Bild 1: Der Waveguide auf Lichtleiterbasis nimmt deutlich weniger Bauraum ein als ein AR-HUD mit Spiegeln. (Bild: Continental)
Augmentierungen der realen Welt ermöglichen eine intuitive Kommunikation zwischen Fahrzeug und Mensch. Der Haken dabei war bisher nur: Die Technik des Head-up-Displays (HUD) zur Darstellung von Augmented Reality (AR) ist zwar verfügbar, aber sie passt wegen ihres Bauvolumens in nahezu keinen Pkw. Selbst große Limousinen bieten in der Regel nicht die bis zu 30 Liter Volumen in der Armaturentafel, die ein AR-HUD bisher benötigen würde (Bild 1).
Bild 1: Der Waveguide auf Lichtleiterbasis nimmt deutlich weniger Bauraum ein als ein AR-HUD mit Spiegeln. Continental
Ursache für diese große Bauraumanforderung sind die beiden Spiegel, die die grafischen Augmentierungen von der digitalen Bilderzeugungseinheit aus passgenau über die Windschutzscheibe als Teil des optischen Systems in die reale Außenansicht hineinprojizieren. Die Größe der Spiegel ergibt sich zwangsläufig aus der Anforderung, die Augmentierungen möglichst im gesamten Sichtfeld des Fahrers platzieren zu können. Das bedeutet ein Öffnungswinkel von mindestens 10° x 5° und idealerweise ein Projektionsabstand von 10 m (die Bildgröße entspricht dann 1,75 m x 0,87 m) oder mehr.
Sobald der größere der beiden Spiegel ausreichend für diese Aufgabenstellung dimensioniert ist, erhält das AR-HUD unvermeidlich die genannte Baugröße. Natürlich ist das keine Überraschung – diese optische Hürde war für die Entwickler eine von Anfang an klar absehbare Herausforderung. Der Versuchsträger von Continental aus dem Jahre 2014 diente deshalb vor allem dazu, den ergonomischen Nutzen der Augmentierungen im Fahrzeug bei realen Fahrten zu verdeutlichen und auch zu zeigen, dass die Erzeugung und die Positionierung der grafischen Augmentierungen funktionieren.
Das Funktionsprinzip des Waveguides inklusive einer animierten Darstellung sehen Sie auf der kommenden Seite.
Interaktion neu gedacht
Die Einbettung der Augmentierungen in die reale Ansicht lässt Fahrer sofort erfassen, wo und warum Aufmerksamkeit gefordert ist. Virtuelle Navigationshinweise auf der Fahrbahn beispielsweise erleichtern das Fahren und erhöhen die Sicherheit. Aber das AR-HUD unterstützt nicht nur Fahrer bei der aktiven Bewältigung der Fahraufgabe. Es ist auch ein wichtiger Bestandteil künftiger Interaktionskonzepte für das automatisierte Fahren (AF). Da der Mensch am Steuer zumindest während einzelner Fahrabschnitte die Kontrolle über das Fahrzeug an die Automation abgibt, ändert sich seine Rolle fundamental. Seine Wahrnehmung des Fahrerlebnisses ist nicht mehr davon geprägt, wie sich die aktive Bedienung des Fahrzeugs anfühlt.
Stattdessen geht es darum, wie die Leistung der Automation subjektiv empfunden und bewertet wird. Entsteht beispielsweise das gewünschte Sicherheitsgefühl? Erlebt der Fahrer die Automation als angenehme Erweiterung seiner eigenen Fähigkeiten? Oder im Gegenteil womöglich als Kontrollverlust? Für diese Wahrnehmungsprozesse ist eine neue Form der Interaktion nötig. Das AR-HUD kann beim AF auf Wunsch intuitiv transparent machen, was das Auto „sieht“ und „plant“, indem es erkannte Objekte und sichere Trajektorien grafisch anzeigt – wäre da nicht die Größe des Gerätes.
HUD-Durchbruch durch Waveguide
Bild 2: Flache Lichtwellenleiter ermöglichen beim Waveguide kompakte Geräteabmessungen mit einem Volumen von nur noch etwa 10 Liter. Continental
Genau diese Hürde überwindet das AR-HUD Waveguide auf Basis eines flachen Lichtwellenleiters (LWL): Hier erreicht Continental in Zusammenarbeit mit dem Entwicklungspartner Digilens bei 15° x 5° Anzeigebereich sehr kompakte Geräteabmessungen mit einem Volumen von nur noch etwa 10 Liter (Bild 2). Das aber ermöglicht den Einsatz in vielen Fahrzeugen. Ein vollfarbiger Demonstrator hat 2018 gezeigt, dass es nun auf dem Weg zur Industrialisierung des AR-HUD tatsächlich weitergehen kann, um die Vorteile des AR-HUD für möglichst viele Fahrer zu erschließen.
Bild 3: An die Stelle der sonst üblichen Spiegel tritt ein flacher, mehrschichtiger Wellenleiter mit holografischer Gitterstruktur. Continental
Bild 4: Die Augmentierungen werden aus der Bilderzeugungseinheit in den LWL-Stapel eingekoppelt, umgelenkt und nach oben ausgekoppelt. Die Technologie ermöglicht einen Projektionsabstand von 10 m. Continental
Die frühzeitige Investition in Lichtleitertechnologie hat sich damit bewährt. Seit dem Beginn der strategischen Partnerschaft mit dem US-amerikanischen Lichtleiter-HUD-Spezialisten Digilens im Jahr 2016 und der Aufstockung dieser Beteiligung 2018 ging es darum, den Einsatz von Spiegeln im AR-HUD überflüssig zu machen. An die Stelle der Spiegel tritt ein flacher mehrschichtiger Lichtwellenleiter mit holografischer Gitterstruktur (Bild 3). Die Augmentierungen werden von unten aus der Bilderzeugungseinheit, die einem Beamer ähnelt, in diesen LWL-Stapel eingekoppelt, dort umgelenkt und schließlich nach oben hin ausgekoppelt, um über die Windschutzscheibe reflektiert die virtuelle Grafik zu bilden (Bild 4).
Der erste Demonstrator ermöglicht bereits Anzeigen in einem Bereich von 15° x 5°, was Augmentierungen in einem Bereich mit 2,60 m x 0,87 m bei einem Projektionsabstand von 10 m bedeutet – bei einem auf etwa ein Drittel reduzierten Gerätevolumen. Im Zuge der fortlaufenden Entwicklung werden nun sukzessive die verbleibenden weiteren Anforderungen für den Fahrzeugeinsatz umgesetzt.
Die Animation verdeutlicht Aufbau und Funktionsprinzip des Waveguides.
Noch mehr Details zum AR-HUD mit einem Video vom Fahrversuch gibt es unter diesem Link.
Dr. Pablo Richter
(na)
