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Vom Cockpit ins Auto

Die Technik hinter Head-up-Displays

13. Oktober 2023, 12:00 Uhr | Irina Hübner

Head-up-Displays (HUDs) haben ihren Ursprung in der Luftfahrt und kommen inzwischen vor allem in Autos zum Einsatz. Durch die Kombination aus bildgebender Einheit, Optikmodul und Projektionsfläche werden Informationen direkt ins Sichtfeld des Fahrers projiziert. Doch wie funktioniert das genau?

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Ein Head-up-Display (HUD) ist eine in das Sichtfeld des Benutzers projizierte Anzeige mit Informationen. Am Beispiel Auto bedeutet das: An der Windschutzscheibe werden Informationen wie Geschwindigkeit, Navigationsanweisungen oder Warnmeldungen so dargestellt, als befände sich vor der Motorhaube eine Anzeige. So muss der Fahrer den Blick nicht von der Straße abwenden. Daher kommt auch der Name: Head-up-Display heißt übersetzt Kopf-hoch-Anzeige.

Von der Luftfahrt in den Automobilbau

Die Geschichte der Head-up-Displays reicht bis in die 1940er Jahre zurück, als diese erstmals in den Waffenvisieren von Kampfflugzeugen eingesetzt wurden. Mit der Zeit entwickelten sich die Anzeigesysteme zu komplexen Frontscheiben-Projektoren. Inzwischen sind sie auch in zivilen Flugzeugen wie dem Airbus A350 und der Boeing 787 Standard.

In den Automobilsektor nahm die Technik im Jahr 1988 Einzug: Bereits damals waren HUDs im Silvia S13 von Nissan und im Oldsmobile Cutlass Supreme von General Motors integriert.

Wie funktionieren Head-up-Displays?

Ein Head-up-Display besteht aus drei Hauptkomponenten: einer bildgebenden Einheit, einem Optikmodul und der Projektionsfläche. Die bildgebende Einheit ist ein Computer mit LED-Lichtquelle für die Bilderzeugung.

Dieses Licht trifft zunächst auf das Optikmodul, das Herzstück des HUD-Systems. In diesem sogenannten Kollimator steckt einfache, aber präzise Physik. Eine Linse oder ein asphärischer Spiegel brechen das divergente, auseinanderstrahlende LED-Licht zu parallelen Strahlen. Aufgrund des begrenzten Bauraums werden mehrere Linsen und Faltspiegel verwendet. Diese müssen höchste Anforderungen erfüllen, damit ein sauberes Bild auf die Scheibe projiziert werden kann.

In der HUD-Technik bezeichnet man die Projektionsfläche auch als Combiner. Darunter versteht man einen semi-transparenten Spiegel, der das Umgebungslicht durchlässt und das HUD-Licht reflektiert, um auf diese Weise eine gemeinsame Ansicht aus Umgebung und Head-up-Display zu kreieren. Ist der Combiner in die Frontscheibe integriert, spricht man vom Windschutzscheiben-Head-up-Display. Ist er als externe, zwischen Fahrer und Frontscheibe eingebaute Kunststoffplatte realisiert, bezeichnet man das System als Combiner-Head-up-Display.

Die Herstellung der wichtigsten HUD-Elemente

Die externe Combiner-Scheibe besteht aus Kunststoff und ist asphärisch geformt. Sie hat enge Toleranzen, um eine scharfe, unverzerrte Bilddarstellung zu ermöglichen. Die Scheibenkante ist so gefräst, dass sie für den Fahrer unsichtbar ist. Außerdem ist sie kratzfest und gegen Reflexionen beschichtet.

Ist der Combiner in die Windschutzscheibe integriert, fungiert häufig die Sicherheitsfolie aus Verbundglas als dieser. Die Scheibe setzt sich aus zwei Glasschichten und einer dazwischenliegenden PVB-Folie zusammen, die im Unfall die Splitterbildung des Glases verhindert. Für eine scharfe Projektion ohne Doppelbilder ist sie keilförmig ausgeführt, denn dies gleicht die Reflektionen zwischen den einzelnen Scheibenschichten sowie die Schrägstellung der Frontscheibe zum Fahrer und Optikmodul aus.

In diesem Modul sind Präzisionsoptiken aus technischen Polymeren verbaut. Cyclo-Olefin-Polymer (COP) ist eine in der optischen Industrie weit verbreitete Kunststoffgruppe. Anwendung findet sie dort, wo Glas durch Kunststoff ersetzt werden kann, zum Beispiel in Kameraobjektiven von Mobiltelefonen oder eben in Head-up-Displays.

Durch das Spritzgießverfahren lassen sich Linsen mit besonders geringem Risiko für Defekte wie Schlieren oder Lunker fertigen. Nach dem Gießen werden die Optiken geschliffen und poliert sowie mit dielektrischen und antireflektierenden Beschichtungen versehen.

Die fertiggestellten Komponenten durchlaufen eine rigorose Qualitätskontrolle. Hierbei kommen hochpräzise Messinstrumente wie Interferometer und Rasterelektronenmikroskope zum Einsatz. Eine letzte Kalibrierung und Überprüfung des gesamten Moduls stellt sicher, dass es den hohen Qualitätsstandards entspricht, bevor es schließlich in das fertige HUD-System integriert wird.

Die Zukunft der Head-up-Displays – ein Ausblick

Die Zukunft der automobilen Head-up-Displays ist vielversprechend. War bislang nur jeder zehnte Neuwagen mit einem HUD ausgestattet, könnte diese Quote den Prognosen nach bis 2030 auf nahezu 40 % ansteigen. Im Zuge dieser Entwicklung rücken besonders Windschutzscheiben-HUDs in den Vordergrund. Aber auch Augmented-Reality-HUDs nehmen Fahrt auf.

Dabei werden beispielsweise die Warnhinweise direkt in die reale Fahrsituation eingespielt. Steigende Ansprüche der Endkunden sorgen für einen zusätzlichen Innovationsschub. Künftige Generationen von Head-up-Displays werden nicht nur umfangreiche Echtzeitinformationen bieten, sondern sind auch im Kontext autonomer Fahrzeuge als zentrales Interface zwischen Mensch und Maschine denkbar.

Investition in (Gebraucht-)Maschinen

Wer Teil dieses wachsenden Marktes sein will, muss in teure Fertigungsmaschinen investieren – es sei denn, man kauft gebraucht. Das Industrieauktionshaus Surplex stellt über seine Webseite demnächst mehrere Maschinen eines Herstellers von HUD-Optiken zur Auktion, zum Beispiel eine Zovac Lidiz-II-P für optische Beschichtungen, zwei Satisloh-Schleifmaschinen für die Präzisionsbearbeitung von Optiken, Analyse- und Messgeräte wie ein Rasterelektronenmikroskop, ein Interferometer und ein Oberwellen-Reflektometer, sowie ein Ionenstrahl-Frässystem und zwei Laser.