CN104769484B - 用于显示真实图像的装置的使用方法 - Google Patents

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Abstract

用于在包含窗玻璃，尤其层压窗玻璃的座舱中使用用于显示真实图像的平视显示(HUD)装置的方法，所述装置包含发射可见UV或者IR激光辐射或者电致发光二极管辐射的光束的光源，该光束朝向包含吸收所述辐射并且再发射在可见光区中的光的发光物质的所述窗玻璃部分，由该光束对所述部分的照明允许真实图像显示在窗玻璃上。

Description

用于显示真实图像的装置的使用方法
本发明涉及投射到透明类型屏幕，特别车辆的风挡或者建筑物用窗玻璃上的显示系统的领域。
更具体地，但不限于此，本发明涉及图像显示系统，例如在本领域中称为HUD(HeadUp Display)的平视显示系统的领域。这种图像显示系统尤其用在飞机座舱、火车中，以及现在还用于私人汽车(如轿车、运货汽车等等)中。本发明特别地涉及用于在玻璃上显示的装置，特征为使用激光投影仪形成真实图像。
在这些系统中，窗玻璃通常由夹层结构组成，在最简单的情况下，其包含两个坚固材料片材，如玻璃片材。坚固材料片材通过热成型中间层连接在一起，该中间层通常包含聚乙烯醇缩丁醛(PVB)或者由其组成。
这些平视显示系统，其允许显示被投射在窗玻璃上并且反射向驾驶员或者观察者的信息，是已知的。尤其，这些系统允许为车辆的驾驶员提供信息而不使他的视线远离车辆前面的视野，由此允许大大提高安全性。
在最早的方法中，这种图像通过将信息投射在具有层压结构(换言之由两个玻璃片材和塑料中间层形成的结构)的风挡上而获得。驾驶员看见位于在该风挡后方一定距离的虚像。然而，驾驶员这时观察到重影：由该风挡的面对座舱内部的表面反射的第一图像和通过该风挡的外部表面反射的第二图像，这两个图像彼此轻微地偏移。这种偏移可以妨碍信息的观察。为了克服这种问题，可以提到在专利US 5013134中提出的解决方案，在该专利中描述了使用由两个玻璃片材和聚乙烯醇缩丁醛(PVB)中间层形成的层压风挡的平视显示系统，该中间层的两个外表面不是平行而是呈楔形的，使得通过显示来源投射的和通过该风挡的朝向座舱的表面反射的图像是几乎与由该风挡的朝向外部的表面反射的来自相同源的相同图像重叠。为了消除重影，通常通过使用其厚度从该窗玻璃的上边缘向下边缘降低的中间层使层压窗玻璃形成楔形。然而，PVB的轮廓必须是非常规则的，而没有厚度变化，这是因为这些变化在组装期间被转移到风挡上并引起角度的局部变化。根据这种方法，因此寻求使在该玻璃的表面上的光反射最大化以获得投射到窗玻璃的表面上的信号的最大强度。
或者在专利US 6979499 B2中提出了使具有适当波长的入射光束输送在直接被并入在窗玻璃中的荧光材料上，该荧光材料可以通过发射在可见光区中的光辐射来响应该激发。因此，真实图像而不是虚像直接地形成在风挡上。这种图像还可以被在车辆中全部旅客看见。专利US 6979499 B2特别地描述了具有聚乙烯醇缩丁醛(PVB)类型中间层的层压窗玻璃，该中间层的两个外表面是平行的，并且在其中包括附加荧光材料层。根据入射的激发辐射的波长选择荧光材料。这种波长可以是在紫外线区中或者IR区中。在这种入射辐射下，荧光材料再发射在可见光区中的辐射。这时，当入射辐射是UV时称为“下转换”，和当入射辐射是IR时称为“上转换”。根据该文件，这种构造允许任何物品的图像直接地在风挡上再构成。根据这种公开内容，荧光材料以包含多种类型的荧光材料的连续层的形式被沉积在形成层压窗玻璃的片材(PVB或者玻璃)之一的整个主要表面上。期望的图像通过选择性激发该发光物质层的确定区域而获得。该图像的位置和其形状借助于通过外部工具控制和调制的激发光源而获得。
申请人进行的实验已经显示这类HUD装置(将荧光材料并入装配窗玻璃中)的特征为在传统的UV或者IR激发光源下具有过弱的亮度。为了获得被投射在风挡上的信号的足够亮度，并因此足够可见性，尤其在强日照的条件下，需要使用非传统的光源，即产生激光或者电致发光二极管类型的聚集射线束的光源。
尤其可以使用产生聚集并且引导的紫外光的激发光源，紫外光由激光二极管类型的更特定光源发出。对于本说明书，术语“聚集的”表示从该产生源发出的光束在窗玻璃的表面功率高于120mW.cm-2优选地在200mW.cm-2至20 000mW.cm-2，或者500mW.cm-2至10000mW.cm-2范围中。
申请WO2010/139889描述了使用具有高亮度(由于在入射UV激发下它的高量子效率)和在老化试验中在紫外激光激发下的高耐久性的羟基对苯二酸酯类型的荧光材料类型物质。
然而，这种光源的使用只能被考虑在保持被限制的功率(以避免与该光束的危险性有关的问题)，首先在车辆外部。特别地，如果使用约400nm的波长，大部分激光辐射可以被阻止传到外部，因为在这些波长，PVB强烈吸收紫外辐射。
然而，由于在形成风挡的窗玻璃的玻璃表面上出现的反射，入射激光辐射的功率还可以对于在座舱中存在的旅客，特别对于车辆的驾驶员是非常危险的。这种反射可以对车辆的乘客产生眼损伤和烧伤的风险。例如如果还考虑风挡的曲率和倾角，该反射在初步近似中是相对高的(约数个百分数)。
如果光源需要发射非常高功率的初期辐射以便驾驶员可以看见具有足够的对比度的信息(以便非常快速的阅读)，这种危险是更高的。
本发明涉及允许通过显著地限制入射辐射在玻璃表面上的反射来确保旅客安全的方法。
特别地，本申请人公司已经发现可以通过调节一组参数的方法来获得该系统的安全，在所述参数中至少包括：
-入射光束的性质，特别它的偏振化，
-入射光束的角宽度，
-风挡的曲率半径和它在由该光束照明的区域中的倾角(inclinaison)。
考虑到根据本发明的方法的这些参数特别地可以确定在座舱中并且面对该风挡的区域(在其中应该显示信息)的光源的最佳设置，以便以有效方式解决上述的安全问题。
更具体地，本发明涉及在包含窗玻璃，尤其层压窗玻璃，的座舱中使用平视显示(HUD)装置的方法，所述装置包含发射可见UV或者IR激光类型或者电致发光二极管类型的辐射光束的光源，该光束朝向包含吸收所述辐射并且再发射在可见光区中的光的发光物质的所述窗玻璃的一部分，由该光束对所述部分的照明允许真实图像显示在窗玻璃上，所述方法特征在于它包含以下步骤：
-在座舱中确定该光源可以进行设置的位置集合i[1；n]，
-从该光源在座舱中的第一位置i1，发射偏振入射光束使得它的电磁场是横向磁的，
-对于用该光束照明的该窗玻璃部分的整体，测量入射角θ1的变化，确定角度的值θ1(Rmax)，对于该值，入射辐射被窗玻璃的反射R1max在所述照明区中并且对于光源的位置i1是最大的，
-从其辐射被引导以基本照明所述窗玻璃的相同部分的光源的第二位置i2，如同在与前两个步骤进行操作，以便确定值θ2(Rmax)，对于该值，入射辐射被窗玻璃的反射R2max在所述照明区中并且对于光源位置i2是最大的，
-如此对于该光源的全部可能的位置in进行操作，
-最后将光源设置在位置i上，对于该位置如此确定的Rimax的值是最小的。
根据本发明方法的某些有利的实施方案，必要时它们显然可以彼此相结合：
-光源产生在380至410nm，优选地等于405nm的可见UV激光辐射；
-光源是在5°至25°，优选地10°至20°的角半宽度γ1/2上产生紫外激光辐射、允许照明用于显示图像的窗玻璃部分的装置；
-该装置选自由以下组成的组：基于MEMS微镜具有激光源的投影仪，基于DLP、LCD或者LCOS基质具有激光源或者LED的投影仪，和基于安装在检流计上反射激光源的反射镜的投影仪；
-所述窗玻璃是汽车用风挡或者建筑物用窗玻璃类型的层压窗玻璃，其包含至少两个透明的无机玻璃或者坚固有机材料的片材，该片材通过可热成型材料的中间层或者通过包括这种中间层的叠层片材彼此连接，所述窗玻璃特征在于发光物质被并入所述中间层中，允许所述显示；
-构成所述中间层的可热成型材料选自PVB，增塑PVC，聚氨酯PU和乙烯-乙酸乙烯酯共聚物EVA；
-所述发光物质是羟烷基对苯二酸酯R-OOC-Φ(OH)x-COOR，其具有以下结构式：
其中Φ表示被至少一个羟基(OH)取代的苯环，R是包含1至10个原子的烃链和x等于1或者2，特别地2,5-二羟基对苯二酸二乙基酯。
本发明还涉及包含平视显示(HUD)装置和窗玻璃，尤其层压窗玻璃的机动车辆的座舱，所述装置包含发射激光类型的聚集并定向的辐射光束的光源，使该辐射朝向包含吸收所述辐射并且再发射在可见光区中的光的发光物质的所述窗玻璃的一部分，所述部分通过该光束的照明允许在所述窗玻璃上显示真实图像，其中所述光源通过应用如先前描述的方法被设置在座舱中。
具体实施方式
通过阅读以下本发明的实施方案(联系附图1)将更好理解本发明和它的优点。
在附图1上，示意表示了设置在机动车辆(未显示)的座舱中的风挡和装置。
风挡1由两个片材2和9组成，其典型地由玻璃制成但是其同样可以用坚固的聚碳酸酯类型塑料片材制成。在两个片材之间存在塑料中间层3，如PVB(聚乙烯醇缩丁醛)，增塑PVC、PU、或者EVA，或者叠层热塑性片材，其例如包括PET(聚对苯二酸亚乙酯)，其中层序列是例如PVB/PET/PVB。
根据本发明的对苯二酸酯类型的有机发光物质的颗粒在层压之前，即在不同片材的组装之前，被沉积在热塑性塑料中间层3的内表面的至少一部分上。
发光物质的颗粒具有主要为1至100微米的尺度分布。术语“主要地”表示形成商品粉末的颗粒的多于90％具有1至100微米范围的直径。优选地，使对苯二酸酯类型发光物质的颗粒经受预先处理，该预先处理促进它们浸渍在PVB热塑性片材中。更具体地，预先使颗粒包裹在PVB基粘结剂中。
发射激发光辐射的激光源4用来朝向风挡的部分10(在其上应该产生真实图像)输送具有405nm波长的入射聚集辐射7，至少这部分窗玻璃包含适合的发光物质。该发光物质有利地是如描述在申请WO2010/139889中的羟基对苯二酸酯类型，例如在热塑性中间层3中溶剂化为分子形式。发光物质具有高的吸收入射辐射的系数。它随后以大于80％的效率再发射在可见光区域中的辐射，即接近于450nm的辐射。有利地，激光投影仪还包含允许使入射光束偏振的起偏振器，特别使得它的电磁场是横向磁的。
对本发明来说，术语“横向磁的”表示至少100:10，优选地至少100:1的TM:TE偏振比。
由发光物质发射的可见辐射这时直接地可被驾驶员眼睛5观察到，其因此看见在风挡上的目标而不必须从道路转移目光。以这种方法，图像可以直接地出现在层压风挡上而不需要改变风挡的结构，例如中间层的厚度，这允许经济地制备HUD系统。
根据本发明，用于产生该聚集辐射的光源优选是紫外激光类型光源。它例如是但不限于固体激光器类型、半导体激光器二极管、气体激光器、染料激光器、受激准分子激光器。通常，任何已知的产生紫外辐射的聚集并引导(在本发明的意义上)的通量的光源可以用作为根据本发明的激发光源。或者，可以使用非相干光的光源，如电致发光二极管，优选地为功率类型并且在近UV区域中运行。
根据一种可能的实施方案，可使用DLP投影仪以通过在申请US 2005/231652，段落
中描述的方法调制激发波。根据本发明还可以使用如在申请US2004/0232826中描述的装置作为UV激发光源，尤其如结合附图3所描述。
这种系统的使用允许通过激光辐射照明该窗玻璃的特定部分，以在那里显示任何对在驾驶中的驾驶员有用的信息，尤其用于他的安全性，或者用于他导航。
显然地，前述的实施方案不以任何方式在如上所述的方面限制本发明。
根据本发明，所考虑的区域的照明可以通过用光源快速扫描所述区域或者通过借助于多个接受所述光源的反射镜同时活化在所述区域中的像元进行装置运行而获得。
特别地，在第一实施方案中，将使用基于MEMS微镜与激光源的投影仪。在另一个实施方案中，将使用基于DLP、LCD或者LCOS基质与激光源或者LED的投影仪。或者，根据本发明可以使用基于安装在检流计上反射激光源的反射镜的投影仪。
在这种车辆的座舱中，在该装置的操作期间的主要安全问题，该主要困难存在于辐射在风挡的表面上的被反射部分中，其可以是，在初步近似中，相对高的并且朝向旅客的眼睛，尤其考虑由该入射光束照明的区域中的层压风挡的倾度和曲率时。
根据本发明，该光源，如紫外激光类型光源，通过应用根据本发明的方法被设置在座舱中，以便使该入射辐射从该风挡的内壁的朝向座舱的反射最小化。
举例来说，在机动车辆的座舱的情况下，可以使投影仪位于许多的位置中，最通常地在仪表板上、在车辆的天花板上或者在风挡的立柱上，然而这些名单因此是非限制性的。对于提供的座舱，并且根据该风挡的部分(希望在其上投射图像)，因此可以列出其中可以安装该投影仪的一组位置。
以下实施例，其基于如上所述的实施方案的建模，显示了通过，在设置激光投影仪以使先前描述的对于在车辆中的旅客的风险最小化(通过显著地降低来自光源的光束在风挡表面上的反射)期间，实施本发明的方法获得的优点。
实施例:
在本实施例中，重复先前结合附图1进行描述的实施方案，其中包含发光物质的层压风挡1由照明该窗玻璃的部分10的激光辐射的光源或者投影仪4进行照明。
在附图2上，为了简化起见(投影1D)，显示了投影仪在该风挡的唯一垂直面中的设置的不同可能结构。当然，在实际情况中，照明区还将包含水平部件，其不在这里显示。
假设使用的投影仪是具有405nm辐射的可见UV激光器，其通过构造而具有等于10°的角半宽度γ1/2。
对于本发明来说，术语“角半宽度”表示在可以由该投影仪发射的最发散射线和该投影仪的光轴之间的角度。
对于第一位置，装置设置于位置1(附图2)，以照明在风挡1上的区域10。如在附图2中所示，并且对于本说明书来说，入射角θ1被定义为在光束(当它在激光装置的中心位置(即沿着该投影仪的光轴)被发射时)和与在窗玻璃上的入射点处的该窗玻璃的法线之间的角度，同时考虑后者的曲率和倾度。
对于每个如此照明的点，在对应于该装置的端值角宽度(换言之，分别地围绕该光束的中心位置的-γ1/2和+γ1/2)的间隔θ1min和R1max之间，例如根据传统建模方法，测定该入射辐射的反射的百分比R。
最后，在以下条件时，对于这种第一位置，测定值θ1(Rmin)和相关的R1max，其对应于该辐射的反射的最大值：
-入射辐射是非偏振的(NP)，
-入射辐射是横向电场偏振的(TE)，
-入射辐射是横向磁场偏振的(TM)。
投影仪随后被移到另一个位置i2，使得这种相同的区域10可以被该投影仪照明。在这种结构中，光束以另一个等于θ2的入射角到达风挡。
如对于前述结构，对于在间隔θ2min和θ2max之间每个如此扫描的点，测定该入射辐射的反射的百分比R，以及值θ2(Rmax)和相关的值R2max(作为入射辐射的偏振的函数)。
作为不同的计算位置的函数获得的主要结果被显示在下面表1中。
角度θi 偏振 在±γ1/2范围中的最大反射(Rimax)
0° TM 4.54％
0° TE 4.73％
0° NP 4.55％
20° TM 4.36％
20° TE 6.50％
20° NP 4.70％
55° TM 1.16％
55° TE 24.4％
55° NP 12.8％
60° TM 4.04％
表1。
在表1中报道的数据显示，当该辐射进行横向磁场偏振(TM)时和当该光束在风挡上的入射角θ为大约50°时该反射率可以被限制，同时考虑该风挡的曲率和倾角和该光源的角宽度。
在第二组实验中，改变该光源使得它的角半宽度γ1/2等于20°。
用和之前一样的方法进行实施，通过该方法来确定最佳角，对于该最佳角，入射辐射在风挡上的反射被最小化。获得的结果和与前面的实施例的比较显示在下面表2中：
偏振 最佳角θ γ1/2 在θ±γ1/2范围中的最大反射值Rmax
TM 55° 10° 1.16％
非偏振的 0° 10° 4.55％
TM 48° 20° 3.12％
非偏振的 0° 20° 4.57％
表2。
在表1和2中报道的结果的结合分析显示，基于在上面公开的原理和参数，根据座舱的种类和风挡的形状和位置，通过使用本发明的方法可以确定光源的最佳位置。

Claims (10)

1.用于在装备座舱的窗玻璃上显示真实图像的装置的使用方法，所述装置包含发射可见UV激光或者IR激光类型或者电致发光二极管类型的辐射光束的光源，该光束朝向包含吸收所述辐射以再发射在可见光区中的光的发光物质的所述窗玻璃的一部分，由该光束对所述部分的照明允许图像显示在窗玻璃上，所述方法特征在于它包含以下步骤：
在座舱中确定可以设置该光源的位置集合i[1；n]，
从该光源在座舱中的第一位置i1，发射偏振入射光束使得它的电磁场是横向磁的，术语“横向磁的”表示至少100:10的TM:TE偏振比；
对于用该光束照明的该窗玻璃部分的整体，测量入射角θ1的变化，并确定角度的值θ1(Rmax)，对于该值θ1(Rmax)，入射辐射被窗玻璃的反射R1max在被照明区域中并且对于光源的位置i1是最大的，
从其辐射被定向以基本照明所述窗玻璃的相同部分的光源的第二位置i2，如同在前两个步骤中进行操作，以便确定值θ2(Rmax)，对于该值θ2(Rmax)，入射辐射被窗玻璃的反射R2max在被照明区域中并且对于光源位置i2是最大的，
如此对于该光源的全部可能的位置in进行相同操作，
最后将光源设置在位置i上，对于该位置i如此确定的Rimax值是最小的。
2.根据权利要求1所述的方法，其中窗玻璃是层压窗玻璃。
3.根据权利要求1所述的方法，其中光源产生在380nm至410nm的可见UV激光辐射。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中光源是在5°至25°的角半宽度γ1/2上产生可见UV激光辐射、用于照明用于显示图像的窗玻璃部分的装置。
5.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中该装置选自由以下各项组成的组：基于MEMS微镜的具有激光源的投影仪，基于DLP、LCD或者LCOS基质的具有激光源或者LED的投影仪，或者基于安装在检流计上反射激光源的反射镜的投影仪。
6.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中所述窗玻璃是汽车用风挡或者建筑物用窗玻璃类型的层压窗玻璃，其包含至少两个无机玻璃的透明片材或者坚固有机材料的透明片材，该至少两个无机玻璃的透明片材彼此之间或者至少两个坚固有机材料的透明片材彼此之间通过可热成型材料的中间层或者通过包括这种中间层的叠层片材彼此连接，所述窗玻璃特征在于发光物质被并入所述中间层中，允许实现所述显示。
7.根据权利要求6所述的方法，其中构成所述中间层的可热成型材料选自PVB，增塑PVC，聚氨酯PU或乙烯-乙酸乙烯酯EVA。
8.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中所述发光物质是羟烷基对苯二酸酯R-OOC-Φ(OH)x-COOR，其具有以下结构式：
其中Φ表示被至少一个羟基OH取代的苯环，R是包含1至10个原子的烃链和x等于1或者2。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述发光物质是2,5-二羟基对苯二酸二乙基酯。
10.座舱，其包含用于在窗玻璃上显示真实图像的装置，所述装置包含发射激光类型的聚集并定向的辐射光束的光源，该光束朝向包含吸收所述辐射并且再发射在可见光区中的光的发光物质的所述窗玻璃的一部分，所述部分通过该光束的照明允许在所述窗玻璃上显示真实图像，其中所述光源通过应用根据权利要求1-9之一所述的方法被设置在座舱中。
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