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AR-fähige Head-up-Displays erfordern Modellierung der Sonnenbelastung

| Autor/ Redakteur: Mike Firth* / Benjamin Kirchbeck

Augmented Reality (AR) geeignete Head-up-Displays (HUDs) werden das Autofahren grundlegend verändern, indem sie wichtige Fahrinformationen in die reale Welt einblenden. Doch stellt die Sonnenbelastung eine erhebliche Herausforderung dar.

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Sonneneinstrahlungs-Simulationen für ein AR-HUD erfordern ein präzises Sonnenlichtmodell mit den richtigen Winkel-, Spektral- und Einstrahlungs-Eigenschaften.
Sonneneinstrahlungs-Simulationen für ein AR-HUD erfordern ein präzises Sonnenlichtmodell mit den richtigen Winkel-, Spektral- und Einstrahlungs-Eigenschaften.
(Bild: Conti)

Wenn man im Automobilbereich nicht nur einfache Warntöne ausgibt und Symbole anzeigt, sondern Grafiken direkt in das Blickfeld der Autofahrer einblendet, lassen sich Informationen übermitteln und Gefahren in der Sichtlinie anzeigen, damit die Fahrer umgehend reagieren können. Dabei erscheinen die Grafiken wie ein Bestandteil der realen Welt und dienen nicht nur als sekundäres Informationsdisplay, wie es bei heutigen HUDs der Fall ist.

Im Unterschied zu traditionellen HUDs besitzen AR-HUDs nämlich ein sehr breites Sichtfeld, und ihr virtuelles Bild erscheint in einer sehr großen Entfernung. Außerdem erfordern sie die Echtzeit-Integration der Sensordaten des Fahrzeugs in das HUD-Display. Die große, mehr als 7 m betragende Entfernung des virtuellen Bildes, und in geringerem Ausmaß auch das breitere Sichtfeld (mindestens um einen Winkel von 10° horizontal und 4° vertikal) haben eine deutlich stärkere Konzentration der Sonnenenergie zur Folge, was mit einer entsprechend stärkeren Erwärmung des Imager-Panels einhergeht. Um thermische Schäden infolge der Sonneneinstrahlung zu verhindern, muss das AR-HUD sorgfältig konstruiert werden und es sind detaillierte Sonneneinstrahlungs-Simulationen nötig, um die zuverlässige Funktion zu verifizieren. Die folgenden Aspekte sind zu beachten, wenn die Auswirkungen der Sonneneinstrahlung auf ein AR-HUD nachgebildet werden sollen.

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Genauigkeit des Sonnenbelastungs-Modells

Auch wenn es wie eine Selbstverständlichkeit erscheinen mag, kann gar nicht genug betont werden, wie wichtig die Genauigkeit der Elemente des Modells ist. Sonneneinstrahlungs-Simulationen für ein AR-HUD erfordern ein präzises Sonnenlichtmodell mit den richtigen Winkel-, Spektral- und Einstrahlungs-Eigenschaften. Darüber hinaus werden jedoch exakte Kurven zur spektralen Transmission der optischen Elemente im Auto benötigt (unter anderem sind dies die Windschutzscheibe, der Blendschutz sowie heiße und kalte Spiegel).

Auswirkungen achsferner Sonneneinstrahlung

Unter den alltäglichen Fahrbedingungen strahlt die Sonne aus den unterschiedlichsten Winkeln ein, wenn ein Auto Kurven durchfährt und bergauf und bergab fährt. Es ist deshalb wichtig, das einstrahlende Sonnenlicht über einen geeigneten Winkelbereich zu erfassen (siehe das Beispiel in Bild 1). Wie TI festgestellt hat, war die achsferne maximale Sonneneinstrahlung 2,7-mal stärker als die Haupt-Strahlen in unserem AR-HUD-Prototyp auf Basis der DLP-Technologie von TI, was zu einer deutlich stärkeren thermischen Belastung führte. Die maximale Sonneneinstrahlung aus der Simulation ist in Bild 2 zu sehen. Wird ein System nicht so konstruiert, dass es mit der im ungünstigsten Fall zu erwartenden achsfernen Sonneneinstrahlung zurechtkommt, besteht das Risiko inakzeptabler Feldausfälle infolge beschädigter Imager-Panels.

Thermische Konsequenzen der Sonneneinstrahlung

Das Simulieren der maximalen Sonneneinstrahlung ist allerdings nur der erste Schritt im Zuge der Vorhersage und Vermeidung thermischer Ausfälle. Abhängig von der spektralen Absorption des Materials, auf das es fällt, wird die im Sonnenlicht enthaltene Energie in unterschiedlich viel Wärme verwandelt. In unseren Tests zum Beispiel erwärmte sich ein TFT-Panel (Thin-Film Transistor) durch die Sonnenbelastung ungefähr sechsmal schneller als die lichtdurchlässige, aus einem Mikrolinsen-Array bestehende Diffusorscheibe, wie sie in DLP-basierten Systemen zum Einsatz kommt (Bild 3). Das TFT-Panel ist folglich deutlich anfälliger gegen Schäden durch Sonneneinstrahlung.

Bei einer Umgebungstemperatur von 85 °C verkraften die in HUD-Systemen mit DLP-Technologie eingesetzten Kuraray-Diffusorscheiben eine Sonneneinstrahlung von 82 kW/m², was ihrer geringen spektralen Absorption und ihrer hohen Betriebstemperatur zu verdanken ist. Dank dieser günstigen thermischen Eigenschaften kann die DLP-Technologie die großen virtuellen Bildentfernungen, wie sie in AR-HUDs vorkommen, besser unterstützen.

Die Herausforderungen beim Design von AR-HUDs unterscheiden sich grundlegend von jenen, die sich beim Design heutiger HUDs stellen. Die Sonnenbelastung ist bei einem AR-HUD ungleich stärker, es sind detaillierte thermische Simulationen erforderlich, und schließlich ist beim Design auch die achsferne Sonneneinstrahlung zu berücksichtigen. Eine genauere Abhandlung zur Nachbildung der Sonnenbelastung enthält das Whitepaper „DLP Technology: Solar loading in augmented reality head-up display systems”.

* Mike Firth arbeitet als Marketing Manager bei Texas Instruments DLP Automotive.

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