Design und Konstruktion einer Spiegeloptik für ein Head-up-Display

Diplomarbeit

Michael Hase, WS 2005/06

Aufgabenstellung

Die Aufgabe der Diplomarbeit war Design, Konstruktion und Fertigung einer Spiegeloptik für ein Head-up Display. Design der Spiegeloptik sollte mithilfe der vorhandenen Funktionen aus "Ray Trace Tool Box" und eigen programmierten Funktionen im MATLAB durchgeführt werden. Anhand der berechneten Daten sollte die Spiegeloptik im 3D CAD System CATIA V5 konstruiert werden, um sie anschließen an einer Präzisionsfräsmaschine zufertigen. Die Arbeit sollte mit Aufbau eines Funktionsmusters abgeschlossen werden.

Ziele der Arbeit:

  • Design der Spiegeloptik für ein Head-up Display
  • Konstruktion der berechneten Spiegeloptik in CATIA V5
  • Fertigung des Spiegels
  • Versuche an der Hochschule
  • Vergabe an externe Unternehmen
  • Aufbau eines Funktionsmusters mit minimalen Anforderungen
  • Dia als Objekt
  • Beleuchtung
  • Glasplatte
  • Optional
  • TFT-Display statt Dia
  • Windschutzscheibe statt Glasplatte
  • Integration in Fahrsimulator

Design

Die Spiegeloptik besteht nur aus einem einzigen Freiformspiegel, dessen Form mit den Zernike-Polynomen beschrieben wird. Zur Optimierung der Form wurden die Spot-Diagramme für beiden Augen in unterschiedlichen Positionen innerhalb des Eyeboxes berechnet. Als Bewertungskriterien bei der Korrektion des Systems wurde die Größe der Streumuster und die Verzeichnung eingesetzt.

Parameter

  • Eyebox: 130x80 mm
  • Projektionsdistanz: 2137,4 mm
  • Objektgröße: 2,5" TFT-Display
  • Bildgröße: 125x97 mm

Konstruktion

Eine Freiformfläche kann nicht wie z.B. sphärische oder asphärischen Flächen durch die Rotation eines Profils um die Achse erzeugt werden, da keine Rotationssymmetrie vorhanden ist. Um eine Freiformfläche zu konstruieren, wurden zuerst mehrere Stützkurven, die dem Profil der Fläche entsprächen, erzeugt. Über diese kann eine Fläche gelegt werden, deren Form der berechnete umso genauer kommt, je größer die Anzahl der Stützkurven ist.Da die Formabweichungen der optischen Flächen der abbildenden Systeme eine große Auswirkung auf die Güte des Systems haben, wurde die beschriebene Vorgehensweise durch eine Makro automatisiert.

Fertigung

Der Spiegel wurde an der Präzisionsfräsmaschine Kern 2216 gefertigt. Der NC-Code wurde anhand der berechneten und optimierten Daten im MATLAB erstellt. Im Vorfeld wurden die Vorversuche zur Ermittlung der geeigneten Bearbeitungsparameter durchgeführt.

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