Die Bedeutung der Sonnenbelastung für Head-up-Displays mit Augmented-Reality

Augmented Reality geeignete Head-up-Displays sind die nächste große Neuerung in der Automobilindustrie. Doch es gibt mehrere Herausforderungen beim Design eines AR-Displays. Eine davon ist die Sonnenbelastung.

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Texas Instruments Deutschland GmbH

Die technische Entwicklung von Head-up-Displays (HUDs) mit Augmented Reality (AR) ist mittlerweile so weit fortgeschritten, dass die Automobilhersteller und Tier-1-Zulieferer aktiv an der Entwicklung AR-fähiger HUDs arbeiten. Echte AR-Displays erfordern dabei ein Sichtfeld von mindestens 10° in Verbindung mit einer Entfernung des virtuellen Bildes (Virtual Image Distance – VID) von 7,5 m oder mehr. Das Sichtfeld gibt (in Grad) die Größe des Bildes an, während VID die scheinbare Distanz ist, in der das Bild projiziert wird. In einem Kfz-HUD ist VID ein Maß dafür, in welcher Entfernung das Bild über der Straße erscheint.

Bei AR-Displays geht es darum, digitale Informationen so in die reale Umgebung einzublenden, dass sich der Fahrer der Situation besser bewusst und ein aufgewertetes Fahrerlebnis erzeugt wird. Je größer das Sichtfeld und je weiter entfernt das virtuelle Bild erscheint, umso besser.

Bildergalerie

Zwei der größten Herausforderungen beim Design eines AR-Displays waren stets die Helligkeit und die Sonnenbelastung. Da ein AR-Display so breit und so hell wie möglich sein sollte, muss der Bilderzeuger viel Licht liefern. Außerdem ist es notwendig, die Bilder in möglichst großer Entfernung zu projizieren. Heutige HUDs bieten ein Sichtfeld von 7 bis 8 Grad oder weniger und „projizieren” ihre Bilder in einer Distanz von 2,0 bis 2,5 Metern, sodass diese über der Motorhaube zu schweben scheinen. Bei einem AR-HUD aber möchte man, dass die Bilder in größerer Entfernung erscheinen, damit sie das Sichtfeld des Fahrers aufwerten und mit der realen Szenerie interagieren können.

Es ist durchaus nicht ungewöhnlich, dass Systeme mit Vergrößerungsfaktoren von 25 bis 30 entwickelt werden, um das Bild in größerer Entfernung erscheinen zu lassen. Dies hat allerdings den unerwünschten Nebeneffekt, dass das eingestrahlte Sonnenlicht auf eine sehr kleine Fläche des Bilderzeuger-Panels fokussiert wird, was erhebliche thermische Herausforderungen mit sich bringen kann. Durch den hohen Vergrößerungsfaktor rückt das Bilderzeuger-Panel näher an den Brennpunkt der HUD-Optik, sodass – wie in Bild 1 illustriert – mehr Sonnenenergie auf jede Flächeneinheit des Bilderzeugers fällt.

Problematisch ist hier wohlgemerkt nicht die Umgebungstemperatur. Stattdessen sorgt die Fokussierung der Sonnenenergie in Verbindung mit der Tatsache, dass wegen des größeren Blendschutzes eines AR-HUD mehr Licht in das System eintritt, für thermische Probleme.

Die spezielle, zwischengeschaltete Diffusorscheibe der DLP

-Technologie gestattet dagegen das Design von HUDs, die die von der Bündelung des Sonnenlichts verursachte thermische Belastung problemlos bewältigen. Wie in Bild 2 zu sehen ist, projiziert ein auf DLP-Technologie basierendes HUD das Bild auf eine Diffusorscheibe, von wo es von der HUD-Optik vergrößert und auf die Windschutzscheibe projiziert wird, um durch Reflexion zum Auge des Fahrers zu gelangen. Bei einem TFT-HUD wird das TFT-Panel mit der Halbleiter-Optik verbunden, sodass hier weder eine Diffusorscheibe noch die ergänzende Elektronik benötigt wird.

Um besser zu verstehen, weshalb eine Diffusorscheibe einen Vorteil darstellt, sollen jetzt die physikalischen Eigenschaften einer Diffusorscheibe und eines traditionellen TFT-Panels betrachtet werden (Bild 3). Die Vorteile der Diffusorscheibe sind ihre höhere Betriebstemperatur und – was noch wichtiger ist – die Tatsache, dass die Diffusorscheibe nur einen sehr kleinen Teil des ankommenden sichtbaren Sonnenlichts absorbiert. Die Infrarot- und Ultraviolett-Anteile des Spektrums lassen sich dagegen leicht ausfiltern.

Das ankommende Sonnenlicht wird von der HUD-Optik auf den Diffusor fokussiert, genau wie es bei einem TFT-Panel wäre. Im Fall der Diffusorscheibe aber wird das Licht gestreut, was die Vergrößerungswirkung der HUD-Optik eliminiert und dafür sorgt, dass das thermische Problem deutlich einfacher zu beherrschen ist. Bei einem TFT-Panel dagegen wird die Sonnenenergie absorbiert, was die Betriebstemperatur des Panels über den zulässigen Maximalwert hinaus ansteigen lassen kann. Dieser Vorteil hinsichtlich der Sonnenbelastung sowie die herausragenden Eigenschaften in Bezug auf die Helligkeit, den Kontrast und den Farbbereich erlaubt es Automobilherstellern und Tier-1-Zulieferern, AR-HUDs der nächsten Generation zu entwickeln und auf den Markt zu bringen.

* Mike Firth ist Marketing Manager bei Texas Instruments DLP Automotive

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