Konzeption und Konstruktion eines Head-up Displays mit Zoomfunktion

Thema dieser Diplomarbeit ist die Entwicklung eines Head-up Displays (HuD) mit integrierter Zoomfunktion. Bei heutigen Head-up Displays erscheint über eine Spiegeloptik das virtuelle Bild in einem festen Abstand von etwa 3 m zum Betrachter. Die Innovation bei dem im Rahmen dieser Diplomarbeit entwickelten Head-up Display ist, dass einerseits der Betrachtungsabstand und anderseits die Bildgröße veränderbar (zu „zoomen“) ist, welches die Anpassung des virtuellen Bildes an das Fahrgeschehen erlaubt.

Aufbau: Das TFT-Display wird von der Rückseite mit LEDs beleuchtet und per Transmission werden die Informationen des TFTs über Freiformflächenspiegel auf eine Windschutzscheibe gelenkt. Von dort aus treffen die Lichtstrahlen konvergent zu den Augen des Fahrers. Das virtuelle Bild kann durch das zoomfähige Head-up Display in einem Abstand von 2-10 m vor der Windschutzscheibe erzeugt werden. Damit der Fahrer das virtuelle Bild erkennen kann wird eine so genannte Eye-box definiert, dies ist eine 2-dimensionale Box in der der Fahrer das virtuelle Bild sieht.\\

Durch den Fresnelschen Reflexionsfaktor, werden unter einem Einfallswinkel an der

Windschutzscheibe von über 65 ° ca. 30 % des Lichtes an einem Luft-Glas-Übergang reflektiert. Die restlichen 70% werden transmittiert bis es zu einer weiteren Reflektion an der äußeren Seite der Windschutzscheibe kommt. Das Licht wird also an der Innen- und Außenseite der Windschutzscheibe reflektiert. Damit es zu keinen störenden Doppelbildern kommt, wird in die Windschutzscheibe eine Keilfolie eingearbeitet, sodass die Bilder übereinander liegen. Dies ist auch der einzige Unterschied zwischen einer Windschutzscheibe mit und ohne Head-up Display. Dadurch gelangen dann ca. 45% des Lichts in die Richtung des Fahrers. Ebenso entstehen durch die Transmission der Windschutzscheibe zwei virtuelle Bilder, ein Bild vor der Windschutzscheibe und ein Bild schräg unterhalb des Fahrzeugs. Dieses Bild ist zu erkennen, wenn von oben auf das Fahrzeug in die Windschutzscheibe geschaut wird, z.B. von einer Brücke.

Abb. 1: Prinzipieller Aufbau eines Head-up Displays

Abb. 2: Strahlengangskizze eines zoombaren Head-up Displays

Auf Grundlage der Spezifikationen des HuDs wurde ein Optikkonzept entworfen, mit dem ein Startsystem für die Bestimmung der Spiegelkrümmungen (Brennweiten) erstellt wurde. Das Startsystem wurde in eine hochschuleigene Optiksimulation integriert und damit das Optik-Design der Spiegelflächen durchgeführt. Mit dem Ergebnis der Optimierung wurden die Aluminiumspiegel an der Hochschule mit einer Präzisions-CNC-Fräsmaschine gefertigt.

Optimierung der Spiegelfläche

Bevor das optische System optimiert werden konnte, musste eine Methode entwickelt werden um die Spiegelkrümmungen so zu berechnen, dass der Betrachtungsabstand und die Bildgröße unabhängig voneinander einstellbar sind. Diese Methode wurde mit einem Algorithmus in eine symbolbasierte Mathematiksoftware eingebunden. Damit werden außer den Spiegelkrümmungen, noch die Funktionen und Kennlinien bestimmt, die benötigt werden, um die charakteristischen Linearbewegungen der Spiegel und des TFT-Displays für die Zoomfunktion darzustellen.

Die folgende Abbildung 3 und 4 geben Aufschluss über die Abbildungsqualität des HuDs, wobei die Abb. 3 das Startsystem und die Abb. 4 das optimierte System bei einem Abstand von 5 m darstellen. Die Betrachtungsabstände wurden für einen Zoombereich von 2-10 m optimiert. Für eine Analyse werden die Augenpositionen farblich unterschieden, jeweils die helleren und dunkleren Pfeile einer Farbe stellen eine Augenposition dar. Es liegen fünf horizontale und drei vertikale Augenpositionen vor, über diese Positionen kann die Auswirkung einer horizontalen Kopfbewegung beurteilt werden. Die Länge der Pfeile (Ellipsen) gibt eine Aussage über die Dynamik der Verzeichnung. Die Vergenz wird durch Vergleichen des linken und rechten Auges bei einer Position bestimmt. Ebenso kann für jedes Augenpaar die Bildschärfe analysiert werden.

Abb. 3: Beurteilung der Bildpunkte für das Startsystem

Die Sollbildpunkte sind durch schwarze Kreuze gekennzeichnet. Die Ausdehnung eines Spotdiagramms für eine Augenposition ist durch die Größe der dargestellten Ellipsen repräsentiert.

Abb. 4: Beurteilung der Bildpunkte des optimierten Systems

Es ist eine deutliche Verbesserung der Verzeichnung sichtbar, besonders die Dynamik der Verzeichnung hat sich verbessert. Allerdings bleibt weiterhin eine relativ starke absolute Verzeichnung übrig. Auch die Bildschärfe ist tolerierbar. 

Bei Abb. 4 wird eine Verbesserung der Verzeichnung deutlich. Insbesondere die Dynamik der Verzeichnung hat sich erheblich verbessert. Allerdings bleibt weiterhin eine relativ starke absolute Verzeichnung übrig, welche nicht weiter verbessert werden kann. Auch die Bildschärfe, dargestellt durch die Größe der Ellipsen, erscheint hier tolerierbar.

Als optische Elemente wurden ein TFT-Display als Bildquelle, zwei gekrümmte Spiegel und zwei Planspiegel gewählt. Die geometrische Anordnung der Spiegel und des TFT-Displays des Systems wurde so gewählt, dass ein möglichst kleiner Bauraum erforderlich ist und keine konstruktionsbedingten optischen Bildfehler entstehen. Durch eine rechnerische und grafische Toleranzanalyse des Systems mit der Software MATLAB konnten die wichtigen und kritischen Stellen des Aufbaus analysiert werden. Ebenso wurde aus diesen Erkenntnissen eine Vorgehensweise für die Justage des HuD ermittelt. Um das virtuelle Bild auf gewünschte Positionen zu bringen, kann zum einen der Abstand zwischen den Spiegeln und zum anderen der Abstand zwischen dem ersten Spiegel und dem TFT-Display motorisiert verändert werden. Diese Linearbewegungen werden mit einer Gewindespindel auf eine Rotationsbewegung umgesetzt. Die Rotationsbewegungen werden mit Schrittmotoren verwirklicht, da diese zum Antrieb und zusätzlich noch zur Positionierung, über die Takte und die definierten Schrittlänge, geeignet sind.

Abb. 5: Head-up Display mit Zoomfunktion

Der Demonstrator ermöglicht es, den Abstand zwischen dem Betrachter und dem virtuellen Bild einzustellen, sodass das Bild bei variablem Abstand gleich groß erscheint oder bei gleichem Abstand vergrößerbar ist. Somit ist es im Rahmen dieser Diplomarbeit gelungen, ein HuD zu entwickeln und aufzubauen, bei dem die Möglichkeit besteht, ein virtuelles Bild für zwei unabhängige Zoomfunktionen darzustellen.