellen Lichter
entgegenkommender Fahrzeuge, usw.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese Ziele durch das
in Anspruch 1 beschriebene Instrumenten-Anzeigegerät erreicht.
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Bevorzugte Ausführungsformen des Instrumenten-Anzeigegeräts
der vorliegenden Erfindung sind in den Ansprüchen 2 und 3
beschrieben.
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der begleitenden
Zeichnungen beschrieben.
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Fig. 1 ist eine schematische seitliche Aufrißdarstellung des
Bedienungsteils eines Fahrzeugs, das zeigt, wie der Bediener
sowohl die externe Umgebung als auch die Reflexionen der vor
ihm im Fahrzeug positionierten Anzeigen sehen kann.
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Fig. 2 ist eine stark vergrößerte Diagrammdarstellung des
Effekts der "Mehrfachbrechung" oder des "Geisterbilds" des
reflektierten Bildes, der durch die vorliegende Erfindung
vermieden werden kann.
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Fig. 3 ist eine schematische Vorderansicht einer
Windschutzscheibe, auf welcher der Film der vorliegenden Erfindung
aufgebracht ist.
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Fig. 4 ist eine Darstellung einer tragbaren
Vorführungseinrichtung der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 5 ist eine der Fig. 2 ähnliche Ansicht und zeigt den
verstärkenden Film zwischen zwei Glasschichten.
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Fig. 6 ist eine graphische Darstellung der
lichtwellenabsorbierenden Eigenschaften des verstärkenden Films.
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Fig. 7 ist eine Skizze, die das Erscheinungsbild des
verstärkenden Films auf der Windschutzscheibe vom Inneren des
Fahrzeugs aus zeigt.
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In Fig. 1 ist in Position 10 eine Frontscheibe, eine
Windschutzscheibe, ein Fenster, ein Beobachtungsfenster oder
irgend eine Scheibe gezeigt, durch die eine Umgebung
betrachtet wird, wie beispielsweise durch die Frontscheibe eines
Kraftfahrzeugs, die Windschutzscheibe eines Luftfahrzeugs,
usw. Sie kann aus Glas, Kunststoff, Polycarbonat, Acryl,
Kristall, einem Mineral oder irgend einem anderen
durchsichtigen, getönten oder neutralen Material bestehen. Obwohl ein
hauptsächlicher Anwendungsbereich bei den Frontscheiben oder
Windschutzscheiben von Kraft- oder Luftfahrzeugen liegen
würde, kann der Einsatz gleichfalls bei Seiten- oder
Rückfenstern, oder bei anderen Kraftfahrzeugen, wie beispielsweise
Motorrädern erfolgen, ebenso ist die Verwendung in Verbindung
mit Bankschalter-Kabinen, Steuerkabinen, Fahrkartenschaltern,
usw. möglich.
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Ein dünner transparenter Film 12 ist eine Schicht, die aus
irgend einem durchsichtigen Kunststoff, Glas, Mineral oder
einer anderen Beschichtung bestehen kann, einschließlich einer
solchen mit metallischen Zusätzen, die in geschmolzener Form,
als Lösung, als Abroll-Haftfilm oder mit anderen
Aufbringungseinrichtungen direkt auf die Innenfläche der Windschutzscheibe
10 oder als Zwischenschicht zwischen die beiden Glasschichten
von Sicherheitsglas aufgebracht werden. Sie ist
kennzeichnenderweise
nicht in dem Raum zwischen dem Beobachter 11 und der
Windschutzscheibe 10 angeordnet.
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Der Film 12 kann eine Kombination aus beliebigen Absorptions-,
Reflexions-, Refraktions-, Diffraktions-, Interferenz- oder
Polarisierungs-Einrichtungen enthalten, die eine primäre
Reflexion ermöglichen, die stärker als jede sekundäre
Reflexion oder stärker als jedes gegen die Windschutzscheibe 10
projizierte Bild ist. Daher ist die externe Einwirkung auf die
Windschutzscheibe nicht ausreichend oder wesentlich genug, um
ein gegen den Film 12 projiziertes Bild abzuschwächen.
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Ein Gegenstand, der vom Film 12 auf die Innenseite der
Windschutzscheibe 10 reflektiert werden soll, um ein
"Heads-up"-Bild zu erzeugen, kann aus jedem Meßinstrument,
jeder Rundskala, jeder Bildröhre, jedem Schalter, jeder Taste,
jeder Anzeige, usw. bestehen, die eine Ebene, einen Zustand
oder eine Bedingung aufzeigt, die vom Bediener 11 zu
beobachten ist. Beispiele für derartige Anzeigen sind
Geschwindigkeitsmesser, Drehzahlmesser, Temperaturmeßanzeigen1 Druck-,
Spannungs- oder Stromanzeigen, Luftgeschwindigkeitsmesser,
Kompaßeinrichtungen, Höhenanzeigen,
Kraftstoff-Füllstandsanzeigen, Funkfrequenzanzeigen, Volumen-Füllstandsanzeigen und
Zustandsleuchten für Umgebungskontrolle, Störungen, usw.
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Diese Anzeige ist an Position 14 in Fig. 1 dargestellt und
kann durch beliebige Rück-, Seiten- oder Frontbeleuchtung 13
ergänzt werden, um das reflektierte Umgebungslicht zu
verstärken. Diese Beleuchtung 13 kann durch Glühlampen, mit
Fluoreszenz (z. B. Natrium- oder Quecksilberdämpfe), mit
Elektrolumineszenz, durch Leuchtdioden (LED), Laser, usw.
erfolgen und entweder vor oder hinter der Anzeige 14
positioniert sein.
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Die Intensität der zusätzlichen Beleuchtung kann manuell über
einen Regelwiderstand oder ein Potentiometer und automatisch
über einen Sensor gesteuert werden, der die äußeren
Bedingungen
erfaßt und die zusätzliche Beleuchtung 13 erhöht oder
reduziert, wenn die externe Beleuchtung, wie beispielsweise
Sonnenlicht, Scheinwerfer, usw. einen Ausgleich erfordern.
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Ein Armaturenbrett 15 ist dargestellt, das aus einer
Steuerkonsole, einem instrumentenbrett oder einem Rahmen bestehen
kann, der die Leuchtanzeigen 14 und die Beleuchtung 13
aufnimmt. Dabei kann es sich um die gleiche Armaturenanordnung
handeln, wie sie ursprünglich konstruiert war, um dem
Beobachter Anzeigen direkt anzuzeigen, sie kann aber auch zusätzlich
dazu vorhanden sein oder in elektronischer oder anderer Weise
bereitgestellt sein, um Anzeigewerte völlig unabhängig von den
am Armaturenbrett erscheinenden Anzeigen auf dem verstärkenden
Film anzuzeigen.
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Eine Reflexion von den Anzeigen 14, die in der Sichtlinie des
Beobachters erscheint, wird auf der Innenseite der
Windschutzscheibe in einer Position gegen den Film 12 projiziert, in der
die sichtlinie des Beobachters sich nicht merklich verschieben
muß, wenn er die für die "Heads-Up"-Anzeige ausgewählten
Anzeigen abliest, während er gleichzeitig nach vorne vor das
Kraftfahrzeug auf die Umgebung um das Fahrzeug blickt.
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Daher kann die Fläche des Films 12, wie in Fig. 3 gezeigt,
viel kleiner als die Gesamtfläche der Windschutzscheibe sein,
muß aber in einer Position angeordnet sein, die den
Normbereich abdeckt, durch den der Bediener beim Vorwärtsfahren die
vor dem Kraftfahrzeug liegende Umgebung sieht. Die Entfernung
16 vom linken Rand der Windschutzscheibe zur im allgemeinen
zentralen Fläche der verstärkten Zone kann die
standardentfernung für einen Fahrer in einem Kraftfahrzeug sein, in dem das
Lenkrad sich auf der linken Seite des Autos befindet.
Verständlicherweise würde dies in denjenigen Ländern, in denen
sich das Lenkrad auf der rechten Seite des Wagens befindet,
umgekehrt sein. Er kann auch auf der rechten Seite der
Windschutzscheibe nochmals vorhanden sein, wie im Falle von
Luftfahrzeugen, wo sowohl der Pilot als auch der Co-Pilot von
dieser Erfindung profitieren können. Des weiteren kann,
obwohl dies kostspieliger ist, die gesamte Windschutzscheibe
10 mit dem Film 12 versehen werden, so daß deren gesamte
Fläche vom Film bedeckt ist.
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Obwohl in der Darstellung ein Mensch 11 als Beobachter oder
Bediener von Fahrzeugen mit der vorliegenden Erfindung gewählt
wurde, der seine eigene Sehkraft zur Erfassung der Anzeige auf
der Windschutzscheibe benutzt, muß verstanden werden, daß auch
jede entfernte Einrichtung zur Aufzeichnung oder Übermittlung
von Informationen, wie beispielsweise eine Kamera, ein
Videorecorder, eine Fernsehkamera, usw. in der Position der in Fig.
1 dargestellten Person 11 angeordnet werden kann. Dies ist
insbesonders entscheidend für die Bedienung von unbemannten
Luft- oder Kraftfahrzeugen, in denen keine menschliche
Bedienungsperson vorhanden ist, sondern die ferngesteuert werden.
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In Fig. 1 ist an Position 18 des weiteren gezeigt, wie Licht
aus der Umgebung von außerhalb des Kraftfahrzeugs aufgrund von
Reflexion, Refraktion, Diffusion oder direkter Beleuchtung
durch die Windschutzscheibe 10 auf die Anzeigen 14 als auch
auf den Beobachter 11 einfallen kann. Dieses Umgebungslicht
bestimmt die Intensität, die für die zusätzliche
Innenbeleuchtung 13 erforderlich ist, um ein klar erkennbares Bild auf dem
Film 12 zu erzeugen.
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Alle vorgenannten Faktoren stellen die Anzeige 14 der
Gegenstände und Instrumente oder Rundskalen usw. auf dem Film 12
bereit, der die Innenfläche der aus Windschutzscheibe 10 und
Film 12 bestehenden Kombination sein kann, wobei dennoch eine
klare und ungehinderte Sicht auf die Umgebung 19 in der
direkten Sichtlinie des Bedieners oder Betrachters 11 ermöglicht
wird.
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Fig. 2 zeigt die "Mehrfachbrechung" oder den "Geisterbild-
Effekt", der auftreten kann, wenn ein Bild oder ein
Lichtstrahl
durch das Verbundglas oder die beschichtete Glasscheibe
hindurchgeführt wird.
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Das primäre und erwünschte Bild 16a wird von der dem
Beobachter nächstliegenden Oberfläche reflektiert (in diesem Fall die
Schnittstelle zwischen der Luft und dem Film, der auf die
Innenfläche der Windschutzscheibe aufgebracht ist). Eine
Reflexion aus der infiniten Anzahl von sekundären Reflexionen,
die in einem solchen System auftreten können, ist in Position
16f als "Geisterbild" oder Lichtpfad dargestellt, der aufgrund
einer Kombination seiner Intensität und der virtuellen
Trennung von 16a äußerst störend ist. Andere sekundäre Lichtpfade
sind entweder so schwach oder so nahe an 16a gelegen, daß sie
nicht erfaßbar oder davon nicht unterscheidbar sind.
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Der primäre Zweck des Films 12 ist die Verstärkung der
primären Reflexion 16a und die Minimierung der sekundären Reflexion
16f bis zu einem Punkt, an dem sie nicht mehr erkennbar ist
und das "Geisterbild" eliminiert wird und nur noch ein Bild
vom Beobachter 11 wahrgenommen wird.
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Zur Eliminierung oder materiellen Reduzierung der sekundären
Reflexion 16f enthält der Film 12 orangefarbene/rote
"Abblokker", so daß die Lichtwelle beim Passieren durch den Film, wie
bei 16b, im wesentlichen vom Film 12 absorbiert wird, und
daher alle anderen Wellen, die hindurchgehen, wie bei 16c, und
von der Außenfläche des Glases entlang Pfad 16d reflektiert
werden, weiterhin beim Passieren durch den Film bei 16e
absorbiert werden und damit für das Auge des Beobachters 11
entlang des Pfades 16f keine Lichtwellen reflektiert werden.
Wenn dennoch irgendwelche Lichtwellen diesen Übergang
erfolgreich passieren, sind sie praktisch nicht erkennbar und es
wird daher kein "Geisterbild" erzeugt.
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Fig. 4 stellt eine Form einer tragbaren Einrichtung 30 dar,
die das Prinzip der vorliegenden Erfindung demonstriert. Diese
Einrichtung ist etwa 60 cm (24") lang, 30 cm (12") breit und
45 cm (18") hoch und besteht aus einem Stück
Sicherheits-Verbundglas 31 mit aufgebrachtem Film 32, das in einem
Kastenrahmen 35 in einem Neigungswinkel gehalten wird, der dem einer
Kraftfahrzeug-Windschutzscheibe mit darunterliegendem
Armaturenbrett annähernd entspricht. Vom Kastenrahmen 35 wird des
weiteren die Vorderseite eines Geschwindigkeitsmessers (nicht
dargestellt) gehalten, die das Bild 36 der "Heads-Up Display"
entlang der Linie 16 projiziert, das dann vom Film 32 entlang
des Pfades 16a auf den Beobachter 11 reflektiert wird. Die
Innenbeleuchtung wird von den beiden Quarz-Halogenbirnen
geliefert (ebenfalls nicht dargestellt). Die Energie für die
zusätzliche Beleuchtung wird geliefert, wenn der Ein-/Aus-
Schalter 34 betätigt wird. Ein Regelwiderstand 33 ermöglicht
die manuelle Intensitätssteuerung für die Anpassung an die
Hintergrundsbeleuchtung und den Kontrast in der Umgebung. Die
Windschutzscheibe 31 und der Film 32 können durch Aufschrauben
der Klammern und Halterungen 37 aus der Halterung 35 entfernt
werden.
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Der Film 12 der vorliegenden Erfindung kann aus einer dünnen,
getönten Kunststoff-Folie (mit Haftmitteln befestigt)
bestehen, die nicht geprägt, geätzt oder mit einem Muster bedruckt
ist. Er kann jedoch jede Form aufweisen, die der vorher in
dieser Spezifikation gegebenen Beschreibung für den
Verstärkungsfilm entspricht.
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Es ist besonders entscheidend, daß keine Schatten- oder
"Geisterbild"-Effekte erzeugt werden, und daß das Bild also völlig
korrekt, klar und unversehrt ist.
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In der vorliegenden Erfindung besteht ein Aspekt, in dem sich
die Struktur von früheren Offenlegungen unterscheidet (wie
beispielsweise in der Offenlegung im Tustison US-Patent
4,794,053), darin, daß der verstärkende Film 12 ein
spezifischer "Abblocker" oder eine Absorptionsvorrichtung für
bestimmte optische Wellenlängen ist und insbesondere eine
Absorptionsvorrichtung für die orangefarbenen/roten Lichtwellen.
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Wenn andere Farben abgeblockt werden sollen, werden die
Wellenlängen des projizierten Lichts 16 an die
Absorptionsbandbreite des Films 12 angepaßt. Dieser Film 12 kann, wie vorher
erläutert, entweder an der Innenfläche (Bedienerseite) der
Windschutzscheibe 10 oder im Verbund zwischen zwei getrennten
Schichten der Windschutzscheibe 10 plaziert werden, so daß er
sich zwischen der inneren und der äußeren Oberfläche der
Windschutzscheibe 10 befindet. obwohl er auf der Außenseite
plaziert werden könnte, wäre dies nicht wünschenswert, da er
durch Sand, Schmutz, Öl, Schnee, usw. aufgerauht würde, die
auf die Außenseite der Windschutzscheibe 10 beim
Vorwärtsfahren des Kraftfahrzeugs aufprallen.
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Der wünschenswerteste Platz befindet sich innerhalb der
Windschutzscheibe 10, da selbst auf deren Innenseite die
Möglichkeit besteht, daß der verstärkende Film beim Reinigen der
Windschutzscheibe 10 aufgerauht wird.
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Daher zeigt Fig. 5 einen Querschnitt durch die
Windschutzscheibe, wobei der verstärkende Film 12 sich zwischen der
inneren und der äußeren Oberfläche befindet. Dies zeigt, wie
das reflektierte rote/orangefarbene Bild 16a vom Fahrer
gesehen wird, es wird jedoch jedes Licht, das durch die innere
verbundschicht 16-1 passiert bei 16b vom Film 12 absorbiert
und daher wird jedes weitere Bild (sofern vorhanden), das
durch die äußere Verbundschicht bei 16c passiert und von deren
Oberfläche entlang Pfad 16d reflektiert wird, weiterhin und
nochmals vom roten/orangefarbenen "Abblocker"-Film bei 16e
absorbiert. Jedes Licht, das durch die innere Verbundschicht
bei 16f-1 entlang Linie 16f in Richtung auf den Beobachter 11
passiert, ist entweder so gering, daß es kein "Geisterbild"
mehr erzeugen kann oder praktisch nicht erkennbar ist.
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Der spezifische Vorteil dabei ist, daß jedes Entstehen eines
"Geisterbilds" verhindert wird.
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Die Eliminierung des "Geisterbilds" ist besonders entscheidend
in den Kraftfahrzeugen neueren Typs, bei denen eine
Schrägstellung der Windschutzscheibe 10 von 28º (d.h. der Winkel
zwischen der Neigung der Windschutzscheibe 10 und der
Sichtlinie 16a des Fahrers 11) ziemlich groß ist und zu einer
Überhöhung oder Verstärkung des Problems mit "Geisterbildern"
tendiert.
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Diese Anordnung des Films 12 und die Verwendung von
orangefarbenen/roten "Abblockern" ist ebenfalls in Fig. 6 gezeigt,
die graphisch darstellt, daß 80% und mehr der
orangefarbenen/roten Wellen vom verstärkenden Film beim ersten Durchgang
sowie beim reflektierten Durchgang durch den Film 12
absorbiert werden.
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Fig. 7 zeigt des weiteren die Position des Films 12 in der
Windschutzscheibe, wobei ein kleines Feld 100 in der
Sichtlinie des Fahrers 11 erscheint, während er durch die
Windschutzscheibe 10 auf die vor ihm liegende Straße blickt. Der
Neigungswinkel der Kühlerhaube 101 des Kraftfahrzeugs
erfordert, daß der Film 12 in der Windschutzscheibe hoch genug
positioniert werden muß, so daß die Sichtlinie des Fahrers
durch den Film 12 über die Oberfläche der Kühlerhaube hinweg
und darüber hinaus auf die straße führt.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 7 ist ebenfalls ersichtlich, daß der
Film 12 sich nicht deutlich bis zum oberen Rand 102 der
Windschutzscheibe 10 hin ausdehnen muß, ebenso wenig wie sehr weit
zur rechten oder linken Seite hin, da der Benutzer 11 des
Kraftfahrzeugs beim Fahren mit üblicher straßengeschwindigkeit
geradeaus blickt und nicht nach rechts oder links, wenn er
wissen möchte, welche wichtigen Informationen auf den Film
projiziert werden.
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Der verstärkende Film muß jedoch groß genug sein, um die
Sichtlinie einer kleineren Person im Fahrersitz aufnehmen zu
können, (wobei deren Größe die Position des unteren Endes des
Films bestimmt), sowie die einer großen Person im Fahrersitz,
(wobei deren Größe die Position des oberen Endes des
verstärkenden Films bestimmt).