CN103026284B

CN103026284B - 平视显示系统

Info

Publication number: CN103026284B
Application number: CN201180024670.1A
Authority: CN
Inventors: H.莫萨; I.埃尔哈菲迪
Original assignee: Universite de Strasbourg; Delphi Technologies Inc
Current assignee: Universite de Strasbourg; Delphi Technologies Inc
Priority date: 2010-05-20
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2031-05-10
Also published as: WO2011144487A1; EP2572229B1; JP5722998B2; JP2013532303A; FR2960309B1; US8724226B2; US20130076791A1; EP2572229A1; FR2960309A1; CN103026284A

Abstract

本发明涉及一种用于机动车辆的平视显示系统的独立光学单元，用于在驾驶员（8）的视场中显示从来自于投影仪（9,12）的物像（3）得到的虚像。所述单元包括第一光学部件（1），该第一光学部件（1）将来自该投影仪（9,12）的入射光线向放置在该驾驶员（8）的视场中的第二光学部件（2）反射，以定位最终虚像（7）。该单元具有用于调整这些部件的相对位置的装置。

Description

平视显示系统

技术领域

本发明涉及用于机动车辆的平视显示系统的领域，意在对驾驶员的视场中的虚像的显示。这些系统允许显示该车辆的操作参数，该车辆的操作参数从放置在该车辆的乘客空间中的投影仪的显示器上的背部照明（back-lit）的物像获得。

背景技术

大多数现有的平视显示系统在制造时被插入在车辆中，即，它们在它们构造的时候被安装和调整。在这种情况下，车辆被设计成在最佳状况下执行这种插入，尤其是相对于驾驶员的视场进行定位的最佳状况。在制造时在该车辆的构造上执行有时复杂的调整。

还存在作为独立装备要被后验安装的配置，该独立装备由用户安装在必要的地方，但是这些配置在大多数情况下非常难以调整，和/或在车辆中不是容易地可集成的，尤其是因为它们可以被插入的地方是非常有限的。

对于这些困难的主要原因之一与这些系统包括放置在用户的视场中的光学部件的事实相关联，该部件提供了包括正确定位在这个相同的视场中的虚像的光学功能，该功能是：利用直到现在所采用的技术的实现方式使该部件被给予了对于实施中的安全标准的不足的透明度。

这样的系统意在提供附加的功能性以改善车辆的使用，但不得同时移除舒适元素，而且不得对驾驶安全性有害。

通常，在现有系统中，放置在视场中的部件管理投影深度，其是一个敏感参数，因为其与环境中的车辆的驾驶参数的综合有联系，该敏感参数是驾驶员的视觉注意力的目标。所述深度通常被认为是必须与车辆和真实场景（其值通常大于1.80m）的尺度相匹配的。

类似地，在驾驶员的视场中投影的虚像本应当具有足够的大小和亮度，然而必须找到折衷来避免干扰驾驶员对在清楚地显示对驾驶有用的信息的同时在车辆周围发生了什么的关注。最后，对虚像的定位必须是在垂直平面中可控制的。这些参数一起必须使得对该虚像的读取既相对于真实环境又相对于车辆的形状是舒适的。

当前在装备市场上可用的平视显示系统主要由于它们的技术而在这方面中具有一定数量的限制。因此，因为它们基于例如从光敏材料创建的全息图或基于半反射镜，这是用于大多数当前可用的解决方案的情况，所以获得的透明度的水平是低的，并且实际上导致了驾驶员的视场的退化。

透明度的水平尤其比由与挡风玻璃相关联的规则所要求的最小值低得多。

其次，借助于这些解决方案所获得的亮度水平也由于不足的透明度而受到限制，该不足的透明度由实际中使对虚像的可读性退化而引起。

发明内容

本发明通过提出一种光学单元来补救了这些缺点，该光学单元被设计成最佳地管理对于实现平视显示所必需的参数，而且容易地可调整而且不用专业技能。提出的系统最后是容易制造的，并且以适合于这种类型的市场的成本在工业上可大量生产。该光学单元的紧凑性所促进必须由驾驶员自己进行的机动车辆中的随后插入，该光学单元被设计成适合满足实施中的标准的所有类型的投影系统。

用于在驾驶员的视场中显示从来自投影仪的物像获得的虚像的独立光学单元包括第一光学部件，该第一光学部件将从投影仪发出的入射光线向放置在驾驶员的视场中的第二光学部件反射，以用于定位最终虚像。在本发明的单元中提供了用于调整它们的相对位置的装置。

这的主要特征在于以下事实：该第一部件执行对物像的放大，并增加其景深，以及该第二部件在垂直平面中定位该虚像，所述第二部件由透镜形状的透明材料组成，其表面之一是平的，并且包括用于定位最终虚像的衍射光栅，所述形状和衍射光栅被设计成不使由驾驶员通过该第二部件可见的外部场景变形。

更明确地，所述第二部件由透镜形状的透明材料组成，其在驾驶员侧的表面是平的，并且包括用于定位最终虚像的衍射光栅，该衍射光栅包括至少一组直线，该一组直线是平行的且以0.4μm和1μm之间的节距而等距离，线和节距的宽度比在0.3和0.6之间，以便允许在不对驾驶员产生通过该第二部件可见的外部场景的变形的情况下在垂直平面中定位该虚像。

具有以上值的这个或这些衍射光栅，允许了在制造时以PMMA、PC或PET类型的非常透明的材料所提供的第二部件的透明度水平不被减少。

在其与驾驶员相对的面上，该第二部件呈现了平的或用设计成产生对物像的附加放大的曲率所配置的表面，曲率的半径是足够大的，以便不使通过第二部件对于驾驶员可见的外部场景变形。

为了尽可能地防止该外部图像的变形，凸度必须实际上具有很大的曲率半径，这换句话说其意思是该表面是很轻微地弯曲的。该曲率被提供成将该图像放大到g2倍。

实际上，与驾驶员相对的面具有凸度，该凸度具有大于5m的曲率半径。

换句话说，放置在驾驶员的视场中的部件不产生外部场景的失真，而是反而执行它的功能并尤其是有助于正确定位足够大小和亮度的虚像，而不引起来自外面的光线中的光学扰动。对虚像的定位在一定距离处并且在位于驾驶员的视场中的垂直平面中被实现，以及该第二部件允许了对该图像的高度调整，即在所述垂直平面中的位移。

放大和增加该景深的主要功能由该第一部件所承担，未出现的运货人可以在驾驶员的视场中，并且可以因此受到优化这些功能的光学处理而不施加任何透明度要求。

在现有技术的系统中，这些功能由位于驾驶员的视场中的部件所承担，导致了在其透明度上的显著减少，然而这是必要的并且甚至由规则所要求。这也是用于使用挡风玻璃的反射作为用于显示虚像的组合器的系统的情况，其具有要求强照明源的低反射率的缺点，并且为此在长距离上的该虚像的投影要求在投影模块中使用多个光学部件。

事实上该第一部件是反射镜，该反射镜接收入射光线的表面是凹的。例如，该凹度由对投影仪的物像给予第一放大的曲率半径所定义。

该凹度可以由抛物线形、球形、椭圆形等等的表面产生。由第一部件产生的景深大于将该投影仪与所述第一部件分离所必要地限制的距离。

该凹面包括叠加的选择性反射层，该反射层具有选择性地反射来自投影仪且从至少一个光发射光源发出的具有良好确定的偏振的光束的一个或多个波长的折射率，该至少一个光发射光源可以是单色激光源或电致发光二极管（LED）。

替代地，该凹面可以仅包括一个反射层。

具有选择反射性的层意在仅反射与物像相对应的光线，并且事实上"过滤"从近环境发出的光线。实际上一个或多个选择性层被叠加在该凹面上，在数量和厚度上适合于一种或多种颜色的入射光线。

因为仅为具有非常精确的相位的光束来实现在不同屈光度水平下的反射，所以具有宽光谱带的入射光束实际上通过该叠加层被传播。具有相同相位的反射光束合计起来并被加强。

反射水平则对于平视显示系统的操作波长是非常高的，而对于环境光（即，不是来自该投影仪），没有构成的反射发生。

将放大的图像定位在驾驶员的视场中的第二部件事实上执行了比从该第一部件发出的主垂直图像的放大水平小得多的残留放大。这不是它的主要功能，并且它必须在不对外部图像的透明度和可靠渲染的主要目标造成损害的情况下首先被执行。

它的曲率因此是足够小的，以在它可以由驾驶员通过该第二光学部件可见时，不使围绕车辆的全景的真实性失真。

它的平表面包括的衍射光栅可以是被复用的，即，呈现具有用于定位（例如对应于原色的）不同波长的虚像的不同节距的多组等距离的平行直线。

为了改善平视显示的潜力，可以实际上提供不同颜色的信息的显示，以便在具有给定的倾斜（与垂直平面中的高度相对应）的精确区域中定位该最终虚像的不同着色的图案。

该图像接着以比定位通过第一部件获得的该中间虚像的深度更大的深度来被放置在该驾驶员的视场中，并且它的放大等于两个放大因数相乘。

这种部件的制造被毫无困难地执行，例如通过注射模塑法来执行，因为它接着足以通过任何合适的技术来显著地提供具有直线的模具的平表面，并以计算的间隔通过转化来将它进行复制。其相对表面被给予了要求的曲率的这种模具允许了对该第二光学部件以低成本进行大量生产。

根据替代实施例，有可能提供一种其平表面不包括线的模具，这些线则通过允许在该平表面上正确绘制这些线的任何过程来自动地获得。

用于如直线的衍射光栅一样简单的对光束的定向的解决方案的存在，确保了本发明的主要目标，即来自环境的光束在基本上没有修正的情况下穿过该第二部件。因此它保持透明，保证了车辆的环境保持对于驾驶员完美可见。

根据本发明，用于调整两个部件的相对位置的装置允许围绕与包含这些部件的光轴的平面垂直的轴相对于该第一部件来转动该第二部件。

通过在两个部件之间引起角度的变化，最终垂直图像的垂直位置可以被更精细地调整，这尤其允许了该垂直位置适合于驾驶员的位置和高度。

此外，所述调整装置可以允许在与正常穿过该第一部件的凹面的顶点相平行的方向上平移移位该第二部件。

这样的位移允许了该最终虚像相对于该光学单元并且因此相对于该驾驶员的距离的变化，如将在以下更详细地解释的。该第二部件的移位可以通过机动化的驾驶装置或手动地被执行。

这些调整可能性构成了用于平视观察功能性的主要优点。

在本发明的其它主要优点中，要强调的是，两个部件可以由塑料来非常简单地制造，另外该第二部件是成整体的，即包括单个衬底。因此，由于它们的大量复制的可能性，它们因此是在工业上容易可生产的。

第二部件是完全透明的，它非常适合于平视观察，其中透明度水平所要求的应用是非常高的，并且受规则支配。由于对本发明正确地分配了两个部件之间的功能，因此它的形式和它的透明度不被它承担的功能所阻碍。

尤其是，因为放大功能主要由第一光学部件所产生，所以弯曲的表面仅是非常轻微的。这可接着包括至少一个反射层，从其产生的不透明不再是问题。在具有多个层的假设下，这些是优选选择的，从而去除对意在使杂光线（太阳，等等）的反射最小化的任何机械防护罩的需求。

本发明的光学单元可以包括能够在车辆仪表板上或接近车辆仪表板被插入的支撑，该第一和第二部件布置于该支撑上，以及该调整装置允许修改两个部件中的至少一个相对该支撑的相对位置。

此外，本发明涉及一种平视显示系统，其包括诸如以上所描述的光学单元，和包括投影设备，该投影设备被如此布置，以便向该第一部件发射该投影设备的显示器的光线。

根据第一替代实施例，车辆的用户可以购买根据本发明的光学单元，并将其与例如被固定到车辆的顶蓬的传统的游离的投影仪相关联，本发明的该单元在仪表板处被插入。

根据第二替代实施例，该第二部件在位于该驾驶员的侧面上的支撑的一端处在一平面中延伸，该平面与驾驶员的视野的轴的方向大致成直角，该投影设备在该第一和第二部件之间被布置在该支撑上。

在这种假设下，本发明的光学单元集中了所有功能，以及在仪表板处的单次插入足够获得完整的和起作用的平视显示系统。

优选地，该投影设备接着被布置于该第二部件下面。在两种情况下，本发明提供了容易实现的调整可能性。

附图说明

现在将参照被提供为非限制性示例的附图来更详细地描述本发明，其中：

-图1图解地示出了在具备布置于车辆的顶蓬处的投影设备的车辆中的根据本发明的光学单元的集成；

-图2示出了该第一部件的光学操作；

-图3示出了该第二部件的光学操作；

-图4示出了具有集成在两个部件的支撑中的投影设备的本发明的光学单元的替代实施例；

-图5以第二版本示出了执行第二光学部件的调整，其允许了相对于驾驶员的最终虚像的距离变化的；以及

-图6和7解释了允许了将虚像与驾驶员分离的距离的变化的系统的光学操作。

具体实施方式

参考图1，本发明的光学单元（例如固定在车辆仪表板（13）上）包括两个部件（1,2），该两个部件（1,2）具有在驾驶员的视场中放大和定位来自传统投影设备（9）的物像（3）的功能，该传统投影设备（9）在这种情况下被固定到顶蓬（10），并且在例如由基本上单色的激光束或由LED所背部照明的输出显示器上显示所述图像。

根据一个可能性，本发明的单元基于支撑（11），其在图1中与该第一部件（1）同化，该第一部件（1）被更精确地集成在包括两个相对边缘（21）和（22）的支撑（11）的凹坑（20）中。该部件（1）至少部分地为该坑（20）赋予其凹度。该第二部件（2）被安装在该边缘（22）上。出于对游离的投影仪（9）的相对定位的原因，特别地考虑到车辆乘客空间的特定几何形状和在其中对于诸如平视显示系统的光学系统可用的距离，在该光轴A₁与对应于该部件（1）的几何形状的表面相交处，该第一部件（1）的凹度的顶点S如图1中所示的向该边缘（21）偏移，以考虑入射光线的倾斜。

该支撑（11）包括平底部（23）或遵循车辆仪表板（13）的形状，允许它被容易地放置并接着被固定在这样的仪表板（13）上或固定在为这个目的而在所述仪表板（13）中提供的外壳中。对该支撑（11）的定位必须是这样的，使得该第二部件（2）越过该驾驶员（8）的视野的光轴（A₀），而不使诸如其对所述驾驶员（8）显现的外部场景在视觉上退化。

由还创建了比将投影仪（9）与该第一部件（1）分离的距离d0更大的第一景深d1的该第一部件（1）所放大的主虚像或中间虚像（4）（参见图2），向着该第二部件（2）被反射（参见图3），该第二部件（2）的功能是将最终虚像（7）相对于驾驶员（8）来正确地定位，即，一方面在优选地仍大于d1的第二景深d2处，另一方面具有相对于该驾驶员的特定的向下角度（在垂直平面中的高度定位）。

因此，在图2中孤立示出的第一部件（1）从离开该投影仪（9）的物像（3）在离半径R1的凹反射镜的顶点S的距离d1处创建了主虚像（4）。该反射镜（1）的曲率半径被如此计算，使得距离d1大于将该物像（3）与所述顶点分离的距离d0。此外其还被如此计算，使得距离d0总是保持在车辆的乘客空间中可用的距离的限制之内，并且尤其是在能够容纳该投影仪的蓬顶头部的模块和面对该驾驶员的仪表板的左部之间的距离的限制之内。

因此，对焦距f的计算，以及因此对半径R1的计算，可以从距离d0和d1获得。对于凹镜，对焦距f的选择实际上取决于投影仪（9）和第一部件（1）的镜面之间的距离d0，并且取决于主虚像（4）的距离d1，距离d0和距离d1需要使用以下关系：

第一部件（1）的凹镜的曲率半径R1通过以下关系与焦距相联系：

此外，可以是球形、抛物线形、椭圆形或其它形状的反射镜必须将该主虚像（4）定位在与该物像（3）的相对侧上，并且必须将反射的光线向该第二部件（2）引导，如图3中所示的。非选择性的反射层或多个选择性的反射层（5）被布置在该反射镜的表面上。

未被放置在驾驶员的视场中的部件（1），可以根据制造要求和所使用的材料而将它做成是不透明的。

如在图3中所示的，相反，部件（2）是具备平表面和具有大曲率半径R2（R2>>R1）的面的必须透明的元件。

小曲率允许了要被获得的附加的放大级别g2，其不对用于该驾驶员（8）的环境的可靠渲染造成损害。由不一致节距所分离的直线的至少一个衍射光栅（6），或在要显示多个颜色的假设下对这样的衍射光栅（6）的复用，被形成在该部件（2）的平面上。如以上所提到的，所述复用允许了与由该第一部件（1）所选择性地反射的光线的相互作用，这些光线的波长是不不同的例如，集中在红色、绿色和蓝色来进行选择。

该衍射光栅（6）允许用相对于驾驶员（8）的给定倾斜来定位最终虚像，即，引起其在车辆的挡风玻璃的前面的垂直平面中的变化，该变化在发动机罩之上明显地可见。

最终虚像（7）接着以比该主虚像的深度更大的深度，以等于g1×g2的放大来被放置在该驾驶员的视场中，并且其不在驾驶员的周围布景的总视野中妨碍该驾驶员。

要注意的是，通过使用调整装置（24）来使该第二部件（2）的角度相对于该第一部件（1）变化，例如通过如由图1的弯曲的双箭头（F）所图解地指示的围绕轴（O）的旋转，可调整该最终虚像（7）的垂直定位。该调整装置（24）有助于将允许这种转动的部件（1,2）中的一个固定到另一个。

投影仪（12）可替代地（参见图4）被集成在该支撑（11）中，在该支撑（11）中固定了该第一部件（1），并且该第二部件（2）被连接到该支撑（11）。在这种情况下，入射光束所来自的该投影仪（12）紧接地位于该第一部件（1）的附近。

该支撑（11）包括的坑（20）比图1的配置中的坑更显著，其允许了为用于定位该第二部件（2）的调整装置（24）在被形成为峭壁的边缘（22）的底部处集成该投影仪（12），使得该投影仪（12）在该坑（20）中向部件（1）发射它的光线，部件（1）向着该边缘（21）更加倾斜以及远到该边缘（21），该边缘（21）事实上面对所述光线。

该支撑（11）还可以被放置并接着被固定在该仪表板（13）上，或在为此目的而提供的外壳中被集成在该仪表板（13）中。该调整装置（24）因此是如此的：除了在箭头F的方向上和围绕轴（O）转动调整之外，该第二部件（2）也可以通过在与穿过形成该第一部件（1）的半径R1的凹反射镜的顶点S的光轴A₁基本上平行的方向上进行平移移位（D），手动地或以机动化方式可调整。这是图5中所示出的内容。

第二部件（2）的两个不同的位置则导致了将最终虚像（7）位移到两个相等地不同的位置中。在图6和7中给出了解释，其在光学上对于该系统的一般行为进行建模，然而同时反转该部件（2）的位置以改善图7的可读性。距离d3将通过该第一光学部件获得的中间虚拟图像（4）（参见图2和3）与该第二部件（2）分离。在光学上，图6和7的示图是等效的，并且根据图7可以得到以下等式：

该等式示出了沿图5的轴D更靠近该部件（1）来移动该部件（2）事实上使该最终虚像（7）更靠近该驾驶员（8）被移动，并且分开移动它们使所述图像（7）被移开。

借助于以上这些图所说明的示例不得被认为是本发明的穷举，其包括例如用于该支撑（11）、它的底部（23）、坑（20）以及边缘（21,22）的形式的变化。

Claims

1.用于机动车辆的平视显示系统的独立光学单元，用于在驾驶员（8）的视场中显示从来自于投影仪（9,12）的物像（3）得到的虚像（7），所述单元包括第一光学部件（1），该第一光学部件（1）将从该投影仪（9,12）发出的入射光线向放置在该驾驶员（8）的视场中的第二光学部件（2）反射，以用于定位最终虚像（7），所述单元还包括为调整它们的相对位置而提供的装置（24），

其特征在于以下事实：该第一部件（1）执行对该物像（3）的放大（g1）并增加其景深，以及该第二部件（2）在垂直平面中定位该虚像（7），所述第二部件（2）由透镜形状的透明材料组成，在驾驶员（8）的侧面上的所述第二部件（2）的表面是平的，并且与驾驶员（8）相对的面具有凸度，该凸度具有大于5m的曲率半径，在驾驶员（8）的侧面上的所述第二部件（2）的表面包括用于定位最终虚像（7）的衍射光栅，该衍射光栅包括平行的且

以在0.4μm和1μm之间的节距p等距离的至少一组直线，线和节距的宽度比在0.3和0.6之间，以便允许在不对驾驶员（8）产生通过该第二部件（2）可见的外部场景的变形的情况下在垂直平面中定位该虚像（7），所述透镜形状和衍射光栅被设计成不使通过该第二部件（2）对于该驾驶员（8）可见的外部场景变形。

2.如权利要求1中所描述的用于平视显示系统的光学单元，其特征在于以下事实：该第二部件（2）在其与驾驶员（8）相对的面上呈现了用设计成产生对该物像的附加放大（g2）的曲率所配置的表面，该曲率的半径是足够大的，以便不使通过该第二部件（2）对于该驾驶员（8）可见的外部场景变形。

3.如权利要求2中所描述的用于平视显示系统的光学单元，其特征在于以下事实：所述第二部件（2）与该驾驶员（8）相对的面包括呈现大于5m的曲率半径的凸度。

4.如前述权利要求之一中所描述的用于平视显示系统的光学单元，其特征在于以下事实：该第一部件（1）是反射镜，接收来自该投影仪（9,12）的入射光线的该反射镜的表面是凹的。

5.如权利要求4中所描述的用于平视显示系统的光学单元，其特征在于以下事实：该凹面包括叠加的选择性反射层，该叠加的选择性反射层具有选择性地反射来自投影仪（9,12）且从至少一个发射光的光源发出的具有良好确定的偏振的光束的一个或多个波长的折射率，该至少一个发射光的光源是单色激光源或电致发光二极管（LED）。

6.如权利要求5中所描述的用于平视显示系统的光学单元，其特征在于以下事实：该凹面包括反射层。

7.如权利要求1-3中的任意一项中所描述的用于平视显示系统的光学单元，其特征在于以下事实：用于调整两个部件（1,2）的相对位置的装置（24）允许该第二部件（2）的轴（O）相对于该第一部件（1）围绕与包含这些部件（1,2）的光轴（A₀，A₁）的平面垂直的轴转动（F）。

8.如权利要求1-3中的任意一项中所描述的用于平视显示系统的光学单元，其特征在于以下事实：用于调整两个部件（1,2）的相对位置的装置（24）允许在与该第一部件（1）的光轴（A₁）平行的方向上平移移位（D）该第二部件（2）。

9.如权利要求1-3中的任意一项中所描述的用于平视显示系统的光学单元，其特征在于以下事实：其包括能够在车辆仪表板（13）上或车辆仪表板（13）附近被插入的支撑（11），该第一和第二部件（1,2）被布置于该支撑（11）上，并且该调整装置（24）允许修改相对于该支撑（11）的两个部件（1,2）中的至少一个的相对位置。

10.平视显示系统，其特征在于以下事实：其包括如前述权利要求中的任意一项中所描述的光学单元，和投影设备（9,12），该投影设备（9，12）被如此布置，以便向该第一部件（1）发射该投影设备（9,12）的显示器的光线。

11.如权利要求10中所描述的平视显示系统，其特征在于以下事实：其包括如权利要求9中所描述的光学单元，在于以下事实：该第二部件（2）在位于该驾驶员（8）的侧面上的支撑（11）的一端（22）处，在一平面中大致与该驾驶员（8）的视野的轴（A₀）的方向成直角地延伸，以及在于以下事实：该投影设备（9,12）在该第一和第二部件（1,2）之间被布置于该支撑（11）上。

12.如权利要求11中所描述的平视显示系统，其特征在于以下事实：该投影设备（9,12）被布置于在该第二部件（2）下面。