CN102947736A - 用于平视彩色显示设备的衍射组合器 - Google Patents

Abstract

一种用于平视彩色显示器设备（18）的衍射组合器（10）包括：第一光学衍射光栅（14），其被配置成沿着衍射方向将第一入射波长的光衍射在沿入射方向的第一光栅上；第二光学衍射光栅（16），其被配置成沿着同一衍射方向将第二入射波长的光衍射在沿入射方向的第二光栅上。第一和第二光学衍射光栅在组合器的第一和第二向对面上以浮雕方式形成。第一和/或第二光栅被形成为波长复用光学衍射光栅并被配置成沿着衍射方向将第三入射波长的光衍射在沿入射方向的第一和/或第二光学衍射光栅上。

Description

用于平视彩色显示设备的衍射组合器

技术领域

本发明涉及特别地用于汽车的平视显示器设备。特别地，本发明涉及一种用于此类设备、特别是用于彩色信息显示的衍射组合器。

背景技术

平视显示设备通常包括投影单元，其产生意图指向组合器以用于图像、特别是采取位于驾驶员的视场中的虚像的形式的车辆的操作或驾驶信息的投射的光束。此类设备最初是基于来源于航空应用的技术而制造的。其制造成本因此常常是高的，从而阻止其商业性开发及其在低档或中档车辆中的大规模安装。

所述成本特别地来源于所使用的技术，其实现起来是复杂的且此外并不始终允许在充分保证光学特性的稳定性的情况下进行组合器的批量复制。例如对于在文献JP 1 004 8562中公开的设备而言情况如此，其描述了落在指数调制全息图领域内的系统，其制造是基于由感光层制成的感光板的使用，具有沉积在充当机械支撑的衬底上的胶质基座。此类部件只能以单独的单元来制造，因为其涉及以个别为基础进行执行的记录且其不适合于以合理的工业成本进行批量生产。在此类感光板上形成的全息部件另外对在没有添加保护涂层的情况下可能将其损坏的UV辐射敏感。对于在文献EP 0467328中公开的系统而言情况也是如此，其示出了基于胶质制造的体积光学处理组合器，并要求与多个波长相交互的多个全息层，这使得系统的光学特性的可靠再现甚至更加不确定。此外，此系统仅以反射方式起作用。

在文献US 4930847中还描述了一种用多个波长以反射方式操作的系统，具有基于具有上述限制的胶质类型的感光材料每次使用不同的几何结构和波长的记录过程。

在专利US 6005714中描述了具有至少两个层的另一结构，层的倍加增加了在批量生产期间保持要提供的光学功能的正确稳定性的困难。文献US 6005714的衍射结构在形成衍射浮雕的相对面中包括透明衬底。该浮雕被相互组合以获得对反射光的衍射效应，同时本质上抵消对通过衬底的光的净衍射效应。

鉴于能够向汽车的驾驶员显示的大量信息，现在需要投射色彩图像。在本申请的背景下，“彩色”图像或“全色”图像特别地意指由原色（正常地红色、绿色和蓝色）的单色图像的合成获得的图像。单色图像的叠加允许显示色彩空间的二次色（青色（蓝绿色）、品红色、黄色）或任何其它色彩（例如白色）。假定由光学衍射光栅透射或反射的光的偏转角取决于光的波长，借助于衍射组合器进行的彩色的图像显示不是小问题。结果，需要确保形成彩色图像的单色图像的虚像在驾驶员的视场中被正确地叠加，并且寄生图像被放置在观察者的视场外面。

在以上已经提到的文献EP 0 467 328中公开的组合器包括用以沿着同一方向将第一入射波长和第二入射波长的光衍射在沿入射方向的光学衍射光栅上的复用全息光学衍射光栅。替换地，EP 0 467 328提出了“多层光学衍射光栅”，即被堆叠并粘在一起的多个全息光学衍射光栅，每层与特定的波长相关联。两个替换首先遭受很大的缺点，即光学衍射光栅是在感光板（对UV辐射敏感）上形成的，这实际上使得需要添加保护层。现在，必须使用被粘或层压在一起的多个层的事实使组合器的生产复杂化。特别是必须采用保证不同层在组装时的适当对准的措施。另一个非常大的问题是不同层的均匀性，主要是在其老化方面。存在层变得松开或者一个或另一层的光学性质被降低的风险。从而，诸如在文献EP 0467328中所述的组合器的实现是困难的，并且结果将始终是要最优化的多个参数之间的或多或少的成功折中。另外应注意的是所公开的组合器具有用于两个波长的选择性。为了能够在“全色”模式下运行，将需要至少三层的光学衍射光栅或至少三重的光栅。此类自适应因此将引起更大的复杂性。并且，在上文引用的文献中，衍射效率的控制是靠经验的且非常有限，这暗示着用于所获得的虚像的亮度水平标准化的问题。

本发明弥补了这些不足并提出一种解决方案，其允许与“全色”平视显示器设备兼容的衍射组合器的批量生产。

发明内容

提出了一种用于平视显示器设备的衍射组合器，其包括：第一光学衍射光栅，其被配置成沿着衍射方向将第一入射波长的光衍射在沿第一入射方向的第一光学衍射光栅上；第二光学衍射光栅，其被配置成沿着相同的衍射方向将第二入射波长的光衍射在沿入射方向的第二光学衍射光栅上。该组合器包括由具有相对第一和第二面的透明材料制成的支撑体，在所述相对的第一和第二面上分别以浮雕方式形成了第一和第二光学衍射光栅。第一和第二光学衍射光栅中的至少一个被形成为波长复用光学衍射光栅，其被配置成沿着衍射方向将第三入射波长的光衍射在沿入射方向的第一和第二光学衍射光栅中的至少一个上。

换言之，第一和第二光学衍射光栅是以这样的方式配置的，即在离开衍射组合器的第一、第二和第三波长的第一阶中衍射的光的传播方向对于给定的入射方向而言是相等的。首先通过光栅的节距的自适应或真正调制来执行光栅对与其相关联的一个或多个波长的自适应。在本说明书的意义内，可以将复用光栅理解为两个光栅，每个适合于使用具有已调制节距的单个光栅执行的沿要求方向（针对给定入射角）的波长的衍射。在本说明书的上下文中，因此可以替换地将其命名为二重光栅。

依照本发明的组合器因此允许在以单块形成的单个支撑体上获得三个单（非复用）光学衍射光栅的效果。因此基本上降低了组合器的复杂性，特别是相对于在申请EP 0467328中描述的那个。光栅在相对面上以浮雕方式形成的事实允许将必须被有效地保护的感光材料分散在组合器内。因此可以产生单层组合器（即在单个支撑体上），因此克服了材料的兼容性和现有技术的差分老化的问题。另一方面，浮雕允许非常精确地控制衍射效率。

优选地，第一波长的光是绿光（在从506至570 nm范围内的波长），第二波长的光是红光（在从630至700 nm范围内的波长），并且第三波长的光是蓝光（在从430至490 nm范围内的波长）。特别地，有利的波长选择将是532 nm、633 nm和445 nm，或者说532 nm、633 nm和432 nm。

依照本发明的衍射组合器的支撑体优选地由玻璃或透明塑料材料制成，例如由PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、PMMA（甲基聚甲基丙烯酸酯）、PC（聚碳酸酯）、PVB（聚乙烯醇缩丁醛）等制成。第一和第二光学衍射光栅优选地被配置成使得所述衍射方向对应于用于第一、第二和第三波长的衍射的第一阶。

依照组合器的有利实施例，第一和第二光学衍射光栅被配置成针对第一、第二和第三波长执行相同焦距的透镜功能。

用于制造组合器的光栅的过程优选地包括激光干扰纳米光刻技术的过程。用此技术，借助于激光源，在对应于其希望获得的光栅的感光层中产生干涉条纹。然后，执行化学雕刻步骤从而获得感光层中的浮雕变化。然后将这些浮雕变化转移到模具。对于依照本发明的组合器而言，对两个面执行此过程。然后可以使用两个模具来批量生产组合器，每个对应于一个面，例如用注射或压花。

在替换过程中，可以产生要产生的光栅的浮雕并通过数控雕刻或机械加工来以数字方式保存且转置到各模具。下面我们将更详细地描述用于用激光干扰纳米光刻技术来制造单或复用光学衍射光栅的过程。假设光束具有n，n≥1、波长λ_i，i＝1至n，其以入射角θ_p朝着组合器发送。情况n＝1对应于单光栅，即未被复用。该过程包括以下步骤：

a) 在固体表面（例如玻璃或石英）的扁平表面上沉积均匀厚度的感光层；

b) 在由于来自激光源的两个光束R1和R2的干涉而引起的干涉条纹的感光层上曝光；

c) 将对应于干涉条纹的被曝光的区域变换成感光层中的浮雕变化并制造再现这些变化的模具；以及

d) 使用所述模具来将衍射浮雕结构从衬底转移到形成衍射组合器的均质透明塑料元件。

在步骤c）之前执行步骤b）n次，每次从来自波长λ_e的同一光源的两个光束R1和R2开始，其具有角θ_i，i＝1到n，在射束R1与射束R2之间，等于

            (等式1)

在曝光的n>1个步骤结束时，射束的干涉将已产生具有可变节距的光栅，对应于不同的单光栅的叠加。

以上等式1保证波长λi的光的衍射针对公共入射角衍射沿相同的方向发生。换言之，节距被选择为从而使与三个波长的第一阶相关联的图像叠加。入射角θ_p和衍射的明智选择允许在衍射的第一阶与除第一以及透射或反射光（0阶）之外的衍射阶次之间产生角度差。应注意的是在使用衍射组合器时，三个单光栅中的每一个（其中的至少两个被组合在复用光栅中）与存在于由投影单元发射的光束中的所有波长相交互。因此，由于除第一之外的衍射阶次或由于光栅与波长的相交互而观察到寄生虚像，对于所述波长而言，所述光栅未被最优化。然而，提供衍射的第一阶与除第一之外的衍射阶次之间的角度差的事实允许使寄生虚像移动到用户的视场之外。

为了获得透镜效果（允许将虚拟图像放置在与衍射组合器相距预定距离处），在每个步骤b）中，将干涉光束中的一个选择为发散的，并具有球面波前，并且将另一个选择为具有平面波前的波。这样获得的干涉条纹形成曲线。

该过程的步骤a）～c）允许形成用于制造允许组合器的批量生产的模具的基质。这些基质是由衬底形成的，该衬底由刚性材料制成，在其上面沉积了对所采用光源的波长敏感的感光层，所述光源始终是相同的，从一个步骤b）至另一个，只有两个光束之间的角被修改。

来自同一源的两个光束被发送到感光层的扁平表面上，促使在要暴露的整个表面上引起干涉条纹。这些干涉的存在导致感光层的表面的可变曝光，其然后被暴露于具有根据其曝光程度来分解感光材料的性质的化学物质。随后发生化学蚀刻，直至干涉条纹在暴露感光材料层的某些部分的分解之后被变换成浮雕的变化。应注意的是机制表面上的浮雕的深度取决于记录曝光时间以及化学雕刻的持续时间。应注意的是对于雕刻的长持续时间而言，条纹的浮雕实际上具有正弦形状，而在更短暂的应用的情况中，外顶部相反具有腐蚀的形状。

在这种情况下，处于多个角（针对两个光束中的一个）的曝光导致制造具有复用表面光栅的组合器的可能性。

在化学蚀刻之后，浮雕表面经受薄导电层的沉积，允许随后施加电子形成过程以获得模具（例如由镍制成）。生产依照本发明的组合器需要两个模具部分：第一个用以在组合器的第一面上再现衍射光栅，第二个用于第二面上的衍射光栅，两个光栅中的至少一个是复用光栅。然后使用所获得的模具通过诸如压花或注射的批量生产手段来将浮雕形式的衍射结构转移至由透明塑料材料制成的元件上。

因此可以获得具有由透明塑料材料制成的单个支撑体的组合器，其衍射结构在两面被雕刻。

在不同步骤b）中的类似于两个写射束中的一个的具有球面波前的波的使用允许执行透镜功能。在每个步骤b）中，选择波前的中心与感光层之间的距离，使得针对正在讨论中的所有不同波长获得相等的焦距。

本发明的一方面涉及“全色”平视显示设备。此类设备包括能够从由不同色彩的单色图像的加性合成产生的彩色图像投射包含第一波长的光、第二波长的光和第三波长的光的光束的投影单元，所述色彩的每一个分别对应于所述波长中的一个。平视显示设备还包括诸如上文所述的衍射组合器，被相对于投影单元定位为接收由投影单元沿着入射方向投射的光束并沿着衍射方向衍射光束的第一、第二和第三波长的光的至少一部分，以因此在用户的视场中借助于对应于三个波长的单色图像的叠加产生由投影单元产生的图像的彩色虚像。

应注意的是可以使用于不同色彩中的每一个色彩的投影单元的亮度和组合器的衍射效率相互匹配，从而保证虚像中的很好地平衡的色彩混合以及适合于应用需要的后者的亮度。

有利地，复用光学衍射光栅被配置成使绿光和蓝光沿着用户的方向弯曲。另一光学衍射光栅优选地是被配置成使红光沿着所述方向弯曲的单（非复用）光栅。应注意的是该复用影响用于正在讨论中的波长的衍射效率。针对两个波长λ₁和λ₂被复用的光栅在波长λ₁下的衍射效率正常地将比单独地针对λ₁被最优化的光栅的衍射效率小。用于复用光栅的蓝色和绿色的选择由于以下原因被认为是有利的：

在低光（暗视觉）条件下和在日光条件下（亮视觉），人眼对绿色的敏感度比其对红色和蓝色两者的敏感度高。

蓝色是在自然中存在最少的色彩。因此，即使蓝色的弱亮度正常地也允许在虚像与其背景之间存在良好的对比度。

从而，红色的较高亮度被认为是有利的。因此，非复用光栅被选用于红色，而复用光栅适合于绿光和蓝光的衍射。此配置还将允许使用相同强度的红色、蓝色和绿色光源。然而，应注意的是光栅分布的此选择不是唯一的；其能够根据相对于外部环境的要求和每个色彩所要求的亮度水平而变。因此可以设想在组合器的第一面上产生用于蓝色和红色的复用光栅并在第二面上产生用于绿色的单光栅。根据需要，还可以选择用于绿色和红色的复用光栅和用于蓝色的单光栅。

优选地，衍射组合器的第一和第二光学衍射光栅被配置成将虚像定位于与衍射组合器相距在1至5m范围内的距离处。对于组合器与投影单元之间的给定距离，由衍射组合器的透镜功能所产生的焦距的适当选择来获得此特性。

衍射组合器的第一和第二衍射光栅被有利地与衍射组合器的定位匹配，从而将寄生虚像从用户的视场去除。优选地，入射方向和衍射方向在它们之间形成大于30°的角，例如大于40°，以因此将寄生图像置于用户的视场外面。

依照平视显示器设备的优选实施例，衍射组合器被构造成以透射方式操作。替换地，还可以将衍射组合器构造成以反射方式操作。然后，衍射组合器可以包括一个或多个光学反射层，例如部分反射或二向色层，适合于在投影单元中使用的波长。在反射配置中，可以将组合器集成在挡风玻璃的塑料层中。在这种情况下，由挡风玻璃而不是由组合器来支持反射特性。

如果不是由挡风玻璃来支持反射特性，则可以提供具有在组合器的面上沉积的反射层的组合器，所述组合器的面距离用户最远。

优选地作为彩色虚像的亮度水平的函数和/或作为对应于虚像中的第一、第二和第三波长的色彩平衡的函数来选择用于第一、第二和第三波长的衍射组合器的衍射效率。特别地，可以通过控制第一和第二光学衍射光栅的浮雕的深度来调整衍射组合器的衍射效率。

附图说明

参考附图根据以举例说明的方式在下面提出的某些有利实施例的详细描述，本发明的其它特征和特性将变得明白。所述附图示出：

图1：依照本发明的衍射组合器的截面图；

图2：使用图1的组合器的平视显示器设备的基本图示；

图3：示出用激光干涉光刻技术来生产衍射组合器的原理的图示；

图4：具有以透射方式构造的衍射组合器的平视显示器设备的图示；

图5：具有以反射方式构造的衍射组合器的平视显示器设备的图示；

图6：具有被集成在挡风玻璃中的衍射组合器的平视显示器设备的图示；

图7：用激光干涉光刻技术进行的记录的几何结构的图示。

具体实施方式

图1示意性地示出用于“全色”平视显示器设备的衍射组合器10的一部分。组合器10包括由例如PMMA、PC、PET或PVB的塑料材料制成的支撑体12。组合器10包括分别在支撑体12的第一和第二面上以浮雕方式形成的第一14和第二16光学衍射光栅。让我们注意在图1中，组合器10的尺寸不是按比例的；特别地，支撑体12的厚度和浮雕的振幅（或深度）被放大。组合器的厚度优选地在0.25至3 mm的范围内。浮雕光栅的深度优选地在从100至600 nm的范围内。

第一光学衍射光栅14是复用光栅，而第二16是单（非复用）光栅。

为了解释光学衍射光栅14、16的配置和衍射组合器10的操作，对图2进行参考。此图示意性地示出平视显示器设备18，其包括投影单元20、组合器10和可选地用以将由投影单元20发射的光束引导至组合器10上的一个或多个光学元件（用反射镜22举例说明）。

投影单元20包括例如具有由相干光源、优选地激光二极管实现的背光的“全色”液晶屏。图像源通过由像素产生的红色、绿色和蓝色单色图像的加性合成在显示器（光学扩散层）上形成。

由投影单元20产生的光束被直接地或借助于光学系统指引到组合器上。光束以入射角θ_p接触组合器（取射束的中心射线作为参考）。投影单元20的光学扩散层优选地被选择为使得投影单元20的孔径角（光束的发散角）或多或少地对应于衍射组合器10对着的角。

由投影单元发射的光束因此包含对应于红色的第一波长（例如633nm）的光、对应于绿色的第二波长（例如532nm）的光和对应于蓝色的第三波长（例如432或445nm）的光。因此，对于所涉及的三个波长而言，入射角θ_p是相同的。

提供有仅一个单光学衍射光栅的常规衍射组合器将使射束的光以取决于波长的角度弯曲。因此，观察者将看到相对于彼此偏移的红色、绿色和蓝色虚像。由于此原因，组合器10包括用于红色的第一光学衍射光栅以及用于绿色和蓝色的复用光学衍射光栅，被配置成使得红色、绿色和蓝色的衍射的第一阶分别在同一方向上发生。用户24（例如装备有平视显示器设备的汽车的驾驶员）因此看到源图像28的彩色虚像26。彩色虚像26与衍射组合器10的距离取决于源图像28的路径以及由衍射组合器形成的可能透镜的焦距。平视显示器设备18优选地被配置成使得虚像位于与衍射组合器10相距在1和5m之间的距离处。

事实上，衍射组合器10承担三个单光栅的功能，其中的每一个光栅被配置成使特定色彩沿着要求的方向弯曲。在组合器10中，这些单光栅中的两个是在支撑体的第一面上以复用方式形成，而第三个位于相对面（第二面）上。很明显，这些光栅中的每一个与存在于由投影单元20发射的光束中的所有波长相交互。因此，在彩色虚像26的任一侧上，观察到寄生虚像30（分别为红色、绿色和蓝色）。因此，入射角θ_p、偏向角、光学衍射光栅的节距、组合器的尺寸等被选择为使寄生虚像30移动到用户24的视场之外。在图2中，用虚线32和34来举例说明用户的视场的极限。

让我们注意在图1和2的衍射组合器中，复用光学衍射光栅14是使绿光和蓝光沿着用户24的方向弯曲的一个。另一光学衍射光栅16是使红光沿着所述方向弯曲的单（非复用）光栅。衍射组合器10的此构造对于红光而言提供比绿光和蓝光更好的衍射效率（沿着用户的方向）。实际上，在虚像中能够容易地获得是绿色或蓝色的亮度的两倍的红色的亮度。考虑到人眼在低光（暗视觉）条件下和在日光条件下（亮视觉）对绿色的敏感度大于其对红色和蓝色两者的灵敏度，并且蓝色是在自然中存在最少的色彩，因此，用相同光学强度的蓝色、绿色和红色的光源获得平衡的组成。很明显，如果所使用的投影单元的光源具有不相等的功率，则能够选择衍射组合器的不同配置。

图3示出用于用激光干涉纳米光刻技术来制造衍射组合器10的过程。针对每个光栅，首先记录基质。在图3中，射线R1和R2分别表示对象射线和参考射线。两个射线在施加于（石英、硅、玻璃等的）衬底38的一层感光树脂36中产生条纹。感光层36中的R1和R2的干涉允许精确区域的曝光，其修改这些区域中的树脂的可溶性。感光树脂的暴露区域因此相对于其它区域而言变得或多或少地可溶解。化学雕刻然后允许去除未被曝光（或曝光，取决于感光树脂的类型；负或正），从而获得衍射表面结构。

根据以下公式来调整R1和R2之间的角θ_i：

其中，θ_p对应于来自投影单元的光束的入射角，λ_e是被用于记录的射束的波长，λ_i是要衍射的光的波长。

对于32°的入射角，假设光必须沿着垂直于衍射组合器的轴弯曲，并且假设写波长λ_e＝406 nm，我们获得例如：

色彩	λi	θi
			蓝色	445 nm	28.9°
绿色	532 nm	23.8°
			红色	633 nm	19.8°

为了记录非复用光学衍射光栅16，因此通过促使射束R1和R2（λ_e＝406 nm）以19.8°的角度干涉的基质，R1垂直于感光层。然后，执行化学雕刻，并将获得的浮雕转置到模具的第一部分。

为了记录复用光学衍射光栅14，通过促使射束R1和R2（λ_e＝406 nm）以23.8°的角度干涉来产生另一基质，R1垂直于感光层。然后，我们转移到28.9°的角上（R1仍垂直于感光层）。在化学雕刻之后，将获得的浮雕转置到模具的第二部分上。

最后借助于模具的第一和第二部分用注塑成型或用压花来由透明塑料材料形成衍射组合器。

在图3的设置中，射束R1垂直于感光层的表面。结果，衍射光保持垂直于衍射组合器。如果优选的是获得相对于组合器的法线以角θ’倾斜的观察者—彩色虚像，则只需要产生其中射束R1相对于感光层36的法线以角θ’倾斜的记录装置。在这种情况下，θ_i对应于在R2与感光层36的法线之间的角。R1和R2之间的角将是θ_i- θ’。

图7示出记录配置的更一般情况，其中，两个写射束R1和R2分别相对于感光层的发现形成角θ_o、θ_r。在此配置中，由以下等式给定所形成的（单）光栅的节距d：

                 (等式2)

在复用光栅的记录时，单光栅的叠加导致可变（已调制）光栅节距，因为使用θ_r的多个值。然而，在以下讨论中，我们将要考虑单个光栅。

当使用组合器时，由等式1给定来自投影单元的射束的入射角θ_p（用θ_r取代θ_i）。衍射交θ_d由以下给定:

                 (等式3)

其中，λ_i指定来自投影单元的光的新波长。

下表给出允许举例说明不同色彩的衍射射线之间的间距的几何配置的两个示例。

在用于角θ_p=20°的情况1下，蓝色和绿色图像之间的角间距是5°，并且绿色和红色图像之间的角是4.8度。

对于角θ_p=54.2°，蓝色和绿色图像之间的角间距变成9.8°，并且在绿色和红色图像之间的变成9.9°。将注意的是当光栅d的节距被减小时，不同色彩的图像之间的角间距增加。

因此，通过θ_p的选择来实现寄生虚像之间的角间距的控制，其涉及参考射束和对象射束之间的角的选择。此角将确定光栅的节距和因此的衍射角。

在其中衍射组合器必须执行透镜功能的情况下，必须依照以下公式来修改感光层36与射束R2的球面波前的中心之间的距离：

其中，f_i指定要求透镜的焦距。

f_e 指定对应于球面波R2的焦距，

λ_e指定用于记录透镜的激光器的波长，以及

λ_i（i=1、2、3）指定来自投影仪的光的波长。

图4以简化方式示出装备有诸如例如图2中所示的平视显示器设备的汽车的仪表板40。衍射组合器10被构造成以透射方式操作。从用户24的视点出发，位于挡风玻璃42前面的衍射组合器10被投影单元20从后面照亮。

图5示出平视显示器设备的替换实施例，其中衍射组合器是以反射方式构造的。投影单元20位于仪表板簇后面，并从前面（由用户来看）照亮衍射组合器。在衍射组合器的后面（从用户的视点出发）上形成一个或多个光学反射层以朝着用户反射来自投影单元的光。这些反射层可以是部分反射或二向色层，适合于在投影仪中使用的波长。

在图6中示出了另一替换。在这里，衍射组合器10形成挡风玻璃42的一部分。更特别地，在挡风玻璃42的一层塑料材料的表面中以浮雕方式形成复用和非复用光学衍射光栅。

关键字：

10        衍射组合器

12        支撑体

14       第一光学衍射光栅

16        第二光学衍射光栅

18        平视显示器设备

20        投影单元

22        反射镜

24        用户

26        虚拟彩色图像

28        源图像

30        寄生虚像

32, 34  用户视场的极限

36        感光树脂层

38        衬底

40        仪表板

42        风档玻璃

Claims (14)

1. 一种用于平视显示器设备（18）的衍射组合器（10），所述组合器包括：第一光学衍射光栅（14），其被配置成沿着衍射方向将第一入射波长的光衍射到沿入射方向的所述第一光学衍射光栅上；第二光学衍射光栅（16），其被配置成沿着所述衍射方向将第二入射波长的光衍射到所述沿入射方向的所述第二光学衍射光栅上，所述组合器的特征在于这样的事实，即其包括：

支撑体（12），其由具有相对的第一和第二面的透明材料制成，在所述相对的第一和第二面上分别以浮雕方式形成有第一（14）和第二（16）光学衍射光栅；

在于这样的事实，即第一和第二光学衍射光栅中的至少一个是波长复用光学衍射光栅，其被配置成沿着所述衍射方向将第三入射波长的光衍射到沿所述入射方向的所述第一和第二光学衍射光栅中的至少一个上。

2. 如权利要求1所述的衍射组合器（10），其中，所述第一波长的光是绿光，所述第二波长的光是红光且所述第三波长的光是蓝光。

3. 如权利要求1或2所述的衍射组合器（10），其中，所述支撑体（12）由玻璃或透明塑料材料制成，例如由PET、PMMA、PC、PVB制成。

4. 如权利要求1至3中的任一项所述的衍射组合器（10），其中，第一（14）和第二（16）光学衍射光栅被配置成使得所述衍射方向对应于用于所述第一、第二和第三波长中的每一个波长的衍射的第一阶。

5. 如权利要求1至4中的任一项所述的衍射组合器（10），其中，所述第一（14）和第二（16）光学衍射光栅被配置成对第一、第二和第三波长的光执行相同焦距的透镜功能。

6. 一种平视显示器设备（18），包括：

投影单元（20），其能够从由不同色彩的单色图像的叠加产生的彩色图像投射包含第一波长的光、第二波长的光和第三波长的光的光束，所述不同色彩中的每一个分别对应于所述波长中的一个；

以及如权利要求1至5中的任一项所述的衍射组合器（10），其被相对于投影单元（20）定位，从而接收由投影单元沿所述入射方向投射的光束，并沿着所述衍射方向衍射光束的第一、第二和第三波长的光的至少一部分，以因此在用户（24）的视场中产生由投影单元产生的图像（28）的虚拟彩色图像（26）。

7. 如权利要求6所述的平视显示器设备（18），其中，衍射组合器（10）的第一（14）和第二（16）光学衍射光栅被配置成将虚像（26）定位于与衍射组合器（10）相距在1至3m范围内的距离处。

8. 如权利要求6或7所述的平视显示器设备（18），与如权利要求4所述的衍射组合器（10）相组合，其中，衍射组合器的第一（14）和第二（16）光学衍射光栅被针对衍射组合器（10）的定位进行调整，从而将寄生虚像（30）放置于用户（24）的视场外面。

9. 如权利要求8所述的平视显示器设备（18），其中，所述入射方向和所述衍射方向在它们之间形成大于30°、优选地大于40°的角，以因此将寄生虚像（30）放置在用户（24）的视场外面。

10. 如权利要求6至9中的任一项所述的平视显示器设备（18），其中所述衍射组合器（10）被构造成以透射方式操作。

11. 如权利要求6至10中的任一项所述的平视显示器设备（18），其中，所述衍射组合器（10）被构造成以反射方式操作。

12. 如权利要求11所述的平视显示器设备（18），其中，所述衍射组合器包括一个或多个光学反射层，例如部分地反射或二向色层，适合于在投影单元中使用的波长。

13. 如权利要求6至9中的任一项所述的平视显示器设备（18），其中，作为虚拟彩色图像（26）的亮度水平的函数和/或虚像（26）中的对应于第一、第二和第三波长的色彩平衡的函数来选择用于第一、第二和第三波长的衍射组合器（10）的衍射效率。

14. 如权利要求13所述的平视显示器设备（18），其中， 通过控制衍射组合器（10）的第一（14）和第二（16）光学衍射光栅的浮雕的深度来调整衍射组合器（10）的衍射效率。

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