HU231520B1 - Javított képminőségű HUD rendszer - Google Patents

Description

Javított képminőségű HUD rendszer

A találmány általánosan kijelző rendszerre, ezen belül pedig head-up display (HUD) típusú kijelző rendszerre vonatkozik.

Műszaki terület és a technika állása

A head-up display (HUD) eredetileg a katonaság számára kifejlesztett eszköz, melynek szerepe, hogy a pilóta végig az útvonalra figyeljen és ne kelljen más irányba néznie. Ezzel szemben a hagyományos head-down display (HDD) esetén rendszeresen le kell tekinteni a műszerfalra, továbbá a távolba tekintés után hirtelen közelre kell fókuszálni, ami fárasztó lehet. A head-up display egy távoli képsík kialakításával a közelre való fókuszálás problémáját is megoldja. Az eredetileg katonai technológia mára az autóiparban is megjelent és elérhetővé vált a civil felhasználók számára. A fejlesztés egy kombináló (combiner) optikai elemre (pl. speciális szélvédő vagy egy külön a célra felszerelt speciális lemez) történő kép kivetítéssel teszi lehetővé, hogy a sofőr vezetés közben információt szerezzen a sebességről, navigációról, rádió beállításokról, hibaüzenetekről és egyéb vezetést segítő információkról, melyeket hagyományos esetben a műszerfalra való letekintéssel kellene megtalálnia. Továbbá veszélyes helyzetek (pl. útakadályok, út kanyarodása rossz látási körülmények között, járdáról lelépő gyalogos, stb.) is látványosan előre jelezhetők. Jelenleg főként luxus kategóriájú autókban található HUD, de rohamosan terjed a felhasználási kör.

A legelterjedtebb gépjárműbe beépített HUD megoldás (1. ábra) lényegében egy 1 kivetítő egységből és egy aszférikus 2 tükörből áll, ahol a kombináló elemként működő 3 kivetítő felület a szélvédő. Az aszférikus 2 tükör egyrészt a görbe szélvédő torzítását hivatott korrigálni, illetve a projektor széttartó sugarait úgy fókuszálja, hogy egy távoli képsíkot alakítson ki és a sofőr a 4 kivetített képet kényelmes távolságban lássa a gépjármű orra előtt „lebegni”. A 2. és 3. ábrán kinagyítva bemutatott megoldás legfőbb hátránya, hogy az 5 megvilágító fény a szélvédő 6 első felületéről és a 7 második felületéről is visszaverődik, így a 8 képet erősen zavaró 9 szellemkép jelenik meg, amely élvezhetetlenné, sőt zavaróvá teszi az eredményt. A 2. ábrán a szellemkép megjelenése, a 3. ábrán pedig a szellemkép intenzitásviszonyai láthatók, kiszámolva a Θ_β szögnél, polarizálatlan fényre. A többszörös visszaverődés miatt a rajzon láthatónál még több o (Ύ) O szórt fény jelenhet meg. A szellemkép megszűntetésére, a kontrasztarány javítására több ismert megoldás létezik.

Az egyes felületeken reflektálódó intenzitásokat az ún. Fresnel-formulák határozzák meg. Egy fényvisszaverő felületnél a 11 beeső fénysugár és a 12 visszavert fénysugá r egy síkot, ún. 10 beesési síkot határoz meg. A visszavert sugár és a beeső sugár intenzitásának hányadosa, az R = Ir/Ib reflexió (Ib - beeső sugár intenzitása, Ir visszavert sugár intenzitása) függ az Θ beesési szögtől, a felület két oldalán lévő anyagok törésmutatóitól (levegő esetén n = 1, egy adott üveg esetén n = 1,518), továbbá a 10 beesési sík és a fény polarizációjának viszonyától. Ezek az összefüggések a 4. ábrán láthatók. A lineárisan polarizált fény S-polarizációjú, ha a 10 beesési síkra merőlegesen polarizált, és P-polarizációjú, ha a 10 beesési síkkal párhuzamosan polarizált. Ismeretes még az ún. Θ_Β Brewster-szög, mely az az anyaghatárra jellemző beesési szög, melynél a P-polarizációs R_P reflexió intenzitása nullára csökken, míg az S polarizációhoz tartozó R_S reflexió intenzitása nem nulla. (Minden más, nem tisztán S- vagy P-polarizációra a reflexió R_S-ből és R_P-ből tevődik össze.) A polarizációs elven működő HUD-ok ezt az effektust próbálják kihasználni és Brewster-szögre vannak tervezve. Ugyanakkor az 5. és 6. ábrán látható, hogy a szélvédőt csupán Brewster-szögben, S- illetve Ppolarizációjúfénnyel megvilágítva még mindig nem kapunk head-up displaynek alkalmas rendszert, hiszen S-polarizáció esetén a kivetített kép szellemképes marad (5. ábra) vagy P-polarizáció esetén reflexiók hiányában nem jut reflektált fény a megfigyelő szemébe (6. ábra), tehát a kivetített kép nem lesz látható.

Az 5. és 6. ábrán bemutatott probléma megoldására az ismert HUD rendszereknél olyan megoldást alkalmaznak, amelynek segítségével a kombináló elem legalább egy felületén a polarizáció függvényében megváltoztatják a reflexiós tulajdonságokat. Az egyik ismert megoldásnál egy speciális vékonyréteg-rendszert hoznak létre a szélvédő valamely, vagy akár több felületén. A létrehozott nagy reflexiójú reflexiós 13 réteg, - vagy éppen a kis reflexiójú antireflexiós 14 réteg - feladata, hogy a fény reflexióját megnövelje, - vagy éppen lecsökkentse - az adott felületen valamely polarizáció számára. (7. ábra, 8. ábra) Ugyancsak vékonyréteggel beállítható az adott felület Brewster-szöge. A Brewsterszögben és ahhoz közeli tartományban megvilágított kombináló elemmel elérhető, hogy a reflexiók kontrasztaránya nagy és így a reflektált kép élvezhető legyen, de a hasznos tartomány limitált. Egy lehetséges megvalósításnál a szélvédő például 12 nm-es Ag és 63 nm SiO₂ réteggel van bevonva és S-polarizációval van megvilágítva.

A szükséges vékonyréteg-rendszert szokás még fólián létrehozni (pl. 3M® WCF = o fY) O

Windshield Combiner Film) és azt gyártáskor a megfelelő felületre laminálni. Az olcsóbb megoldások között szerepel a szélvédőre akár utólag, a felhasználó által felragasztható reflektív fólia. A vékonyrétegek tervezésekor fontos, nem figyelmen kívül hagyható szempont a szélvédő transzmissziója, ami országonként korlátozás alá esik. (Európában min. 75%, USA-ban min. 70%) Ha a vékonyréteg fóliával ellátott szélvédő túl sok fényt ver vissza és így keveset enged át, a transzmissziós érték a jogszabályokban előírt alá csökkenhet és akkor nem hozható forgalomba.

Egy másik ismert megoldásnál (9. és 10. ábra) a polarizációfüggő reflexiót úgy hozzák létre, hogy a reflektáló 6 első felületen továbbhaladó fény polarizációs síkját elforgatják. Ehhez egy 15 kettőstörő fóliát (hullámlemezt) laminálnak a kombináló elem első felületére és a kombináló elemet Brewster-szöghöz közeli szögben, polarizált fénnyel világítják meg. A megfelelő vastagságúra kialakított ún. λ/2-es 15 kettőstörő fólia (a fólia optikai tengelye 45°-os szöget zár be a rajz síkjával megegyező beesési síkkal) a megvilágító fény polarizációs síkját 90°-kal elforgatja, vagyis S-polarizációból Ppolarizációt csinál és fordítva. Ezzel a fény az egyik felületről kisebb intenzitással fog visszaverődni, mint a másikról. S polarizációt alkalmazva (9. ábra) a belső 6 első felületről való visszaverődés, míg P polarizációt alkalmazva (10. ábra) a külső 7 második felületről való visszaverődés a nagyobb. A Brewster-szögtől fokozatosan eltérve ez a hatás is egyre jobban elromlik, és szellemkép jelenik meg, tehát a hasznos szögtartomány limitált. A 21a ábra mutatja a vertikális és horizontális szögekben való eltérésnél a szellemképesség arányát egy 9. ábra szerinti rendszerre, mely Spolarizációval van megvilágítva. Egyéntől függően a szellemképesség 3-5% fölött zavaró. A rajzon az azonos szellemképesség arányú helyek folytonos vonallal vannak határolva, és az egyes határoló vonalakon fel van tüntetve a szellemképesség arány értéke. Az ábrán 3%, 5%, 10%, 20%, 30% 40% vagy 50% szellemképesség arányú helyek vonalai láthatók, ahol az egyes vonalakon belül ez az érték kisebb, illetve befelé haladva csökken, a vonalakon kívül pedig ez az érték nagyobb, illetve kifelé haladva nő. Az ábrán jól látható, hogy a 3%-os szellemképesség arány csak egy kis területen biztosított, mégpedig függőleges irányban kb. +9° és -9°, illetve vízszintes irányban kb. -7° és +7° közötti tartományban. Az ábrán feltüntetett szögek a megfigyelő szemébe érkező sugarak által bezárt, a lényegében szellemkép-mentes-nek tekinthető látóteret meghatározó szögek.

A 3 kivetítő felületként jelenleg széles körben elterjedten alkalmazott szélvédők két üvegrétegből és a közéjük zárt 16 polivinil-butirál (PVB) fóliából állnak. (Ez utóbbi biztonsági funkciót lát el. Célja, hogy baleset esetén az üvegszilánkok ne hulljanak az o fY) O utasokra.) A 15 kettőstörő fóliát annak védelme érdekében sokszor szintén a két üvegréteg közé zárják. (11. ábra, 12. ábra) Ezzel a kontrasztosság számottevően nem romlik, de a fólia védettebbé válik a mechanikai hatásoktól. Ilyen megoldás ismerhető meg például az US10416447B2 sz. szabadalmi leírásból és az EP0424950A2 számon közzétett szabadalmi bejelentésből.

Egy további ismert megoldásnál az üvegrétegek között két lambda/2-es fólia, közöttük pedig levegőréteg (13. ábra) (US7839574B2) vagy reflektív vékonyréteg-rendszer van elrendezve. (14. ábra) (US7123418B2, US6952312B2) A 13. ábrán sík szélvédő látható a PVB rétegbe zárt két λ/2-es 15, 15' kettőstörő fóliával, közöttük levegőréteggel, amely Ppolarizációjú fénnyel van megvilágítva. Az egyik fólia optikai tengelye 45°-os, a másiké

135°-os szöget zár be a beesési síkkal. A 14. ábrán sík szélvédő látható a PVB rétegbe zárt két λ/2-es 15, 15' kettőstörő fóliával, közöttük reflektív vékonyréteggel, amely Ppolarizációjú fénnyel van megvilágítva. Az egyik fólia optikai tengelye 45°-os, a másiké

135°-os szöget zár be a beesési síkkal. Ennek a két megoldásnak az az előnye, hogy Ppolarizációban működnek, azaz a polarizációs napszemüveg nem akadályozza a kép láthatóságát. A korábban ismertetett P-polarizációs elven működő elrendezések azért nem terjedtek el, mert esős időben - és egyáltalán minden féle külső szennyeződés miatt - a külső felületen a fény szóródik és a kép elromlik. Ezzel szemben az utóbbi két elrendezésnél a PVB rétegben történik a visszaverődés, tehát az esős idő nem akadályozó tényező. Az üvegrétegek között elhelyezett fólia vagy fóliák mechanikai védelmét a külső üvegrétegek biztosítják.

Az US5999314 sz. dokumentum olyan megoldást javasol, amelynél kontrasztarány további javítása érdekében a hullámlemezt körülvevő üveglapok külső felületére reflexiós vagy antireflexiós vékonyréteget visznek fel. A külső felületre felvitt vékonyréteg ezenkívül lehetőséget biztosít a Brewster szög módosítására vagy beállítására.

A fent bemutatott ismert megoldásoknál alkalmazott polarizációs módszer hátránya, hogy az ideális szögtől való eltérés csak kis szögtartományban megengedett és az attól való nagyobb eltérés esetén a kép gyorsan elromlik, azaz szellemképessé válik. A megfelelő működés jellemzően ±3-9°-os tartományban, vagyis a szélvédőn csupán egy tenyérnyi felületen érhető el. (A pontos érték a módszertől és a „megfelelő működés” definíciójától függ, amint azt a 21a ábrával kapcsolatban már leírtuk.)

A fent ismertetett és a 15. ábrán vázlatosan bemutatott, 1 kivetítő egységet és kombináló elemként működő 3 kivetítő felületet tartalmazó HUD rendszerekről o (Ύ) O általánosan elmondható, hogy csak egy irányban, a 21 optikai tengellyel megegyező ún. tervezési irányban működnek hibátlanul, azaz szellemképmentesen. Ettől az iránytól függőlegesen és vízszintesen eltérve egyre erősebb szellemkép jelenik meg. A 22 hasznos terület az a térszög-tartomány, ahol a szellemkép még nem zavaró. Egyéntől függően a szellemképesség kb. 3-5% fölött zavaró.

A fent ismertetett megoldásoknál csak egy egyszerű lineáris polarizátoron vezetik keresztül a fényt egy homogén kivetítő fénynyaláb előállításához. Emiatt a kép szélei felé haladva, azaz eltérve az ideális viselkedésre tervezett iránytól, a polarizált fény polarizációs síkja is egyre inkább elfordul a beesési síkhoz képest. (16/a. és 16/b. ábra) A 16a ábrán három F0, F1 és F2 sugár van feltüntetve, amelyek S-polarizált sugarak, és a kép különböző pontjaiból a vezető szemébe jutnak. A berajzolt három sugár közül az F0 sugár az ideális vagy tervezési irányban halad, és ennél a sugárnál a polarizáció iránya megfelel a HUD kijelző szempontjából ideális polarizációs iránynak, azaz az F0 sugár polarizációs iránya β0 = 90 fokos szöget zár be a fénysugár beesési síkjával. Ez a szög a függőleges irányban a kép széle felé haladó sugarak esetén nem változik. Viszont amikor a kép függőleges középvonalától vízszintes irányban is eltérő sugarakat figyeljük, azt tapasztaljuk, hogy a kép függőleges középvonalától vízszintes irányban jobbra eltérő sugarak, így például az F1 sugár esetén ez a szög csökken, tehát az F1 sugárhoz tartozó β1 szög kisebb, mint a β0 szög, azaz β1 < 90 fok. Hasonlóképpen, a kép függőleges középvonalától vízszintes irányban balra eltérő sugarak, így például az F2 sugár esetén ez a szög nő, tehát az F2 sugárhoz tartozó β2 szög nagyobb, mint a β0 szög, azaz β2 > 90 fok. Mivel a beesési síkban csak a β0 = 90 fok esetén tekinthetők a beeső sugarak tisztán S-polarizált sugaraknak, az ettől eltérő szögek esetén már nem beszélhetünk tisztán S-polarizált sugarakról, ezért azok reflexiós jellemzői is eltérőek lesznek, azaz pl. gyengébben reflektálódnak és ily módon csökkentik a szellemképességi kontrasztarányt. A 16b ábrán a jobb oldalon görbe vonalak jelölik a kivetített képtartományban az azonos szögértékeket. A kép függőleges középvonalában ez a szög a kép alsó és felső széle között egyformán 90 fok. A kép függőleges középvonalától vízszintes irányban jobbra eltérő sugarak esetén egy-egy görbe mentén láthatók azok a sugarak, amelyeknél a polarizációs tengely 90 foknál kisebb szöget zár be a beesési síkkal, ahol a sugarak polarizációs tengelye az első görbe mentén a 85 fokos, a második görbe mentén a 80 fokos, a harmadik görbe mentén a 75 fokos és a negyedik görbe mentén a 70 fokos szöget zár be a beesési síkkal. A kép függőleges középvonalától vízszintes irányban balra eltérő sugarak esetén egy-egy görbe mentén láthatók azok a sugarak, amelyeknél a polarizációs tengely 90 foknál nagyobb szöget zár be a beesési síkkal, ahol a sugarak polarizációs tengelye az első görbe mentén a 95 fokos, a második görbe mentén a 100 fokos, a harmadik görbe mentén a 105 fokos és a negyedik görbe mentén a 110 fokos o (Ύ) O szöget zár be a beesési síkkal. Az egyes S-polarizált fénysugarak esetén a polarizációs tengely szögének eltérése az ideálisnak számító 90 fokos szögtől az eltéréssel arányos képminőség romláshoz vezet, azaz növekszik a szellemképesség aránya.

A találmány ismertetése

A találmány célja a jelenlegi HUD rendszerek képminőségének javítása, különös tekintettel a szellemképesség csökkentésére, illetve a lényegében szellemképmentesnek tekinthető terület növelésére.

A cél tehát a kivetítő rendszer oly módon való átalakítása, hogy ne egyszerűen síkban polarizált fényt bocsásson a kombináló elemre, hanem a kombináló elem egyes pontjaiban a minimális szellemkép kontrasztarány eléréséhez szükséges polarizációjú fény érkezzen a szélvédőre. Ehhez megfelelő lehet síkban, de elliptikusan polarizált fény is a HUD működési elvétől függően. A működési elvtől függően a következő feltételek egyikének kell megfelelnie a kialakuló polarizációs konfigurációnak:

A találmány célját általános értelemben az 1. igénypont szerinti javított képminőségű HUD rendszerrel érjük el.

A találmány szerint tehát egy olyan HUD rendszerből indulunk ki, ahol egy képalkotó berendezés egy első irányban meghatározott szélességmérettel és az adott irányra lényegében merőleges második irányban meghatározott magasságmérettel képet hoz létre, amely kivetítő egységből eltérítő optikai elemeken keresztül egy fényáteresztő és fényvisszaverő tulajdonságú kivetítő felületre van kivetítve, ahonnan a visszavert, illetve az áteresztett fény a felhasználó szemébe jut, ahol a kivetítő egység lineárisan polarizált fényt vetít a kivetítő felületre, amely egy adott polarizációs jellemzővel rendelkező fényt nagymértékben visszaver és egy attól eltérő polarizációs jellemzővel rendelkező fényt nagymértékben átereszt.

A találmány szerinti megoldásnál a kivetített lineárisan polarizált fény útjában egy olyan optikai elemet helyezünk el, amely a kivetített képet meghatározó fénysugarak polarizációs tulajdonságait az optikai tengellyel bezárt függőleges és/vagy vízszintes szög függvényében képes módosítani.

Ezzel a megoldással lehetővé válik, hogy a képalkotáshoz a kivetítő egységgel kivetített, az eltérítő optikai elemeken keresztül a kivetítő felületre irányított fénysugarak vetítési irányonként illetve a kivetítő felületen meghatározott képpontonként eltérő polarizációs o fY) O tulajdonságokkal rendelkezzenek ahhoz, hogy a kivetített képen a szellemképesség kontrasztaránya minimális legyen. Egy ilyen megoldással minden egyes képpontban jelentősen csökkenthető a szellemkép kontrasztaránya, vagyis a felhasználó számára szellemkép-mentesnek érzékelhető képfelület jelentősen megnövelhető.

A találmány szerinti megoldásnál a kivetítő egységgel kivetített fénysugarak lineárisan polarizált fénysugarak, amihez vagy az egyik kiviteli példánál a kivetítő egységen belül egy lineáris polarizátor van elhelyezve. Ebben az esetben a kivetítő egység már lineárisan polarizált fényt sugároz ki. Egy másik lehetséges változatnál a kivetítő egység nem tartalmaz lineáris polarizátort, tehát a kivetítő egység által kivetített sugarak polarizálatlan sugarak. Ebben az esetben a kivetítő egységet elhagyó kivetített sugarak útjában van egy lineáris polarizátor elhelyezve, amely a polarizálatlan fényből lineárisan polarizált fényt állít elő.

A találmány másik kiviteli példájánál a kivetített lineárisan polarizált fény útjában elhelyezett optikai elem egy optikai polarizációs modulátor, amely képes a felületén áthaladó sugarak polarizációs tulajdonságát az áthaladás helyének függvényében eltérően modulálni úgy, hogy az áteresztett sugarak előre meghatározott polarizációs iránnyal rendelkező elliptikusan polarizált sugarak.

Ennél a megoldásnál előnyös, ha az optikai polarizációs modulátorral előállított elliptikusan polarizált sugarak ellipticitása szükség szerint a lineáris polarizáció és a cirkuláris polarizáció között változtatható, illetve beállítható.

A találmány szerint tehát a kivetítő egység által a kivetítő felületre kivetített sugarak olyan polarizált sugarak, amelyeknek a polarizációs tulajdonságai, előnyösen a polarizációs tengely iránya és/vagy a polarizáció ellipticitása irányonként, illetve képpontonként eltérő lehet annak érdekében, hogy a kivetített képen a szellemképesség kontrasztaránya minimális legyen.

Egy további kiviteli példánál az optikai polarizációs modulátorral előállított elliptikusan polarizált sugarak polarizációs iránya és ellipticitása úgy van megválasztva, hogy a fényáteresztő és fényvisszaverő tulajdonságú kivetítő felület fényvisszaverő felületére érkező sugarak lényegében tisztán S-polarizált sugarak vagy tisztán P-polarizált sugarak legyenek. Amennyiben a kombináló elem első felülete olyan vékonyréteggel van bevonva, melynek reflexiója S-polarizációra nagyobb, mint P-polarizációra és a második felülete olyan réteggel van bevonva, melynek reflexiója mindkét polarizáció esetén kicsi, úgy a kivetítő felületre érkező sugarak lényegében tisztán S-polarizált sugarak. Fordított o (Ύ) O esetben viszont, mikor a kombináló elem második felülete olyan vékonyréteggel van bevonva, melynek reflexiója S-polarizációra nagyobb, mint P-polarizációra és az első felülete olyan réteggel van bevonva, melynek reflexiója mindkét polarizáció esetén kicsi, úgy a kivetítő felületre érkező sugarak szintén tisztán S-polarizált sugarak. Ha viszont a kombináló elem első felülete olyan vékonyréteggel van bevonva, melynek reflexiója P polarizációra nagyobb, mint S-polarizációra és a második felülete olyan réteggel van bevonva, melynek reflexiója mindkét polarizáció esetén kicsi, úgy a kivetítő felületre érkező sugarak lényegében tisztán P-polarizált sugarak. Végül pedig, ha a kombináló elem második felülete van olyan vékonyréteggel bevonva, melynek reflexiója Ppolarizációra nagyobb, mint S-polarizációra és az első felülete olyan réteggel, melynek reflexiója mindkét polarizáció esetén kicsi, úgy a kivetítő felületre érkező sugarak szintén tisztán P-polarizált sugarak.

Egy további kiviteli példánál a kivetített lineárisan polarizált fény útjában elhelyezett optikai elem egy kettőstörő lemez vagy fólia, amely a kivetítő egységből érkező fényt az elérni kívánt polarizációs jellemzőnek megfelelően irányonként különböző mértékű fázistolással modulálja. Irányonként megfelelő mértékű fázistolással elérhető, hogy a kettőstörő lemezből kilépő sugarak olyan polarizációs tulajdonsággal érkeznek a kombináló elemként működő kivetítő felületre, hogy a szellemkép kontrasztaránya minimális legyen.

Egy ilyen megoldás esetén a kivetítő felület vékonyréteg fóliával lehet ellátva és a kivetített lineárisan polarizált fény S-polarizált fény, ahol a kettőstörő lemez vagy fólia lényegében sík felületet határoz meg. A vékonyréteg fóliával ellátott kivetítő felület és Spolarizált fény alkalmazása esetén a kettőstörő lemezre vagy fóliára érkező sugarak beesési szögtartománya biztosítja az irányonként szükséges eltérő mértékű fázistolást.

Egy másik lehetséges változatnál a kivetítő felület kettőstörő fóliával van ellátva és a kivetített lineárisan polarizált fény P-polarizált fény, ahol a kettőstörő lemez vagy fólia lényegében sík felületet határoz meg. A kettőstörő fóliával ellátott kivetítő felület és Ppolarizált fény alkalmazása esetén a kettőstörő lemezre vagy fóliára érkező sugarak beesési szögtartománya biztosítja az irányonként szükséges eltérő mértékű fázistolást.

Egy további lehetséges kiviteli példánál a kivetítő felület kettőstörő fóliával van ellátva és a kivetített lineárisan polarizált fény S-polarizált fény, ahol a kettőstörő lemez vagy fólia síktól eltérő, ívelt, előnyösen hengeres felületet határoz meg, továbbá ahol az ív görbületi sugara célszerűen a kettőstörő lemez vagy fólia és a nyalábok metszéspontja közötti távolság fele, és a görbületi sugarak metszéspontja a nyalábok metszéspontjával o

(Ύ)

O azonos oldalon van. A kettőstörő fóliával ellátott kivetítő felület és S-polarizált fény alkalmazása esetén a megfelelően megválasztott görbületű kettőstörő lemezre vagy fóliára érkező sugarak beesési szögtartománya biztosítja az irányonként szükséges eltérő mértékű fázistolást.

A kettőstörő fóliát alkalmazó kiviteli példák esetében előnyös, ha a kivetítő felületen elrendezett kettőstörő fólia és a kivetített lineárisan polarizált fény útjában elhelyezett kettőstörő lemez vagy fólia polarizációs tengelye lényegében 90 fokos szöget zár be egymással. A két fólia optikai tengelyét egymásra merőlegesen beállítva (az egyik a függőleges szimmetriatengelytől +45°-kal, a másik -45°-kal elforgatva) csökkenthető a hullámhossztól való függés, akromatikus viselkedés érhető el.

Egy további lehetséges kiviteli példánál a kivetített lineárisan polarizált fény útjában elhelyezett optikai elem egy polarizációs szűrő, amely úgy van kialakítva, hogy a szűrő polarizációs tengelye pontonként változó és ennek megfelelően a tovább haladó fénysugár polarizációs tengelye irányonként változó. Irányonként megfelelően változó polarizációval elérhető, hogy a kettőstörő lemezből kilépő sugarak olyan polarizációs tulajdonsággal érkeznek a kombináló elemként működő kivetítő felületre, hogy a szellemkép kontrasztaránya minimális legyen.

Egy másik lehetséges kiviteli példánál a kivetített lineárisan polarizált fény útjában elhelyezett optikai elem egy kettőstörő elem, amelynél az optikai tengely iránya és/vagy fázistolása az elérni kívánt polarizációs jellemzőnek megfelelően pontonként különböző. A pontonként különböző optikai tengely és/vagy fázistolás irányonként különböző polarizációt alakít ki, amivel elérhető, hogy a kettőstörő elemből kilépő sugarak olyan polarizációs tulajdonsággal érkeznek a kombináló elemként működő kivetítő felületre, hogy a szellemkép kontrasztaránya minimális legyen.

Egy ugyancsak lehetséges kiviteli példánál a kivetített lineárisan polarizált fény útjában elhelyezett optikai elem egy vezérelhető LCD panel, amely úgy van kialakítva és vezérelve, hogy az optikai tengely irányát és/vagy fázistolását az elérni kívánt polarizációs jellemzőnek megfelelően pontonként különbözően változtatja a vezérlés alapján. A vezérelhető LCD panel pontonként különböző optikai tengelyt és/vagy fázistolást alakít ki vezérelhetően, amivel elérhető, hogy a kilépő sugarak olyan polarizációs tulajdonsággal érkeznek a kombináló elemként működő kivetítő felületre, hogy a szellemkép kontrasztaránya minimális legyen.

A találmányt a továbbiakban a mellékelt rajzon példaképpen bemutatott kiviteli alakok o (Ύ) O alapján ismertetjük részletesebben, ahol az

1. ábra egy ismert HUD rendszer felépítésének vázlatos rajza, a

2. ábra a HUD rendszereknél jelentkező szellemképet bemutató vázlat, a

3. ábra a 2. ábra szerinti szellemképet okozó reflexiókat feltüntető vázlat, a

4. ábra a tisztán P- és tisztán S-polarizált sugarak reflexiójának görbéje a beesési szög függvényében levegő-üveg közeghatáron, az

5. ábra tisztán S-polarizált fény és egyszerű szélvédő üveg alkalmazásának eredményét szemléltető vázlat, a

6. ábra tisztán P-polarizált fény és egyszerű szélvédő üveg alkalmazásának eredményét szemléltető vázlat, a

7. ábra az első felületen nagy reflexiójú, a második felületen pedig kis reflexiójú vékonyrétegű fóliával ellátott szélvédő alkalmazásának eredményét szemléltető vázlat, a 8. ábra az első felületen kis reflexiójú, a második felületen pedig nagy reflexiójú vékonyrétegű fóliával ellátott szélvédő alkalmazásának eredményét szemléltető vázlat, a 9. ábra a szélvédő első felületén kettőstörő hullámlemez és S-polarizált fény alkalmazásának eredményét szemléltető vázlat, a

10. ábra a szélvédő első felületén kettőstörő lemez és P-polarizált fény alkalmazásának eredményét szemléltető vázlat, a

11. ábra kétrétegű szélvédőnél a rétegek közötti PVB fólia és kettőstörő hullámlemez valamint S-polarizált fény alkalmazásának eredményét szemléltető vázlat, a

12. ábra kétrétegű szélvédőnél a rétegek közötti PVB fólia és kettőstörő hullámlemez valamint P-polarizált fény alkalmazásának eredményét szemléltető vázlat, a

13. és 14. ábra kétrétegű szélvédőnél a rétegek közötti két kettőstörő hullámlemez valamint S-, illetve P-polarizált fény alkalmazásának eredményét szemléltető vázlat, a

15. ábra a hagyományos HUD rendszereknél a szellemképmentes tartományt szemléltető vázlat, a

16a. ábra a hagyományos HUD rendszereknél a beesési sík és a fény polarizációs tengelye közötti szög változását szemléltető rajz a kivetített sugár irányának függvényében, a

16b. ábra a 16a. ábrán kiemelt nyalábok polarizációjának beesési síkhoz képest mért ferdeségét szemléltető rajz, a

17a ábra a hagyományos HUD rendszereknél a beesési sík és a fény polarizációs tengelye közötti szög változását szemléltető rajz a kivetített sugár irányának függvényében, a 17b ábra a találmány szerinti HUD rendszernél a beesési sík és a fény polarizációs tengelye közötti szög állandóságát szemléltető rajz a kivetített sugár irányának függvényében, a

18a. ábra a hagyományos HUD rendszereknél a beesési sík és a kivetítő felületen lévő kettőstörő fólia optikai tengelye közötti szög változását szemléltető rajz a kivetített sugár o

(Ύ)

O irányának függvényében, a

18b. ábra a 18a. ábrán kiemelt nyalábok beesési síkjának a kivetítő felületen lévő kettőstörő fólia optikai tengelyéhez képest mért ferdeségét szemléltető rajz, a

19a ábra a hagyományos HUD rendszert szemléltető rajz, mikor a kivetítő után csak egy lineáris polarizátor található, feltüntetve a kivetítő felületen lévő kettőstörő fólia optikai tengelyét, a

19b ábra a találmány szerinti HUD rendszert szemléltető rajz, mikor a kivetítő utáni lineáris polarizátort egy polarizáció moduláló optika követ, feltüntetve a kivetítő felületen, illetve a polarizáció moduláló optikán lévő kettőstörő fólia optikai tengelyét, a 19c ábra a találmány szerinti ívelt polarizációs modulátor méretezését és helyzetét szemléltető vázlatos rajz, a

20a ábra egy hagyományos HUD rendszer kivetítő egységével és polarizátorával előállított sugarak vázlatos rajza, a

20b ábra egy találmány szerinti HUD rendszer kivetítő egységével és egy első példa szerinti polarizációs modulátorral előállított sugarak vázlatos rajza, a

20c ábra egy találmány szerinti HUD rendszer kivetítő egységével és egy második példa szerinti polarizációs modulátorral előállított sugarak vázlatos rajza, a

20d ábra egy találmány szerinti HUD rendszer kivetítő egységével és egy harmadik példa szerinti polarizációs modulátorral előállított sugarak vázlatos rajza, a

20e ábra egy találmány szerinti HUD rendszer kivetítő egységével és egy negyedik példa szerinti polarizációs modulátorral előállított sugarak vázlatos rajza, a

21a ábra a 20a ábrán látható HUD rendszernél tapasztalható szellemképesség kontraszt arány értékek diagramja a kivetített képen, a

21b ábra a 20b ábrán látható HUD rendszernél tapasztalható szellemképesség kontraszt arány értékek diagramja a kivetített képen, és a

21c ábra a 20c, 20d és 20e ábrán látható HUD rendszereknél tapasztalható szellemképesség kontraszt arány értékek diagramja a kivetített képen.

A kiviteli példák ismertetése

Mivel az 1 - 16., és 21a ábra a technika állása szerinti HUD rendszereket, azok problémáit mutatja be, azok részletes leírását a leírás korábbi részei tartalmazzák. A leírás áttekinthetősége és egyszerűbb érthetősége kedvéért a már ismertetett ábrákra a későbbiekben csak a szükséges mértékben hivatkozunk.

A találmány megalkotásánál egy az 1. és a 20a ábrán vázlatosan bemutatott, a 17a ábrán pedig több részletet szemléltető ismert HUD rendszerből indultunk ki. A 17a ábra szerinti ismert elrendezésnél a kivetíteni kívánt képet 1 kivetítő egység állítja elő és vetíti o

fY)

O ki a 3 kivetítő felület irányában. Az 1 kivetítő egységből kivetített sugarak ennél a kialakításnál nem polarizált sugarak, azok az 1 kivetítő egység után elhelyezett 19 lineáris polarizátoron áthaladva válnak 25 lineárisan polarizált sugarakká. A 25 lineárisan polarizált sugarak 17 első tükörről és 18 második tükörről visszaverődve jutnak el a 3 kivetítő felületre. A 18 második tükör célszerűen egy aszférikus felületű tükör, amely a kivetített széttartó sugarakból összetartó sugarakat állít elő. Mivel az ismert megoldásnál a 19 lineáris polarizátor optikai tengelye minden pontban egyforma, az áthaladó 25 lineárisan polarizált sugarak polarizációs tengelye is egyforma irányú. Emiatt, amint azt a 16. ábrával kapcsolatban már részletesen leírtuk, a 25 lineárisan polarizált sugarak polarizációs tengelye a beesési síkkal eltérő szöget zár be, ami jelentősen korlátozza a szellemkép-mentes területet (21a ábra).

A 17b és a 20b ábrán bemutatott találmány szerinti HUD rendszernél az 1 kivetítő egység 19, 19' lineáris polarizátora után egy olyan optikai elem van elhelyezve, amely a kivetített képet meghatározó fénysugarak polarizációs tulajdonságait a 21 optikai tengellyel bezárt függőleges és/vagy vízszintes uv, uh szög függvényében képes módosítani.

A kivetített 25, 25' lineárisan polarizált fény útjában elhelyezett optikai elem például egy optikai 20 polarizációs modulátor, amely képes a felületén áthaladó sugarak polarizációs tulajdonságát az áthaladás helyének függvényében eltérően modulálni úgy, hogy az áteresztett sugarak előre meghatározott polarizációs iránnyal rendelkező elliptikusan polarizált sugarak. Az optikai polarizációs modulátorral előállított elliptikusan polarizált sugarak ellipticitása szükség szerint a lineáris polarizáció és a cirkuláris polarizáció között változtatható. Az ábrán az egyszerűség kedvéért a 20 polarizációs modulátoron áthaladó sugarak lineárisan polarizált sugarak, viszont a polarizációs tengelyük meg van változtatva úgy, hogy az S-polarizált sugarak alkalmazása esetén a 10 beesési síkra lényegében merőleges legyen. Ezzel összefüggésben megjegyezzük, hogy a lineárisan polarizált sugarakkal egyenértékűek a kismértékben elliptikusan polarizált sugarak, amelyeknél a nagy tengely iránya megegyezik a lineárisan polarizált sugár polarizációs tengelyével. Az ábrán jól látható, hogy az F0 sugár polarizációs tengelye változatlan, míg az F2 sugár polarizációs tengelye a moduláció során a megfelelő irányban és mértékkel el lett forgatva.

A kombináló elemként használt kivetítő felület, például a jármű szélvédője külső és belső felületének legalább egyike megfelelő vékonyréteg bevonattal ellátva biztosítja a megfelelő értékű visszaverődést, amint azt a 7. és 8. ábrával kapcsolatban már részletesen leírtuk.

o fY)

O

A vékonyréteggel bevont kombináló elem felületén történő többszörös reflexiók és transzmissziók az alábbiak szerint alakulnak. Minden anyaghatárra, minden irányra meghatározható egy-egy reflexiós és transzmissziós együttható, ún. Fresnel-együttható. Egy (pl. üveg) lemezre így a következő együtthatók határozhatók meg az első felületre: r₁₂, ti2, ^r21f ^f21 és a második felületre: r₂₃, t₂₃, r₃₂, t₃₂. Az együtthatók komplex számok, függenek a beesési szögtől és a felület két oldalán lévő anyag komplex törésmutatójától, továbbá a felületre felvitt vékonyréteg struktúrától. Továbbá az együtthatók polarizációtól is függenek és meghatározhatók külön S-polarizációra (r_12S, t_12S, r_21S,

h.is,T23sf Í23Sf ^s, ^32s), illetve P-polarizációra [r™, ^Y2P f ^r21P f ^21P f ^r23P f ^23P f ^r32P f ^32P ) ^iS· Ha a bejövő nyaláb Jones-vektora:

MX) és ebből intenzitása:

I = |E, |² = x² +Y² akkor az első (E₁) és a második (E2) reflektált nyalábokra a következő Jones-vektorokat kapjuk:

-M

ΖΉΝ M

- ~^d \ ahol D = ( ^e °^{0 0} _n ) a lemezben való terjedés mátrixa.

\ 0 e ^λ°'

A reflektált nyalábok intenzitásai:

R1= \E1\² = \X r12_S\² + \Y r^p]²

R'2 = ^lE2¹² = ^|x ^12S^23S^21S ' ^e ^° । + ^|y ’ ^12P^r23P^21P ' ^e ahol d a lemez vastagsága, κ a lemez extinkciós tényezője és λ₀ a megvilágító nyaláb hullámhossza.

A szellemkép arány egyenlő a kisebb intenzitás és a nagyobb intenzitás hányadosával: min(fi₁,fi₂) ^ ^25^235^215 ^{e λ}° । ⁺ ^ t12P^r23pÍ21P ^{e 2}° । ^CRah0St = max(R1,R2) = 1-^.-,-^^

A P-polarizáció reflexiós együtthatója mindig kisebb, mint az S-polarizációé (r_P <r_s) és a transzmissziók éppen fordítva (t_P > t_s), továbbá a Brewster-szögnél r_P = 0 és t_P = if valamint a Brewster-szög közelében r_P » 0 és t_P » 1. Emiatt CR_ghost akkor lesz minimális, mikor Y = 0. Ami pontosan az S polarizáció feltétele, vagyis S-polarizációval kell megvilágítani a kombináló elemet, hogy minimális legyen a szellemkép aránya. CR_ghost a felületek reflexiós és transzmissziós együtthatóinak vékonyrétegekkel való megválasztásával tervezhető. (A harmadik, negyedik, stb. reflexiót a fenti számolásban elhanyagoltuk, mivel intenzitásuk nagyon kicsi.)

A kombináló elemként használt kivetítő felület, például a jármű szélvédője a belső felületén vagy kétrétegű üveg esetén a két réteg között ellátható egy kettőstörő réteggel vagy fóliával is, amint azt a 9 - 12. ábrával kapcsolatban már részletesen leírtuk.

A kettőstörő fóliát alkalmazó elrendezésnél az olyan elliptikusan polarizált fénynyaláb szükséges a minimális szellemkép arány eléréséhez, melynek polarizációja a laminált szélvédőre ferdén érkezve olyan fázistolást szenved, hogy a második felületre éppen Spolarizált vagy P-polarizált fény érkezzen. A szellemkép aránya így lesz minimális. Az ilyen elliptikus polarizációhoz legközelebb álló síkban polarizált fény szintén megfelelő. Ilyen sík polarizáció az, melynek ferdesége az ellipszis ferdeségével egyenlő vagy csak kicsit tér el.

A kettőstörő fóliával ellátott kivetítő felület esetén az alábbi levezetés érvényes: Az első felületén lambda/2-es kettőstörő fóliával bevont kombináló elem esetén az előző képletek a következőképpen alakulnak:

E, (í)

-□Ο _E = (^t21^{S E}2 = ⁽ 0 _t°h-f ^l21P·'

-T^

Λ-0 j/^r23S _e-4^dJ\ 0 ^-r23P • -4¾ e ^Áo j r Í112S _e-4^J ^{C 0} θ )O

Í12P/ \Y' ahol L = — isinΔ/2 cos 20 /εο5Δ/2 \ ΐ3ίηΔ/2 3ίη2φ ismÁ/2srn20 \ . ___ )· Δ a fólia fázistolása, mely függ a εο5Δ/2 + ^ηΔ/2 cos2$7 ' ' beesési szögtől és a nyaláb irányától. φ a beesési sík és a fólia optikai tengelye által bezárt szög, mely szintén függ a nyaláb irányától. (Itt elhanyagoltam a fólia két felületén fellépő, nem koherens többszörös reflexiókat, melyekkel tovább bonyolíthatók az egyenletek.) Az intenzitások erre az esetre hasonlóképpen kiszámolhatók, de kifejezés nagyon bonyolult lenne, így azt nem fejezem ki:

I = |E,|² = X² + Y²

Ri= |E1|² = |X-ri2_S|² + |Y-ri2p|² «2 = IE2I²

A tervezési irányban belátható, hogy Δ = π és φ = 45°, vagyis L = (⁰ ') és L = ( 0.

ki 0/ k— i az R2 ^-í)

0)·

Ekkor egyszerűsödik R2:

^2 = |E2|² = |X-t12_Sr₂₃pÍ21_S-e V^d| + |Y · t^r^^p · e V^d|

Látható, hogy az S- és a P-polarizációs reflexiós tagok felcserélődnek. A szellemképesség aránya erre:

|A · t12S^r23pt21S ’ ^e ^⁰ । ⁺ ’ t12pT23_SÍ2ip · 6 ^T) । |A-ri2_S|² + |y Τ12Ρ|²

A P-polarizáció reflexiós együtthatója mindig kisebb, mint az S-polarizációé (r_P <r_s) és a transzmissziók éppen fordítva (t_P > t_s), továbbá a Brewster-szögnél r_P = 0 és t_P = 1, valamint a Brewster-szög közelében r_P » 0 és t_P » 1. Emiatt CR_ghost szellemkép arány akkor lesz minimális, mikor Y = 0 vagy amikor X = 0. Ami pontosan az S polarizáció, vagy éppen a P-polarizáció feltétele, vagyis ezek valamelyikével kell megvilágítani a combinert a tervezési irányban, hogy minimális legyen a szellemkép aránya. Nem a tervezési irányban, más beesési szögeknél Δ = π és φ = 45° nem teljesül és a CR_ghost kifejezésben az S- és a P-polarizációs reflexiós tagok nem egyszerűen felcserélődnek, hanem azoknak egy kombinációját kapjuk:

_ minCfii,^) ^9host = max(R1,R2) |χ·ίΐ25 (a · Í23S + b · T23P) Ϊ2ΐ₈·β T)²^ + |γ · ti2_P(a · V_23P + b · T23S)Ϊ21Ρ · e T)^2d| |Χ·^12₅|² + |YT12P^|2 ahol a és b komplex számok.

Ekkor a CR_ghost szellemkép arányt minimalizáló megoldás nem feltétlenül lineárisan polarizált, tehát X és Y fázisa nem lesz feltétlenül azonos. Ha X és Y fázisa nem azonos, akkor beszélünk elliptikus polarizációról. A cél tehát X és Y relatív fázisát úgy kialakítani a kombináló elemre való érkezés előtt, hogy CR_ghost minimális legyen. (Ha X és Y fáziskülönbsége 0° vagy 180°, akkor lineáris polarizációról beszélünk, ha 90°, akkor cirkuláris polarizációról. Minden egyéb esetben elliptikus polarizációnak nevezzük.)

A kombináló elemként használt kivetítő felület vagy szélvédő felületén alkalmazott kiegészítő fólia vagy réteg, illetve a kivetített lineárisan polarizált fény polarizációs iránya (S vagy P) függvényében különböző alakú kettőstörő lemezeket lehet alkalmazni polarizációs modulátorként a találmány szerinti HUD rendszerben a kivetítő egység, illetve annak 19 lineáris polarizátora és a 3 kivetítő felület között. A kivetített 25 lineárisan polarizált fénysugár útjában elhelyezett 31 polarizációs modulátorként használható kettőstörő lemez vagy fólia a kivetítő egységből érkező fényt az elérni kívánt polarizációs jellemzőnek megfelelően irányonként különböző mértékű fázistolással modulálja. A görbe felületre érkező 25 lineárisan polarizált fénysugár a ferde beesési szög, a ferde optikai tengely és a ferde polarizációs sík miatt különböző elliptikusan polarizált 41 sugárként vagy nyalábként halad tovább.

Amikor a 3 kivetítő felület vékonyréteg fóliával vagy 13, 14 réteggel van ellátva és a kivetített 25 lineárisan polarizált fény S-polarizált fény, akkor a polarizációs o

fY)

O modulátorként használt kettőstörő lemezként vagy fóliaként kialakított 31 polarizációs modulátor lényegében sík felületet határoz meg.

Ha a 3 kivetítő felület 15 kettőstörő fóliával vagy réteggel van ellátva és a kivetített 25 lineárisan polarizált fény P-polarizált fény, akkor a 31 polarizációs modulátorként használt kettőstörő lemez vagy fólia lényegében sík felületet határoz meg.

Amennyiben a 3 kivetítő felület 15 kettőstörő fóliával vagy réteggel van ellátva és a kivetített 25 lineárisan polarizált fény S-polarizált fény, akkor a polarizációs 31 modulátorként használt kettőstörő lemez vagy fólia síktól eltérő, ívelt felületet határoz meg (19b és 20a ábra). Az ilyen kialakítás esetén az ív R görbületi sugara célszerűen a kettőstörő lemez vagy fólia és a nyalábok metszéspontja közötti A+B távolság fele, azaz A+B=2R, és a görbületi sugarak metszéspontja a nyalábok metszéspontjával azonos oldalon van, amint az a 19c ábrán látható.

A hagyományos megvalósításoknál, amikor a kombináló elem kettőstörő anyaggal van bevonva egy további probléma, hogy a tervezési iránytól eltérve, a kép szélei felé haladva a beesési sík és a kettőstörő anyag optikai tengelye által bezárt szög is irányonként különbözővé válik. (18/a. és 18/b. ábra) Emiatt az egyes irányokban nem teljesül a pontosan 90 fokos polarizáció forgatás, amire a kettőstörő hullámlemez tervezve van. A 18a ábrán három F0, F1 és F2 sugár van feltüntetve, amelyek a kép különböző pontjaiból a vezető szemébe jutnak. A berajzolt három sugár közül az F0 sugár az optimális vagy tervezési irányban halad, és ennél a sugárnál a 23 nyíllal jelölt optikai tengely és a 10 beesési sík által bezárt szög megfelel a HUD kijelző szempontjából optimális Φ0 = 45 fokos szögnek. Ez a szög a függőleges irányban a kép széle felé haladó sugarak esetén nem változik. Viszont amikor a kép függőleges középvonalától vízszintes irányban is eltérő sugarakat figyeljük, azt tapasztaljuk, hogy a kép függőleges középvonalától vízszintes irányban jobbra eltérő sugarak, így például az F1 sugár esetén ez a szög csökken, tehát az F1 sugárhoz tartozó Φ1 szög kisebb, mint a Φ0 szög, azaz Φ1 < 45 fok. Hasonlóképpen, a kép függőleges középvonalától vízszintes irányban balra eltérő sugarak, így például az F2 sugár esetén ez a szög nő, tehát az F2 sugárhoz tartozó Φ2 szög nagyobb, mint a Φ0 szög, azaz Φ2 > 45 fok. Mivel kizárólag a Φ0 = 45 fok esetén teljesül a kettőstörő fólia által okozott 90 fokos polarizáció forgatás, az ettől eltérő szögek esetén már nem lesz pontosan 90 fokos a polarizáció forgatás és az egyes felületeken reflektálódó nyalábok intenzitás aránya eltérnek az ideálistól és növekszik a szellemképességi kontraszt arány. A 18b ábrán a jobb oldalon görbe vonalak jelölik a kivetített képtartományban az azonos szögértékeket. A kép függőleges középvonalában ez a szög a kép alsó és felső széle között egyformán 45 fok. A kép o (Ύ) O függőleges középvonalától vízszintes irányban jobbra eltérő sugarak esetén egy-egy görbe mentén láthatók azok a sugarak, amelyeknél az optikai tengely 45 foknál kisebb szöget zár be a beesési síkkal, ahol a kettőstörő fólia optikai tengelye az első görbe mentén 40 fokos, a második görbe mentén 35 fokos, a harmadik görbe mentén 30 fokos és a negyedik görbe mentén 25 fokos szöget zár be a beesési síkkal. A kép függőleges középvonalától vízszintes irányban balra eltérő sugarak esetén egy-egy görbe mentén láthatók azok a sugarak, amelyeknél az optikai tengely 45 foknál nagyobb szöget zár be a beesési síkkal, ahol a kettőstörő fólia optikai tengelye az első görbe mentén 50 fokos, a második görbe mentén 55 fokos, a harmadik görbe mentén 60 fokos és a negyedik görbe mentén 65 fokos szöget zár be a beesési síkkal. Az egyes fénysugarak esetén az optikai tengely szögének eltérése az ideálisnak számító 45 fokos szögtől az eltéréssel arányos képminőség romláshoz vezet, azaz növekszik a szellemképesség aránya. Az ismertetett megoldások az optikai tengely ferdeségének korrigálására is megoldást nyújtanak, ahogy az a fentebb Jones-mátrix formalizmussal elvégzett levezetésben is látható.

A 19b ábrán látható kiviteli példánál a 3 kivetítő felületen elrendezett 15 kettőstörő fólia (9. ábra) 23 nyíllal jelölt polarizációs tengelye és a kivetített 25 lineárisan polarizált fény útjában elhelyezett 31 polarizációs modulátorként működő kettőstörő lemez vagy fólia 24 nyíllal jelölt polarizációs tengelye lényegében 90 fokos szöget zár be egymással. A két fólia optikai tengelyét egymásra merőlegesen beállítva (az egyik a függőleges szimmetriatengelytől +45°-kal, a másik -45°-kal elforgatva) csökkenthető a hullámhossztól való függés, tehát akromatikus viselkedés érhető el. Ez amiatt van, hogy a kettőstörő fólia egy bizonyos hullámhosszra van tervezve. Ettől különböző hullámhosszakon más fázistolást szenved a nyaláb és színhibás lesz a rendszer. Az egymásra merőleges optikai tengelyekkel azt érjük el, hogy amekkora hibát hordoz az első fólián való áthaladás után a nyaláb, azt a hibát a második fólia kompenzálja.

A 20c ábrán látható kiviteli példánál a kivetített 25 lineárisan polarizált fény útjában elhelyezett optikai elem egy 32 polarizációs szűrő, amely úgy van kialakítva, hogy a szűrő polarizációs tengelye pontonként változó és ennek megfelelően a továbbhaladó 42 fénysugár polarizációs tengelye irányonként változó.

A 20d ábrán egy olyan kiviteli példa látható, amelynél a kivetített 25 lineárisan polarizált fény útjában elhelyezett optikai elem egy 33 kettőstörő elem, amelynél az optikai tengely iránya és/vagy a fázistolás az elérni kívánt polarizációs jellemzőnek megfelelően pontonként különböző. Ebben az elrendezésben a kettőstörő fólia működése elvben megegyezik a 20b ábra szerinti kettőstörő fólia működésével, viszont ennél a kettőstörő o fY) O fóliánál lehetőség van az optikai tengely és/vagy a fázistolás pontonként eltérő beállítására a rendszer igényeinek megfelelően.

A 20e ábrán bemutatott kiviteli példánál a kivetített 25 lineárisan polarizált fény útjában elhelyezett optikai elem egy 34 vezérelhető LCD panel, amely úgy van kialakítva és vezérelve, hogy az optikai tengely iránya és/vagy a fázistolás az elérni kívánt polarizációs jellemzőnek megfelelően pontonként különbözően változtatható a vezérlés alapján. Ennél az elrendezésnél nincs szükség polarizációs szűrőre, mert a polarizáció modulálására az LCD panel folyadékkristályos pixeleit használjuk. A pixelek vezérlésével így nem fényerőt változtatunk, mint egy hagyományos LCD kijelző esetén, hanem pontonként az átmenő fény polarizációját. A 19 lineáris polarizátorból vagy polárszűrőből érkező 25 lineárisan polarizált fényt így a pixeleket vezérelve irányonként tudjuk modulálni. A 34 vezérelhető LCD panel lényegében a 20d ábra szerinti optikai 33 kettőstörő elem vezérelhető változata, hiszen a kettőstörő folyadékkristályok optikai tengelyét forgatjuk el a kívánt mértékben. Az LCD pixelek vezérléséhez szükséges paraméterek méréssel vagy modellezéssel meghatározhatók.

A 21a-c ábrán látható a hagyományos és a találmány szerinti HUD rendszerrel elérhető szellemkép arány. Amint azt a korábbiakban már leírtuk, a 19a vagy 20a ábra szerinti HUD rendszernél a szellemkép-mentesnek tekinthető (CR_ghost < 3%) tartomány erősen korlátozott (függőleges irányban +/-9° és vízszintes irányban +/-7°), amint az a 21a ábrán jól látható.

Ezzel szemben a 20b szerinti HUD kialakítás esetén a szellemkép-mentesnek tekinthető (CR_ghost < 3%) tartomány jelentősen javul (függőleges irányban +/-9° mellett vízszintes irányban +/-25°), amint az a 21b ábrán jól látható. A 20c, 20d és 20e elrendezéssel kialakított HUD rendszer szellemkép aránya a 21c ábrán látható. Ezekkel a HUD kialakításokkal a szellemkép-mentesnek tekinthető tartomány tovább javul (függőleges irányban +/-9° mellett vízszintes irányban több mint +/-30°), amint az a 21c ábrán jól látható.

Amint az a fenti leírásból egyértelműen kiderül, a találmány szerinti megoldás a polarizációs elven működő HUD rendszereknél jelentősen lecsökkenti a szellemképességet illetve megnöveli a szellemkép-mentesnek tekinthető tartományt. A javasolt megoldással a meglévő rendszerek is felszerelhetők, valamint új, lényegesen nagyobb képméretű HUD eszközök is megvalósíthatók. Bizonyos esetekben megvalósítható az ún. AR (augmented reality) élmény is, mivel a sofőr számára a látott horizont teljes mértékben lefedhető. Az új megoldás rendkívül előnyösen kombinálható P polarizációs, (polarizáló napszemüvegben is működő) HUD rendszerekkel is. A megoldás természetesen nem csak gépjárművekben, hanem pl. repülőgépek, hajók, egyéb járművek ablakain is alkalmazható.

Claims (14)

1. Javított képminőségű HUD rendszer, ahol egy képalkotó berendezés egy első irányban meghatározott szélességmérettel és az adott irányra lényegében merőleges második irányban meghatározott magasságmérettel képet hoz létre, amely kivetítő egységből (1) eltérítő optikai elemeken keresztül egy fényáteresztő és fényvisszaverő tulajdonságú kivetítő felületre (3) van kivetítve, ahonnan a visszavert, illetve az áteresztett fény a felhasználó szemébe jut, ahol a kivetítő egység (1) lényegében lineárisan polarizált fényt vetít a kivetítő felületre (3), amely egy adott polarizációs jellemzővel rendelkező fényt nagymértékben visszaver és egy attól eltérő polarizációs jellemzővel rendelkező fényt nagymértékben átereszt, azzal jellemezve, hogy a kivetített lineárisan polarizált fény (25) útjában egy olyan optikai elemet (20) helyezünk el, amely a kivetített képet meghatározó fénysugarak polarizációs tulajdonságait az optikai tengellyel (21) bezárt függőleges és/vagy vízszintes szög (a_V, a_H) függvényében képes módosítani.

2. Az 1. igénypont szerinti HUD rendszer, azzal jellemezve, hogy a kivetítő egység (1) tartalmaz egy lineáris polarizátort (19), amelynek segítségével a kivetítő egység (1) lineárisan polarizált fényt (25) sugároz ki.

3. Az 1. igénypont szerinti HUD rendszer, azzal jellemezve, hogy a kivetítő egység (1) után lineáris polarizátor (19, 19') van elhelyezve, amely a polarizálatlan sugarakból lineárisan polarizált fényt (25, 25') állít elő.

4. Az 1 - 3. igénypontok bármelyike szerinti HUD rendszer, azzal jellemezve, hogy a kivetített lineárisan polarizált fény (25) útjában elhelyezett optikai elem egy optikai polarizációs modulátor, amely képes a felületén áthaladó sugarak (41, 42, 43, 44) polarizációs tulajdonságát az áthaladás helyének függvényében eltérően modulálni úgy, hogy az áteresztett sugarak (41, 42, 43, 44) előre meghatározott polarizációs iránnyal rendelkező elliptikusan polarizált sugarak.

5. A 4. igénypont szerinti HUD rendszer, azzal jellemezve, hogy az optikai polarizációs modulátorral előállított elliptikusan polarizált sugarak ellipticitása szükség szerint a lineáris polarizáció és a cirkuláris polarizáció között változtatható.

6. Az 5. igénypont szerinti HUD rendszer, azzal jellemezve, hogy az optikai polarizációs modulátorral előállított elliptikusan polarizált sugarak (41, 42, 43, 44) polarizációs iránya és ellipticitása úgy van megválasztva, hogy a fényáteresztő és fényvisszaverő tulajdonságú kivetítő felület (3) fényvisszaverő felületére érkező sugarak lényegében o

fY)

O tisztán S-polarizált sugarak vagy tisztán P-polarizált sugarak legyenek.

7. A 6. igénypont szerinti HUD rendszer, azzal jellemezve, hogy a kivetített lineárisan polarizált fény (25) útjában elhelyezett optikai elem egy kettőstörő lemez vagy fólia (31), amely a kivetítő egységből (1) érkező fényt az elérni kívánt polarizációs jellemzőnek megfelelően irányonként különböző mértékű fázistolással modulálja.

8. A 7. igénypont szerinti HUD rendszer, azzal jellemezve, hogy a kivetítő felület (3) vékonyréteg fóliával vagy réteggel (13, 14) van ellátva és a kivetített lineárisan polarizált fény (25) S-polarizált fény, ahol a kettőstörő lemez vagy fólia (31) lényegében sík felületet határoz meg.

9. A 7. igénypont szerinti HUD rendszer, azzal jellemezve, hogy a kivetítő felület (3) kettőstörő fóliával (15) van ellátva és a kivetített lineárisan polarizált (25) fény Ppolarizált fény, ahol a kettőstörő lemez vagy fólia (31) lényegében sík felületet határoz meg.

10. A 7. igénypont szerinti HUD rendszer, azzal jellemezve, hogy a kivetítő felület (3) kettőstörő fóliával (15) van ellátva és a kivetített lineárisan polarizált fény (25) Spolarizált fény, ahol a kettőstörő lemez vagy fólia (31) síktól eltérő, ívelt, előnyösen hengeres felületet határoz meg, továbbá ahol az ív görbületi sugara (R) célszerűen a kettőstörő lemez vagy fólia (31) és a nyalábok metszéspontja közötti távolság (A+B) fele, és a hengeres lemez vagy fólia görbületi középpontja a nyalábok metszéspontjával azonos oldalon van.

11. A 9. vagy 10. igénypont szerinti HUD rendszer, azzal jellemezve, hogy a kivetítő felületen (3) elrendezett kettőstörő fólia (15) és a kivetített lineárisan polarizált fény (25) útjában elhelyezett kettőstörő lemez vagy fólia (31) polarizációs tengelye lényegében 90 fokos szöget zár be egymással.

12. A 6. igénypont szerinti HUD rendszer, azzal jellemezve, hogy a kivetített lineárisan polarizált fény (25) útjában elhelyezett optikai elem egy polarizációs szűrő (32), amely úgy van kialakítva, hogy a szűrő polarizációs tengelye pontonként változó és ennek megfelelően a tovább haladó fénysugár (42) polarizációs tengelye irányonként változó.

13. A 6. igénypont szerinti HUD rendszer, azzal jellemezve, hogy a kivetített lineárisan polarizált fény (25) útjában elhelyezett optikai elem egy kettőstörő elem (33), amelynél az optikai tengely iránya és/vagy a fázistolás az elérni kívánt polarizációs jellemzőnek o

(Ύ)

O megfelelően pontonként különböző.

14. A 6. igénypont szerinti HUD rendszer, azzal jellemezve, hogy a kivetített lineárisan polarizált fény (25) útjában elhelyezett optikai elem egy vezérelhető LCD panel (34), amely úgy van kialakítva és vezérelve, hogy az optikai tengely iránya és/vagy a fázistolás az elérni kívánt polarizációs jellemzőnek megfelelően pontonként különbözően változtatható a vezérlés alapján.