DE69009569T2 - Blickrichtungsanzeige für Kraftfahrzeuge. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine projizierte Frontscheibenanzeige, auch Headup-Display genannt, für ein Fahrzeug, das eine Bildquelle zur Erzeugung einer abbildenden Beleuchtung aufweist, Mittel, um die durch die Bildquelle zur Verfügung gestellte abbildende Beleuchtung auf die Windschutzscheibe zu richten, wobei die Mittel einen asphärischen Spiegel zur Reflexion der abbildenden Beleuchtung umfassen, und einen Kombinator umfassen, der einen Teil der Windschutzscheibe einschließt, um die darauf gerichtete abbildende Beleuchtung teilweise zu reflektieren, um ein virtuelles Bild der Bildquelle zu erzeugen, das für die Bedienungsperson des Fahrzeuges sichtbar ist.
• Die Information von Fahrzeuginstrumenten wird herkömmlicherweise auf einer Instrumententafel des Fahrzeugs unterhalb der Windschutzscheibe angezeigt, was es erforderlich macht, daß der Fahrer oder die Fahrerin seine oder ihre Augen von der Beoachtung des äußeren Landschaftsbildes auf die Beobachtung der Instrumententafel lenkt, um z. B. das Fahrzeug oder den Status von Warnlichtern zu überprüfen. Eine solche Abwendung erfordert eine Verschiebung des Sichtfeldes als auch eine Refokussierung und kann der Grund für ein fehlendes Erfassen einer sich verändernden äußeren Landschaft sein.
• Unter Berücksichtigung der Notwendigkeit, Instrumentenablesungen zur Verfügung zu stellen, die innerhalb des Sichtfeldes einen Piloten liegen, der die äußere Landschaft beobachtet, wurden in militärischen Flugzeugen Headup-Displays verwendet, um Instrumentierungen und andere Ablesemöglichkeiten zu schaffen. Jedoch sind solche Headup-Display-Anzeigen komplex und teuer und weisen Fähigkeiten auf, die bei Automobilen oder ähnlichen Fahrzeugen nicht notwendig sind.
• Die WO-89/03059 offenbart ein Headup-Display-System, umfassend eine Kraftfahrzeug-Windschutzscheibe, deren innere und äußere Oberfläche Quelleninformation reflektiert, die von Licht getragen wird, das aus einer Informationsquelle kommt, wie etwa aus einer Flüssigkristall-Anzeige. Ein Projektionslinsen-System, das zwischen der inneren Oberfläche der Windschutzscheibe und der Informationsquelle angeordnet ist, erzeugt optische Lichtabbildungseigenschaften, um die optischen Einflüsse, die durch die nicht-ebene Windschutzscheibenoberfläche hervorgerufen sind, zu kompensieren. Das Projektionslinsen-System umfaßt ein asphärisches Linsenelement, das auf eine spezielle asphärische Windschutzscheibenform und andere Elemente abgestimmt ist, die für eine große Anzahl von unterschiedlichen Windschutzscheibenformen gemeinsam sind. Die veftikale Lage des virtuellen Bildes kann verschoben werden, indem die Lage der Anzeigequelle verändert wird.
• Die US-A 4 806 904 offenbart eine andere Headup-Display- Anzeige, die eine vertikale Verschiebung des virtuellen Bildes ermöglicht. Das bekannte Headup-Display verwendet einen lichtaussendenden Anzeigekörper, der in der Instrumententafel angeordnet ist, sowie einen reflektierenden Spiegel, der das angezeigte Licht von dem lichtaussendenden Anzeigekörper auf einen Reflexionsbereich reflektiert. Der lichtaussendende Körper und der reflektierende Spiegel sind in einem Gehäuse eingeschlossen, das durch ein Verbindungsglied mit dem Steuerrad verbunden ist, so daß das Gehäuse im Fahrzeug vorwärts und rückwärts geschoben wird, wobei einer Neigung des Lenkrades nach oben oder unten gefolgt wird.
• Ein weiteres Headup-Display ist durch die WO 89/02611 bekannt geworden. Das bekannte Headup-Display verwendet einen asphärischen Spiegel, der optimiert ist, um Abbarationen zu minimieren und um eine vertikale Disparität und Feldkrümmung des angezeigten Bildes zu reduzieren. Die Bildquelle ist vorverzerrt, um Verzerrungen in der außer-achsigen Konfiguration zu kompensieren. Umgebungsreflexionen werden reduziert und durch den gekrümmten und geneigten Glasschirm und durch eine schwarze Flächenlicht-Falle kontrolliert.
• Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Headup-Display für Fahrzeuge zur Verfügung zu stellen, die ein virtuelles Bild erzeugt, das für eine Bedienungsperson ohne eine Abwendung von der Sicht auf die äußere Landschaft sichtbar ist und das vertikal eingestellt werden kann, um eine Anpassung an unterschiedliche Größen einer Bedienungsperson vorzunehmen.
• Gemäß der gegenwärtigen Erfindung wird diese Aufgabe durch Verwendung eines in der Neigung justierbaren asphärischen Spiegels erreicht, um eine Abstimmung auf die vertikale Lage des Kopfes der Bedienungsperson des Fahrzeugs zu ermöglichen.
• Dieses besondere Design erlaubt die Verwendung einer kleinen Spiegelanzeige in Verbindung mit einem kleinen bilderzeugenden Beleuchtungspaket.
• Die Vorteile und Merkmale der gegenwärtigen Erfindung werden für die Fachleute durch die folgende ausführliche Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung deutlich, worin:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung der Hauptkomponenten des offenbarten Kraftfahrzeug-Headup-Display-Systems ist, und Fig. 2 eine schematische Explosionsansicht der bilderzeugenden Beleuchtung des Headup-Display-Systems gemäß Fig. 1 ist.
• In der folgenden ausführlichen Beschreibung und in den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
• Es sei nun Bezug auf Fig. 1 genommen, in der ein System eines Kraftfahrzeuginstrumenten-Headup-Displays dargestellt ist, das eine bilderzeugende Beleuchtungsquelle 20 und ein Kombinatorelement 11 umfaßt, das einen Teil der Fahrzeugwindschutzscheibe bildet, z. B. einer Kraftfahrzeug-Windschutzscheibe. Die bilderzeugende Beleuchtungsquelle 20 kann auf dem Amaturenbrett oder innerhalb des Amaturenbrettes mit einer geeigneten Öffnung vorgesehen sein, um ein Passieren der bilderzeugenden Beleuchtung zu erlauben. Das Kombinatorelement 11 reflektiert die bilderzeugende Beleuchtung teilweise zu dem Fahrer, um so ein virtuelles Bild einer lichtaussendenden Bildquelle innerhalb der abbildenden Beleuchtungsquelle an einem Ort zu erzeugen, der z. B. vor der Windschutzscheibe des Fahrzeugs liegt.
• Obwohl die offenbarten Ausführungen in Zusammenhang mit einem Fahrzeug, wie mit einem Kraftfahrzeug, beschrieben werden, versteht es sich, daß der Begriff Fahrzeug auch andere Fahrzeuge einschließen soll, die eine Windschutzscheibe oder eine ähnliche transparente Schutzeinrichtung aufweisen. Der Begriff Fahrzeug umfaßt auch Fahrzeuge, die keine Windschutzscheiben aufweisen, wobei in diesem Fall der Kombinator z. B. eine transparente Anzeige umfassen könnte.
• Als beispielhafte Ausführung umfaßt das Kombinatorelement 11 einen Teil der inneren Oberfläche der Windschutzscheibe, der gemäß den Fresnel-Reflexionsgesetzen die durch die abbildende Beleuchtungsquelle 20 erzeugte Beleuchtung teilweise reflektiert. Im speziellen Ausführungsfall fällt die abbildende Beleuchtung schräg auf die innere Oberfläche der Windschutzscheibe mit einem Winkel von 65º in bezug auf die Normale ein, wodurch ungefähr 15 bis 20 % der schräg einfallenden Beleuchtung reflektiert werden.
• Das Kombinatorelement 11 kann gleichfalls eine metallische Beschichtung aufweisen, die den Lichtdurchlaß nicht unterhalb des geltenden Bundesstandards von gegenwärtig 70 % abfallen läßt, oder aber eine vielschichtige dielektrische Reflexions- Beschichtung. Solche Beschichtungen können entweder auf die innere Oberfläche der Windschutzscheibe oder zwischen die Schichten der Windschutzscheibe aufgebracht werden. Während das Aufbringen der Beschichtung an der inneren Oberfläche zu einem besseren Bild führt, ist die Beschichtung eher einer körperlichen Beschädigung ausgesetzt. Dagegen wäre eine Beschichtung zwischen den Schichten der Windschutzscheibe gegenüber körperlichen Beschädigung geschützt, jedoch würde die Reflexion von der inneren Oberfläche ein Geisterbild erzeugen, dessen Intensität durch eine Antireflexions-Beschichtung an der inneren Oberfläche reduziert werden könnte, jedoch wäre diese einer körperlichen Beschädigung ausgesetzt.
• Als eine weitere Alternative kann das Reflexionselement 11 ein Reflexionshologramm darstellen.
• Nun sei Bezug auf Fig. 2 genommen, in der eine Detailansicht der Bildbeleuchtungsquelle 20 gezeigt ist, die eine Bildquelle 111 umfaßt, die z. B. als hochintensive Vakuum-Fluoreszenz- Anzeige (VFD) ausgeführt ist, wie eine solche, die kommerziell von der Futaba Corporation of America, Plymouth, Michigan, erhältlich ist. Eine VFD umfaßt normalerweise segmentierte Elemente, die selektiv mit Energie versorgt werden können, um lichtaussendende numerische und/oder alphabetische Symbole zu erzeugen, oder andere Indizes. Der Bildquelle 111 wird ein Input über geeignete Übertragungsschaltkreise zugeführt, um ausgewählte Fahrzeug- und/oder Motorarbeitsparameter und -zustände anzuzeigen.
• Ein Umlenkspiegel 113, der in dem Gehäuse 110 gehalten ist, lenkt die abbildende Beleuchtung von der Bildquelle 111 auf einen außer-achsigen Spiegel 115 um, der seinerseits die abbildende Beleuchtung durch eine transparente Abdeckung 117 auf das Kombinatorelement 11 lenkt. Wie hier genauer erläutert wird, kann der Spiegel 115 fest in dem Gehäuse befestigt sein oder kann um eine Querachse "A" neigbar sein. Obwohl ein Ablenkspiegel 113 verwendet ist, versteht es sich, daß in Abhängigkeit von der Lage der Bildquelle 111 in der Bildbeleuchtungsquelle 20 und von der Lage der Bildbeleuchtungsquelle 20 in bezug auf die Windschutzscheibe ein Ablenkspiegel nicht notwendig sein muß. Der Umlenkspiegel 113 kann planar sein oder kann eine optische Abbildungseigenschaft aufweisen, wie eine zylindrische Oberfläche, um die Form der Windschutzscheibe oder der Beeinflussung des Spiegels 115 zu kompensieren.
• Es versteht sich, daß bei einer ungeraden Anzahl von Reflexionselementen (z. B. drei) die Bildquelle 111 angepaßt werden muß, um ein Spiegelbild des beabsichtigten virtuellen Bildes zu erzeugen. Bei einer geraden Anzahl von Reflexionselementen (z. B. zwei) würde die Bildquelle 111 so ausgelegt, daß sie in der gleichen Weise wie das gewünschte virtuelle Bild orientiert ist.
• Der Spiegel 115 ist weitgehend konkav und vergrößert das auf das Kombinatorelement 11 übertragene Bild und ist vorzugsweise als asphärisches Element ausgebildet. Die besonderen Krümmungen des Spiegels 115 können so festgelegt werden, daß die durch die außer-achsige Konfiguration des Spiegels 115 bedingte Verzerrung und die durch die Krümmung der Windschutzscheibe bedingten Verzerrungen kompensiert werden.
• Die optischen Elemente sind so konfiguriert, daß die Bedienungsperson das gesamte angezeigte virtuelle Bild in einem Bereich im Raum sehen kann, der als eine Sichtzone bezeichnet ist. Eine relativ große Sichtzone ist erwünscht, um eine normale Kopfbewegung des Fahrers zuzulassen und um gleichfalls die Auswirkung einer Veränderung der Kopflage bei der Fahrermenge (d.h. großer oder kleiner Fahrer) zu umgehen. Um eine relativ große Sichtzone zu erreichen, kann ein großer Spiegel 115 verwendet werden, was seinerseits zu einem größeren Paket für die bilderzeugende Beleuchtungsguelle 20 führt. In alternativer Weise kann ein kleinerer Spiegel 115, der selektiv um die Querachse "A" neigbar ist, eine vertikal justierbare Lage der Sichtzone erlauben, während das Paket der bilderzeugenden Beleuchtungsguelle klein gehalten wird. Für jeden verschiedenen Fahrer kann der kleine neigbare Spiegel 115 auf eine feste Neigung eingestellt werden, so daß das Zentrum des Sichtfeldes für die Lage des Kopfes des Fahrers geeignet ist und mit solch einer festen Neigung ein ausreichend großes Sichtfeld erzeugt wird, um eine normale Kopfbewegung des Fahrers zu erlauben. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Spiegel 115 kontrolliert durch eine Vorrichtung ähnlicher Art verschwenkbar sein, wie sie bei ferngesteuert verstellbaren Seitenspiegeln von Kraftfahrzeugen verwendet wird.
• Obwohl der Kombinator in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen eine Windschutzscheibe oder eine darauf angebrachte Beschichtung umfaßt, versteht es sich, daß bei Fahrzeugen, die keine Windschutzscheibe umfassen, der Kombinator eine transparente Anzeige oder eine darauf angebrachte Beschichtung umfassen kann.
• Während die Bildquelle 111 im Ausführungsbeispiel als eine Vakuumfluoreszenz-Anzeige offenbart ist, können andere Quellen mit breitem Spektrum als Bildquelle 111 verwendet werden, worunter segmentierte und Matrix-adressierbare Flüssigkristall- Anzeigen (LCDs) fallen, die z. B. von Seiko aus Japan bezogen werden können. Als spezielles Ausführungsbeispiel könnte eine geeignete LCD bei direkter Betrachtung Negativ-Grafiken anzeigen, wobei der größte Teil des Displays dunkel wäre und nur die Segmente oder Pixel, die die gewünschten Display-Indices darstellen, "an" oder transparent wären. Die LCD könnte eine Hintergrundbeleuchtungseinrichtung umfassen, wodurch Licht im wesentlichen nur durch die Segmente oder Pixel durchgelassen wird, die an oder transparent sind.
• Insbesondere bei einer LCD könnte sie eine Glühlampe und Kollimationselemente zur Erzeugung von kollimierter Beleuchtung umfassen. Vorzugsweise wären die Beleuchtungselemente so ausgebildet, daß das Bild des Beleuchtungsfadens in Kombination mit dem Asphärischen 115 sich nomimell im Zentrum des Sichtfeldes wieder abbilden würde (das sich in dem Bereich des Raumes befindet, wo sich die Augen des Betrachtenden befinden, um das virtuelle Bild zu sehen). In Abhängigkeit von der gewünschten Größe der Sichtzone könnte die LCD einen Diffusor einschließen, z. B. eine dünne Basisglasschicht auf der Bildseite der LCD, um einen kleinen Anteil von Streulicht zu erzeugen.
• Da Flüssigkristall-Anzeigen polarisiertes Licht aussenden, kann die Polarisation der ausfallenden Beleuchtung der Flüssigkristall-Anzeige kontrolliert werden, um die Reflexion von dem Kombinatorelement 11 zu verstärken.
• Bei dem Ausführungsbeispiel des Kombinatorelementes 11, das die innere Oberfläche der Windschutzscheibe und einen Einfallwinkel von ungefähr 65º umfaßt, ist die Reflexionswirksamkeit für S-polarisiertes Licht erheblich größer als für P- polarisiertes Licht. So könnte die LCD, die als Lichtquelle 111 verwendet wird, so konfiguriert sein, daß sie S-polarisiertes Licht für maximale Lichteffektivität aussendet. Jedoch sei darauf hingewiesen, daß polarisierte Sonnenbrillen normalerweise P- polarisiert sind, und dies würde dazu führen, daß das Headup- Display-Bild erheblich schwächer wird.
• Die offenbarte Bildbeleuchtungsquelle 20 ist vorzugsweise eine geschlossene Anordnung, wodurch eine potentielle Kontamination verhindert wird und das Eindringen von Schmutz, Staub und physischen Objekten in die Quelle verhindert wird. Jedoch sei darauf hingewiesen, daß blendende oder verschleiernde Reflexionen von der transparenten Abdeckung 117 zum Fahrer vermieden werden sollten. Als spezielles Ausführungsbeispiel beim Einbau des Headup-Display-Systems in einem Kraftfahrzeug mit einer geneigten Windschutzscheibe kann die obere Fläche der transparenten Abdeckung 117 ein konkaver Teil eines elliptisch geformten Zylinders sein, dessen Längsachse sich quer erstreckt und der durch zwei Foci definiert ist, die jeweils (a) hinter und unterhalb der vorderen Kante einer Lichtfalle 119 liegen, die unterhalb der oberen Vorderkante der bilderzeugenden Beleuchtungsquelle 20 und nominell parallel zur Windschutzscheibe gelegen ist und (b) oberhalb der Windschutzscheibe und hinter dem Focus der Lichtfalle, so daß dieser, wenn dieser Focus optisch durch die Fahrzeug-Windschutzscheibe gefaltet wird, unterhalb der Sichtzone liegt. In anderen Worten kann der elliptische Zylinder, der die obere Fläche der transparenten Abdeckung 117 einschließt, durch die vorherigen Foci definiert sein.
• Mit der elliptisch-zylindrischen Oberfläche werden die einschlägigen Sonnenlicht- und Himmelslichtreflexionen in von den Augen der Bedienungsperson entfernten Richtungen weg und nach unten fokussiert. Insbesondere wird Licht, das schräg auf die transparente Abdeckung von oberhalb des Focus der Lichtfalle (d.h. Himmelslicht und Sonnenlicht) einfällt und von der transparenten Abdeckung reflektiert wird, durch die Windschutzscheibe zu einer Stelle unterhalb der Sichtzone reflektiert. Licht, das auf die transparente Abdeckung von unterhalb des Focus der Lichtfalle einfällt (d.h. von der inneren Oberfläche der Lichtfalle) und durch die transparente Abdeckung reflektiert wird, wird durch die Windschutzscheibe in und oberhalb der Sichtzone reflektiert. So sieht die Bedienungsperson nur die innere Oberfläche der Lichtfalle, die vorzugsweise matt schwarz ist, so daß das davon gesehene Bild eine dunkle Fläche ist.
• Zuvor wurde ein Fahrzeuginstrumenten-Headup-Display-System offenbart, das ein virtuelles Bild erzeugt, das vom Fahrer ohne eine signifikante Ablenkung vom Betrachten der äußeren Landschaft gesehen werden kann. Das Headup-Display-System kann leicht hergestellt werden und in Fahrzeuge, wie in Automobile, integriert werden und kann ohne eine besondere Behandlung von Fahrzeug-Windschutzscheiben angewendet werden.
• Obwohl zuvor spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und dargestellt wurden, können von Fachleuten zahlreiche Modifikationen und Abwandlungen daran vorgenommen werden, ohne von dem Rahmen der Erfindung abzuweichen, wie dieser durch die folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims (11)

1. Headup-Display für ein Fahrzeug mit einer Windschutzscheibe, umfassend:

- Beleuchtungsmittel (20) mit einer Bildquelle (111) zur Erzeugung einer abbildenden Beleuchtung ;

- Mittel, um die durch die Bildquelle (11) erzeugte abbildende Beleuchtung auf die Windschutzscheibe zu richten, wobei die Mittel einen konkaven asphärischen Spiegel (115) umfassen, um die abbildende Beleuchtung zu reflektieren;

- einen Kombinator (11), der die Windschutzscheibe einschließt, um die übertragene abbildende Beleuchtung teilweise zu reflektieren, um ein virtuelles Bild der Beleuchtungsquelle (111) zu erzeugen, das für die Bedienungsperson des Fahrzeugs innerhalb eines Raumgebietes sichtbar ist, das Sichtzone genannt ist;

gekennzeichnet durch Mittel zum Justieren des asphärischen Spiegels (115) durch Neigen in bezug auf die Beleuchtungsmittel (20) und den Kombinator, um die Lage der Sichtzone mit der Lage des Kopfes der Bedienungsperson des Fahrzeugs in einer Ebene auszurichten, die durch die abbildende Beleuchtung gebildet ist, die schräg auf den Kombinator fällt und von diesem reflektiert wird.

2. Headup-Display nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Antireflex-Beschichtung, die auf einer Oberfläche gegenüber der inneren Oberfläche des Windschutzscheibenteils angeordnet ist, der den Kombinator (11) umfaßt.

3. Headup-Display nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kombinator (11) ferner eine Reflexions- Beschichtung umfaßt, die auf die Windschutzscheibe aufgebracht ist.

4. Headup-Display nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine transparente Abdeckung (117), die die auf die Windschutzscheibe gerichtete abbildende Beleuchtung durchläßt, wobei die transparente Abdeckung (117) so geformt ist, daß Sonnenlicht und Umgebungslicht-Reflexionen dadurch von den Augen der Bedienungsperson des Fahrzeugs abgelenkt werden.

5. Headup-Display nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsmittel (20) eine Vakuum-Fluoreszenzanzeige umfassen.

6. Headup-Display nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsmittel (20) eine Flüssigkristall-Anzeige umfassen.

7. Headup-Display nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristall-Anzeige eine Beleuchtung erzeugt, die polarisiert ist, um die Reflexion von der inneren Oberfläche der Windschutzscheibe zu verbessern.

8. Headup-Display nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der asphärische Spiegel die Krümmung der Windschutzscheibe kompensiert.

9. Headup-Display nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kombinator (11) eine transparente Platte umfaßt.

10. Headup-Display nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kombinator (11) eine Reflexionsbeschichtung umfaßt, die auf die transparente Platte aufgebracht ist.

11. Headup-Display nach irgendeinem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Abdeckung (117) eine obere Fläche umfaßt, die die Form eines elliptischen Zylinders aufweist.