Augen geradeaus!

Unter normalen Umständen wäre das eine lausige Anzeigetechnik: In etwa zweieinhalb Metern Entfernung sieht der Betrachter ein farbiges Etwas leuchten, kleiner als ein DIN-A5-Blatt. Sobald er seine Position verändert und den Kopf aus einem imaginären Würfel von rund einem Meter Kantenlänge bewegt, verschwindet das dargestellte Mini-Bild wieder. Doch zum Glück ist der Nutzer, so will es das Gesetz, festgezurrt. Obendrein scheint die Anzeige frei vor ihm in der Luft zu schweben - halb transparent, von oranger Farbe und in einer Helligkeit, die sich automatisch der Umgebung anpasst.

Diese Eigenschaften und die besonderen Umstände der Nutzung machen das kleine, schwebende Bild zu einer viel versprechenden Display-Technologie. Entwickelt für das Militär, soll sie jetzt auch in einem Massenmarkt Erfolg haben: bei den Autofahrern. Noch wird sie lediglich von zwei Autoherstellern, BMW und General Motors, angeboten. Doch früher oder später, glauben Experten, werden die Konkurrenten nachziehen.

Der Name dieser Anzeigetechnik ist Programm: Weil der Fahrer bei ihr seinen Blick nicht mehr senken muss, sondern auf die Straße gerichtet lassen kann, sprechen die Hersteller vom "Head-up-Display" (kurz HUD). Als Sonderausstattung demnächst für 5er und 6er Modell erhältlich, zeigt das BMW-HUD Richtungspfeile des Navigationssystems, die aktuelle Geschwindigkeit und Warnhinweise des Bordcomputers - der Inhalt ist aber prinzipiell frei programmierbar.

"Das macht einen ganz eklatanten Unterschied für die Verkehrssicherheit", lobt Rainer Marstaller, Physiker und Mitarbeiter am Ergonomie-Labor der Technischen Universität München, das Augen-geradeaus-Prinzip. "Die Blickabwendungsdauer ist beim Ablesen vom Head-up-Display viel kürzer als beim Blick auf den Tacho." Blickabwendungsdauer, dieses Wortungetüm beschreibt, was ständig passiert, wenn ein Autofahrer auf den Tacho schaut, sich kurz der Drehzahl, des Tageskilometerstandes oder der Frequenz des Radiosenders vergewissert: Er nimmt die Augen von der Straße, fliegt gewissermaßen blind durch den Verkehr.

Selbst mit jungen, gesunden Augen kostet ein einziger Blick auf das Armaturenbrett mindestens eine Sekunde, in der die Aufmerksamkeit von der Straße abgelenkt ist. Bei Tempo 50 legt man in dieser Zeit fast vierzehn Meter zurück, bei einer Geschwindigkeit von 180 Kilometern pro Stunde eine ganze Schwimmbadlänge; bei älteren Menschen kommen noch mal etliche Meter dazu. Der Zeitverlust entsteht durch die Bewegung und das Scharfstellen des Sehwerkzeugs.

"Relevante Informationen gehören ins primäre Sichtfeld, den unteren Teil der Windschutzscheibe", sagt Johannes Winterhagen vom Autoelektronik-Zulieferer Siemens VDO aus Schwalbach am Taunus, der die HUD-Komponente für den neuen 5er fertigt. Was die Ingenieure bei BMW und VDO - zunächst getrennt, seit 2000 in Zusammenarbeit - in ein Gehäuse von acht Litern Volumen hineingebastelt haben, schwankt technisch zwischen trivial und verzwickt. Das Innenleben des HUD-Moduls hat viel mit einem modernen Video-Beamer gemein. Zur Abbildung wird allerdings keine Leinwand benutzt, sondern die Windschutzscheibe.

Das Bild selbst entsteht in einem Sandwich aus einem recht gewöhnlichen "Thin-Film-Transistor"-Bildschirm (TFT) mit 65 000 Pixeln und einer sehr starken Lichtquelle aus 128 Leuchtdioden (LEDs). Was auf der Windschutzscheibe erscheinen soll, wird zunächst ganz klassisch, aber für den Autofahrer im Verborgenen, auf dem Bildschirm dargestellt. Dessen Inhalt wird dann von den LEDs wie ein Dia im Diaprojektor durchleuchtet und so in den für den Fahrer sichtbaren Bereich projiziert - mit bis zu siebentausend Candela pro Quadratmeter; ein Candela entspricht etwa der Leuchtkraft einer Kerze.

Der optische Trick dabei ist, dass die Anzeige für den Betrachter gar nicht auf der Windschutzscheibe, dem Ort der Spiegelung, liegt, sondern vielmehr außerhalb des Wagens in der Luft zu schweben scheint. "Das ist so, wie wenn man in einem Meter Entfernung vor dem Spiegel steht", erläutert Winterhagen. "Da sieht man das eigene Gesicht ja auch nicht direkt hinter der Glasscheibe, sondern zwei Meter von sich entfernt."

Denn in welchem Abstand zum menschlichen Auge das Bild erscheint, hängt von der Länge des Weges ab, den die Lichtstrahlen bis zur Spiegelungsfläche zurücklegen. Diesen Effekt machten sich die Ingenieure zu Nutze, um das Bild dort zu platzieren, wo es aus ergonomischen Gründen hinsollte: etwa zweieinhalb Meter vom Fahrer entfernt, an die Spitze der Motorhaube. Weil Armaturenbrett und Windschutzscheibe recht nahe beieinander liegen, mussten die Entwickler den Lichtstrahl dazu zwischen Display und Scheibe gleichsam mehrfach falten: Er wird zwischen vier Spiegeln hin und her geworfen.

Die künstliche Verlängerung des Sehweges dient der Entlastung des Auges - und damit der Sicherheit: Als Weitwinkel-Objektiv hat unser Sehorgan ab etwa sechs Metern einen unendlichen Fokus, sieht also nahe Bäume wie auch weit entfernte Bergketten gleichzeitig scharf. Je weiter ein Objekt vom Auge des Betrachters wegrückt, desto weniger Zeit nimmt die Akkomodation, das Scharfstellen in Anspruch. Laut Siemens VDO spart das HUD so gegenüber dem Blick aufs Armaturenbrett eine halbe bis eine ganze Sekunde.

Die vier Spiegel im HUD-Gehäuse des neuen 5ers haben noch eine verzwicktere Aufgabe: Sie müssen ausbügeln, was die Windschutzscheibe den Konstrukteuren zumutet. Sie ist keine einfache Glasplatte, sondern eine so genannte "Freiform-Asphäre", also ein geometrisch schwer zu beschreibendes, ungleichmäßiges Objekt. "So wie eine Eierschale von innen", sagt Gunnar Franz, bei BMW Projektleiter für Entwicklung und Integration des Head-up-Display. "Bei einer Spiegelung wird sie immer irgendwelche Verzerrungen hervorrufen: Aus einem Rechteck wird ein Trapez oder ein Parallelogramm mit krummen Linien." Diese Verfälschung muss die Optik im HUD-Modul korrigieren.

Doch selbst bei geometrisch korrekter Spiegelung, so mussten die Entwickler feststellen, schwebte eine knappe Hand breit über dem Original eine deutlich schwächere Zwillings-Spiegelung. Der physikalische Grund für das Geisterbild: Moderne Windschutzscheiben sind doppelt verglast - und bieten somit gleich zwei Grenzflächen für die Spiegelung eines einfallenden Lichtstrahls. Eine Kunststofffolie verhindert jetzt, dass BMW-Fahrer doppelt sehen. Sie ist nicht überall gleich dick, sondern im Vertikalschnitt keilförmig, variiert also den vorher konstanten Abstand der Grenzflächen zueinander - genau so, dass Spiegelung und Geisterbild deckungsgleich übereinander liegen. Die Form der Windschutzscheibe wurde dazu nicht angepasst: "So eine Technik" sagt Franz, "darf das Styling des Autos nicht verändern."

Solche Skrupel kannten die Erfinder der Head-up-Displays nicht: In den Pilotenkanzeln von Kampfjets werden seit etwa drei Jahrzehnten ähnliche Systeme installiert. Die Zicken von Optik und Geometrie umgehen die Flugzeugbauer, indem sie einfach direkt vor der Nase des Piloten eine ebene, schräg stehende Glasplatte montieren. Zunächst waren die Kampfjet-HUDs für den sicherheitsrelevantesten Moment des Einsatzes reserviert, den Luftkampf: Bunte Symbole markieren im Blickfeld des Jagdpiloten feindliche Flieger und geben Signal, sobald diese ins Fadenkreuz geraten - ein vertrauter Anblick für Liebhaber von Filmen wie "Top Gun".

Seit Ende der neunziger Jahre werden HUDs auch in der zivilen Luftfahrt immer öfter eingesetzt, ebenfalls als Hilfe in einer kritischen Phase: Sie zeigen Informationen für den optimalen Landeanflug an. Das ist ein Sicherheitsplus bei Reisen zu Flughäfen, die in sehr ungünstigem Gelände liegen oder die zu klein sind, um Fliegern andere Unterstützungssysteme für die Landung bieten zu können.

Im Auto-Cockpit hingegen legten HUDs einen verhaltenen Start hin. Der US-Konzern General Motors baute 1988 in das Oldsmobile Cutlass Supreme als erstem Serienauto der Welt eine Kopf-Hoch-Anzeige ein. Dabei wurde das Bild von starr positionierten Leuchtdioden auf die Windschutzscheibe gespiegelt. Als besseres Frontscheiben-Tachometer fand das Konzept auch Einzug in weitere Modelle von GM-eigenen Marken wie Cadillac, Chevrolette oder Pontiac.

Zwei entscheidende Punkte haben sich seitdem geändert: Zum einen ermöglicht neue Technologie mittlerweile frei programmierbare Anzeige-Inhalte - notfalls könnte das von BMW eingesetzte Display auch einen kompletten Spielfilm zeigen. Und nach Ansicht mancher Fachleute kommen erst jetzt allmählich die Informationen ins Auto, für die sich der ganze Aufwand lohnt: "Tacho, Tankfüllstand, Radiosender, dafür braucht man kein HUD", spottet ein Branchen-Insider.

"Weil jetzt eine richtige Notwendigkeit entsteht, werden HUDs in Zukunft vermehrt zum Einsatz kommen", sagt Heiner Bubb, Leiter des Lehrstuhls für Ergonomie an der Technischen Universität München. Er vertritt die These, dass die Verbreitung der Display-Technologie direkt von der Menge der Digitaldaten abhängen wird, die in den Autos anfallen. Demnach stehen HUDs rosige Zeiten ins Haus: Immer mehr so genannte Assistenzsysteme werden in moderne Autos eingebaut - und wollen sich dem Fahrer mitteilen. Allen voran satellitengestützte Navigationssysteme gelten als Info-Lieferanten für die neue Anzeige. Ihnen sagen Analysten in Europa und Japan wesentlich größere Wachstumsraten voraus als in den USA.

Seit der Markteinführung des neuen 5er BMW ist VDO nicht mehr exklusiv an die Bayern gebunden und könnte künftig auch andere Marken beliefern. Darauf angesprochen, ob sie hinter BMW her forschen, halten sich Konkurrenten wie Mercedes ("Keine genaueren Angaben!" - "Wir arbeiten daran."), Audi ("Ein Thema für die Zukunft!" - "Gehen Sie davon aus, dass wir diese Technik beherrschen.") oder VW ("HUDs in der Vorentwicklung behandelt, konkreter Einsatz noch nicht terminiert.") zwar zurück. Doch Bubb ist sich völlig sicher: "Andere Firmen werden nachziehen, die entsprechenden Entwicklungen sind im Gange." Er sollte es wissen, denn im Labor des Ergonomie-Experten werden spezielle Technologien aus diesem Bereich evaluiert.

Die Schweigsamkeit der Hersteller wiederum ist angesichts der langen Entwicklungszyklen verständlich: Ein Automodell kostet mehrere Jahre Entwicklungsarbeit, erst danach zeigt sich, ob die Käufer eine Neuerung honorieren - und ob sich die Investition gelohnt hat. Und wer HUDs einbauen will, der ringt noch mit einem ganz besonderen Problem: "Dafür ist einfach ein gewisser Bauraum hinter der Armaturentafel nötig", sagt Hartmuth Hoffmann von Volkswagen, "und der ist zwischen den unterschiedlichsten Fakultäten heiß umkämpft."

Trotzdem: Von 2007 an, sagt eine Prognose von Mercer Management Consulting und der HypoVereinsbank voraus, werde die HUD-Technologie anfangen, sich im Marktsegment für KFZ-Elektronik bemerkbar zu machen. Den Gesamtmarkt für Auto-Displays beziffern die Analysten von Stanford Resources auf 900 Millionen Dollar im Jahr 2001; bis 2006 prognostizieren sie eine Zunahme auf 1,3 Milliarden Dollar.

Und so bereiten sich auch die Wettbewerber von Siemens VDO auf die Zeit von HUDs als Massengeschäft vor. Gute Chancen räumt Ergonom Bubb vor allem Delphi und TRW aus den USA ein. Bereits früher für den HUD-Pionier General Motors tätig, hat der Zuliefer-Gigant Delphi mit der neuen Version seines "Eyecue" ein HUD im Programm, das schnell mit dem Modul im 5er BMW gleichziehen könnte. Es ist ebenfalls mehrfarbig und frei programmierbar. Fortschritte in der LED-Technologie, leistungsfähige TFT-Monitore als Nebeneffekt des Trends zu Laptops und Flachbildschirmen, hochwertige Optiken - "technisch gesehen sind alle Komponenten frei auf dem Marktverfügbar", räumt BMW-Ingenieur Franz ein. "Das kann sich jeder zu Nutze machen."

"Alle Versuche zur Verbesserung der Fahrerplatzergonomie scheitern daran, dass die Position des Armaturenbretts nicht verändert werden kann", sinnierte man beim französischen Autobauer Renault schon in der zweiten Hälfte der neunziger Jahre. Bieten zukünftige HUDs vielleicht die Möglichkeit, ganz darauf zu verzichten? Könnte die Ablösung des Kombiinstruments hinter dem Lenkrad Fahrern schon bald einen ungeahnt freien Blick auf die Straße geben? BMW-Sprecher Alfred Broede winkt ab: "Nein, das HUD soll die anderen Anzeigen nur ergänzen."

Davon unbeeindruckt bereiten die Forscher schon den nächsten Technologiesprung vor. Während die aktuelle Generation zwar gemäß den vorab eingegebenen Wünschen des Fahrers, aber ohne Sinn für die aktuelle Verkehrssituation Pfeile und Hinweise einblendet, sollen die künftigen Anzeigen sich passgenau in das reale Bild integrieren, das der Fahrer gerade wahrnimmt. "Kontaktanalog", lautet der Fachbegriff für diese Art von Displays.

"Das wäre der nächste Schritt in der Praxis", sagt Bubbs wissenschaftlicher Mitarbeiter Rainer Marstaller. Er berichtet von Experimenten mit virtuellen Abstandsbalken: Auf die Straße eingeblendet, zeigten sie den Testfahrern, wie nahe sie einem Vordermann höchstens kommen dürfen. Sollte eine präzise optische Aufpeppung des Realbildes gelingen, wäre der Weg frei für weitere kühne optische Tricks. Udo Rügheimer vom Ingolstädter Autobauer Audi etwa denkt schon an die Möglichkeit von Nachtsicht-Windschutzscheiben: "Ein dunkel gekleideter Fußgänger könnte nachts von einer Infrarotkamera erkannt werden. Das Head-up-Display würde den Fahrer dann exakt an der richtigen Position auf ihn aufmerksam machen."

Zumindest einen Schritt in diese Richtung macht die General-Motors-Marke Cadillac mit einem "Night Vision"-System in ihrem neuen Deville: Eine Infrarot-Kamera erfasst im Dunkeln Objekte, die außerhalb der Ausleuchtungszone der Scheinwerfer liegen, und das Bild dieser Kamera wird dem Fahrer per Head-up-Display auf die Windschutzscheibe gespielt. Wie bei BMW entsteht das Bild auf einem echten kleinen Monitor - dieser hier ist allerdings schwarzweiß - und wird anschließend über trickreiche Umwege auf die Scheibe projiziert.

Allerdings ist mehr Information beim Fahren nicht immer unbedingt besser - und das gilt auch für HUDs. Forscher, Zulieferer und Autobauer sind sich darüber einig, dass die Info-Menge immer auf ein Minimalmaß reduziert werden sollte. "So viel wie nötig, so wenig wie möglich", formuliert Entwickler Franz das Dilemma: Zu viel bunte Fahrunterstützung lenkt den Wagenlenker auch dann ab, wenn er seinen Blick unentwegt nach vorne richten kann.

Systeme zur Fahrassistenz, "Active Cruise Control" genannt, sollen daher zukünftig nicht nur entscheiden können, wann es nötig ist, einem Fahrer ins Lenkrad zu steuern - sondern auch immer abwägen, wann gerade welche Information in die Headbox des Landstraßenpiloten gespiegelt werden sollen. (sma)