CN104854500A - 用于发射意于形成图像的光束的装置和方法,投影系统,以及使用所述装置的显示器 - Google Patents

用于发射意于形成图像的光束的装置和方法,投影系统,以及使用所述装置的显示器 Download PDF

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CN104854500A CN201380042869.6A CN201380042869A CN104854500A CN 104854500 A CN104854500 A CN 104854500A CN 201380042869 A CN201380042869 A CN 201380042869A CN 104854500 A CN104854500 A CN 104854500A
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Abstract

本发明涉及一种用于发射意于形成图像的光束(10)的装置，该装置包括一个或多个源(4、5、6)，每个源发射激光类型的束(7、8、9)，所述装置被配置为由一个激光束或由激光束(7、8、9)的结合而形成光束(10)，所述装置包括设置在所述(一个或多个)源(3、4、5)的下游的衰减器件(12)，使得光束(10)的光功率改变。

Description

用于发射意于形成图像的光束的装置和方法,投影系统,以及使用所述装置的显示器
技术领域
本发明涉及一种用于发射意于形成图像的光束的装置和方法，使用所述装置的投影系统，和使用所述系统的显示器。
本发明将例如在机动车辆中具有应用，用于向车辆的使用者(特别是其驾驶员)提供信息。
背景技术
已知将机动车辆装设有所谓的平视显示器系统。这样的系统放置在机动车辆驾驶员的视野中，并且显示关于机动车辆的状态、交通状况或其他的信息。
为了不干扰驾驶，必要的是使被投影的图像的亮度适于环境亮度。特别地，必要的是，被投影的图像的光功率在白天旅程和在夜晚的旅程中或当穿过隧道时非常不同。
通过使用发光二极管的平视显示器，已经提出了通过控制二极管的供给电流而改变被投影的图像的亮度。这样的装置允许亮度的令人满意的适应性。然而，它们白天的亮度仍然不够充分。
为了弥补该缺陷，已知有使用激光类型的光源的显示器。然而，在通过控制供给光源的电流的量的情况下所提供的亮度的适应性不能够充分地减少图像的光功率。借由示例，如果认为在白天驾驶条件下需要具有10000Cd/m2数量级的光功率，以及在夜晚驾驶条件下需要具有5Cd/m2数量级的光功率，则观察到当从一种驾驶条件改变到另一种时，有必要将亮度减少2000的因子。
由申请人进行的关于通过控制光源的电流供给(例如使用脉宽调制技术或所使用的电流的幅值的控制)而适应被投影的图像的亮度的研究，显示出这些技术具有局限性。特别必要的是，对于二极管的线性操作具有最小的电流幅值和最小的脉冲持续时间。
发明内容
本发明的目的是通过提出一种用于发射意于形成图像的光束的装置而解决上述问题，所述装置包括一个或多个源，每个源发射激光类型的束，所述装置被配置为由一个激光束或通过将所述激光束结合在一起而形成所述光束。“在一起”是指，对裸眼来说，所述激光束在结合之后形成单个光束，即使它们在所述束中仍单独地存在。为了简化的目的，术语“光束”将在后文中持续使用，以指示将激光束带至一起后的激光束的结合。
根据本发明，所述装置包括衰减器件，位于所述一个或多个源的下游，使得能够改变光束的光功率。术语“光功率”是指由一个或多个源发射的光通量的光功率。其可通过由接收光通量的光电二极管产生的电流例如以毫瓦(mW)，或通过在给定区域上的光通量产生的照度，或以坎德拉每平方米(Cd/m2)而等同地测量。
通过以与控制激光源的电流供给不同的方式操作的特定的器件来衰减由激光源发射的光束，更能够实现减少光功率。因此，能够同时受益于高的白天亮度和低的夜晚亮度。
根据本发明的一个方面，由激光类型的光源发射的束的强偏振特性通过将所述衰减器件配置为依据一个或多个激光束的偏振的取向而改变光束的光功率的方式而得到充分利用。
根据本发明的该方面的第一变型，所述衰减器件包括所述一个或多个束的偏振取向的修改器件，以及下游的分析器，特别是固定的分析器，其仅传递所述一个或多个束的偏振的一个分量。所述偏振取向的修改器件包括，例如，液晶器件。从而获得了不必须使用移动部件的系统。
根据本发明的该方面的另一变型，所述衰减器件包括传输所述一个或多个束的偏振的仅一个分量的分析器和所述分析器的取向修改器件，所述取向修改器件使得能够改变所述被传输的一个或多个束的偏振分量的比例。
在这些变型的一个或其他中，所述分析器例如是偏振片或结构。
根据本发明的可以与前述方面组合的另一方面，所述发射装置可包括所述源的电流供给的控制器件，所述控制器件被配置为提供所述光束的光功率的额外调节。以这种方式，由衰减器件和由控制器件提供的光功率的调节能力被结合，以实现期望的衰减因子，特别地至少1000，或甚至2000。
所述控制器件可被配置为提供所述激光束的光功率的线性电流调整，以根据分配到每个所述激光束的光功率的比例而提供光束颜色的选择。以这种方式，可获得专用于颜色选择的调整方式。
所述控制器件可被配置为通过脉宽调制而提供所述激光束的光功率的调整，以实现所述光束的光功率的额外的调节。以这种方式，可获得专用于光功率的额外调节的调整方法。换句话说，衰减因子可由所述衰减器件和所述激光源的供给电流的脉宽调制的组合动作获得，所述调制可使用所述控制器件实施。
更确切地，所述控制器件配置为使得所述脉宽调制调整提供了所述额外调节，例如，根据5到20的衰减因子，特别是10的衰减因子。对于衰减器件，它们可使得获得100到300之间的衰减因子，特别是200的衰减因子。
根据本发明的其他特征，这些特征可被一起采用或单独采用，并且可以与前述特征的所有部分组合使用：
-所述衰减器件配置为在所述激光束的至少一个与所述其他激光束的至少一个结合之前改变所述激光束的所述至少一个的光功率，
-所述衰减器件配置为改变来自于所述激光束的结合的所述光束的光功率，
-所述装置包括指示(indexing)一个或多个激光束的偏振取向的器件，
-所述源具有相同指示，
-所述衰减器件配置为将所述指示考虑在内而操作，
-所述装置进一步包括检测环境亮度的器件和使得能够在依据由所述检测器件检测的环境亮度而作用于所述衰减器件的处理器件。
有利地，所述发射装置包括至少三个激光源，三个源中的每一个能够发射单色光束。
因此，本发明还涉及一种图像投影系统，包括如上所述用于发射光束的的装置。
所述系统包括，例如，用于由所述光束形成图像的器件。所述衰减器件位于所述图像形成器件的上游和/或下游。
所述图像形成器件包括，例如散射屏，由所述发射装置的一个或多个光源产生的图像形成在其上。
根据第一实施方式，所述图像形成器件还包括激光扫描投影仪，其通过由所述发射装置产生的光束而产生在散射屏上形成图像的光束。
根据另一实施例，所述图像形成器件包括投影仪，该投影仪包括插置在一个或多个光源以及散射屏之间的微镜阵列，所述微镜阵列在形成有第二投影图像的散射屏上形成第一投影图像。
本发明还覆盖一种包括如上所述的投影系统的平视显示器系统。
这样的系统包括，例如半反射板，其能够被设置在方向盘和车辆的风挡玻璃(或这样的风挡)之间。
根据本发明的系统还可包括反射装置，该反射装置插置在散射屏和半反射板之间的图像路径中。这样的反射装置使得能够更容易地安装投影装置，同时将图像从发射装置的给定位置发送到所需位置。
本发明还涉及一种用于发射意于形成图像的光束的方法，在该方法中提供了一个或多个源，每个源发射激光类型的束，所述光束通过所述一个激光束形成或通过将所述多个激光束结合在一起而形成，并且所述光束的光功率使用位于所述一个或多个源的下游的衰减器件而被改变。
将还可以通过使用用于控制所述一个或多个源的电流供给的器件而提供所述光源的光功率的额外调节，特别地根据如上文中已经描述的特征。
有利地，所述方法使用上述发射装置。
附图说明
本发明的其他特征、细节和优势在阅读下文中作为指示给出的描述并参考附图后将变得更清楚，其中附图包括：
图1是根据本发明的发射装置的示意图，所述风扇转子处于第一操作模式；
图2是示于图1的装置处于第二操作模式的视图；
图3是示于图1的装置处于第三操作模式的视图；
图4是根据本发明的平视显示器系统的示意图。
应当注意的是，附图以详细的方式公开本发明，以使用本发明，如果需要的话，所述附图当然能够用于更好地限定本发明。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明首先涉及用于发射意于形成图像的光束的装置1。这样的装置更特别地意于装设机动车辆的平视显示器，在平视显示器处，关于车辆的至少一个信息项被投影。
所述装置包括一个或多个源4、5、6，每个源发射激光类型的光束7、8、9。它们例如是激光源，典型地，是激光二极管，每个激光源发射单色束，也就是说包括单一颜色。
所述装置在此包括多个源4、5、6，在本例中包括3个，所述装置被配置为通过将由所述源4、5、6的每一个单独发射的束7、8、9结合在一起以形成光束10。更确切地，源将可以是彼此间发射不同颜色的源。所述颜色例如是，红、绿或蓝(RGB)。
每一个源的光功率通过使用一个或多个激光源的供给电流而被独立地控制。在给定的光功率下，光束10的颜色通过在不同激光二极管之间建立功率比的方式而确定。例如，为了获得白光，光功率的比例必须根据下列分配方式建立：60份的绿光二极管，30份的蓝光二极管，10份的红光二极管。如下所述，每个源的光功率还可被控制以调制光束10的光功率。
由每一个源发射的束7、8、9例如平行于彼此地取向，并且在同一方向上反射，以通过结合而形成所述共同光束10。为此，所述装置1在此包括在大范围波长上的半透明的光学元件，诸如分色镜或结合板11，拦截由每个所述源发射的束7、8、9，并且将它们在所述束10的方向上结合。
更一般地，所述装置1配置为由所述一个或多个激光束7、8、9形成所述光束10，然而可能涉及很多源4、5、6。在单一源的情况，光束10由所使用的单一源发射的激光束构成，并且获得的图像则将是单色的，根据所述颜色的梯度，由应用到形成它的每个点的不同光功率构成。在多个源的情况下，典型地如上所述的三个源4、5、6，随后形成所述光束的所述共同束10将允许根据色谱建立图像，其清晰度将对应于所述源4、5、6的功率供给的控制的精确度。
根据本发明，所述装置1包括衰减器件12，位于所述一个或多个源4、5、6的下游，使得能够改变光束10的光功率。换句话说，颜色和/或强度通过控制所述源的电流供给而被赋予光束10，所述衰减器件12使得能够改变一个或多个束7、8、9、10的光功率。特别地，可以使束的光功率适应于白天驾驶条件和夜晚驾驶条件。
所述装置可包括控制所述源的电流供给的器件。如上所述，它们使得可以选择光束10的颜色。
更确切地，所述控制器件被配置为，例如，提供所述激光束7、8、9的光功率的线性电流调整，以根据分配到每个所述激光束7、8、9的光功率的比例而提供光束10的颜色的所述选择。可以例如提供六位的颜色编码，对应于每一个所述激光束7、8、9的光功率的64个等级。
所述控制器件还可被配置为提供所述光束的光功率的额外调节。特别高的衰减率可以该方式实现。
更确切地，所述控制器件配置为通过脉宽调制来提供所述激光束7、8、9的光功率的调整，使得实现所述光束10的光功率的所述额外调节，特别地根据5至20之间的衰减因子，特别是约10的衰减因子。
以这种方式，可以调节所述光束10的光功率和/或颜色。所述控制器件包括例如微控制器，该微控制器未示出。
有利地，所述衰减器件12配置为依据所述一个或多个束的偏振取向而改变光束的光功率。以这种方式，实现了激光束的物理特征的优势，即它们展现了被强偏振的特性。处于简化的原因，实际上认为，与激光束的偏振的两个正交分量中的每一个相关联的亮度之间有200/1的比值。以这种方式，可以获得约200的衰减因子，该衰减因子与来自于控制器件，特别是来自于脉宽调制的衰减因子相结合，使得能够达到上述的2000的水平。
根据图示的实施例，所述衰减器件12包括所述一个或多个束的偏振取向的修改器件16，以及下游的分析器17，该分析器仅传输所述一个或多个束的偏振的分量中的一个。在本例中，束10在通过取向的修改器件16之前具有初始取向18。在图1中，所述偏振取向的修改器件16允许束通过而不改变其偏振的取向，并且在所述修改器件的输出端处获得的取向13允许该束的约100％传输通过分析器17。在图2中，所述偏振取向的修改器件16使得偏振根据第一角度而经历偏振取向的改变，并且在所述修改器件16的输出端处获得的取向14允许该束的约30％传输通过分析器17。在图3中，所述偏振取向的修改器件16使得偏振经历取向变化，以使得获得的新取向15与入射束10的偏振取向正交地偏移。该束通过分析器17的传输从而最小，在图中标记为0％。
所述偏振取向的修改器件16包括，例如，液晶器件。所述分析器17例如是偏振片偏振片。
根据未示出的一个实施例，其中束的偏振取向未被修改，装置包括所述分析器的取向修改器件，以使得改变所述被传输的一个或多个束的偏振的分量的比例。因此，分析器的取向设置为使得其是可移动的，而在前述实施例中，其是固定的，这确定了被传输的偏振分量中的每一个的比例。通过将分析器的角度位置变化90°，被传输的束的光功率从其最大变化到其最小。
因此，根据示出的配置，所述衰减器件12被放置在共同光束10的路径中。换句话说，所述衰减器件12配置为改变所述共同光束10的光功率。更确切地，在本例中，所述液晶器件16和所述固定的分析器17被放置在共同光束10的路径中。类似地，取决于移动分析器的实施例，分析器17可被位于共同光束10的路径中。
根据未示出的变型，所述衰减器件12至少部分地放置在由源4、5、6发射的束的路径中，在该情况下，在所述源4、5、6和所述镜11之间。换句话说，所述衰减器件12配置为改变由每一个所述源4、5、6发射的激光束的光功率。更确切地，液晶器件16和固定分析器17放置在所述源4、5、6和所述镜11之间，作为替代形式，所述固定的分析器11能够位于所述镜11的下游。类似地，根据具有移动分析器的实施例，分析器可位于所述源4、5、6和所述镜11之间。
有利地，所述装置包括指示一个或多个激光束的偏振取向的器件，该器件未示出。其可以是源4、5、6的取向参考物，诸如形成在激光二极管上的平坦部或肋。所述衰减器件12配置为将所述指示考虑在内而操作。所述源4、5、6可具有相同的指示，特别是在衰减器件12放置在共同光束10的路径中或下游的情况中，如下文所述。
所述装置进一步包括环境亮度检测器件和使得能够依据所述检测器件测得的环境亮度而作用于所述衰减器件的处理器件。所述环境亮度检测器件包括，例如，光检测器，诸如改变车辆仪表盘上的显示器屏幕的器件。所述处理器件例如集成在上述微控制器的水平处。
如图4所示，本发明还涉及一种图像投影系统100，其包括如上所述的发射装置1。投影系统100还包括由所述光束10形成图像的器件102。
所述图像形成器件102包括，例如扫描生成器110，该扫描生成器的作用是将光束10水平地和竖直地移动，用于以一频率生成扫描的目的，该频率特别是等于60Hz(作为非限制性的示例)。扫描生成器110特别地包括扫描镜，该扫描镜具有微机电系统(后文中称为MEMS)，光束10基于该微机电系统而被反射为扫描束103。这样的MEMS镜具有例如1mm的直径。MEMS镜能够绕两个旋转轴线旋转，以生成所述图像形成器件102的散射屏111的扫描，例如以60Hz的更新频率。所述图像形成在所述散射屏111上。替代地，MEMS镜可由两个可移动平面镜替换，该两个可移动平面镜的运动是联动(couple)的。这些镜的一个可专用于沿水平轴线的扫描，而另一个镜可专用于沿竖直轴线的扫描。
图像形成在其上的散射屏111可以是透明投影屏幕，该透明屏幕具有用于通过透明度而投影的复杂结构。替代地，其可以是半透明的。其例如可以由玻璃制成，特别是磨砂玻璃，或由聚碳酸酯制成。借由示例，散射屏是出瞳(出瞳扩大器)类型。其使得能够具有加宽的观察锥度。其在由光束横穿的平面内延伸，由该扫描束103得到的图像形成在散射屏111的面的平面中。
该散射屏接收扫描束103。其被布置为引起该扫描束103在一角度区段中的散射，例如，在该扫描时103击打散射屏111的时刻相对于扫描束103的方向等于30°。为此，根据非限制性的示例，散射屏的面112是粗糙的，由于包括导致扫描束103的散射的凹凸部。粗糙面112对应于光束离开所通过的面，也就是说图像形成于其上的面。
根据另一个未示出的变型，所述图像形成器件不包括扫描生成器，诸如前述的扫描生成器，而是包括微镜阵列(也称为数字微镜系统)。在该配置中，该图像形成在微镜阵列的水平处，并且接着被投影到散射屏上。通常，投影光学装置布置在阵列和屏幕之间。每个微镜对应于图像的像素。在该实施例中，图像并非在散射屏上第一次形成，而是之前形成在微镜阵列上的图像被接收。
应当注意的是，所述衰减器件12可以是，如在示例中示出的，在所述图像形成器件102的上游。它们也可在下游。在变型中，它们可被放置在一方面扫描生成器110或微镜阵列以及另一方面散射屏111，之间。
所述投影系统还可包括多个镜104、106，特别是在扫描束103的路径中。
本发明还涉及一种显示器，特别是平视显示器，其包括根据上述变型中的任一个的投影系统100。
沿光束的运动方向在散射屏111的下游，所述显示器包括至少一个半反射板126和反射装置125，所述反射装置125插置在散射屏111和半反射板126之间的图像路径中。在该图中，图像路径由三个以虚线示出的箭头30标记，图像在被通过半反射板126显示之前在反射装置125上反射。半反射板126允许图像的放大，和/或通过透明度允许图像显示超过所述半反射板，特别地超过装备的车辆的风挡，在虚拟屏幕130的水平处，这在所述半反射板126的帮助下获得。
该透明板具有至少等于20％的反射功率，这允许用户通过板看见车辆占据的道路，而同时受益于使得能够看见被显示的图像的高对比度。替代地，图像的显示可发生在装备有所述显示器的车辆的风挡上。
如已经陈述的，所述衰减器件可位于图像形成装置102的下游并且远至半反射板126。

Claims (20)

1.一种用于发射意于形成图像的光束(10)的装置，所述装置包括一个或多个源(4、5、6)，每个源发射激光类型的束(7、8、9)，所述装置被配置为由一个激光束或通过将所述激光束(7、8、9)结合在一起而形成所述光束(10)，所述装置包括衰减器件(12)，该衰减器件位于所述一个或多个源(3、4、5)的下游，使得能够改变所述光束(10)的光功率。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述衰减器件(12)配置为依据所述一个或多个激光束(7、8、9)的偏振取向来改变光束(10)的光功率。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述衰减器件(12)包括所述一个或多个束的偏振的取向的修改器件(16)，以及下游的分析器(17)，该分析器仅传输所述一个或多个束的偏振的一个分量。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述分析器(17)是固定的。
5.如权利要求3或4中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述偏振取向的修改器件(16)包括液晶器件。
6.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述衰减器件(12)包括传递所述一个或多个束的偏振的仅一个分量的分析器和所述分析器的取向修改器件，该取向修改器件使得能够变化所述被传输的一个或多个束的偏振分量的比例。
7.如前述任意一项权利要求所述的装置，包括所述源(4、5、6)的电流供给的控制器件，所述控制器件配置为提供所述光束(10)的光功率的额外调节。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述控制器件被配置为提供所述激光束(7、8、9)的光功率的线性电流调整，以根据分配到每个所述激光束(7、8、9)的光功率的比例而提供光束(10)的颜色的选择。
9.如权利要求7或8的任意一项所述的装置，其特征在于，所述控制器件被配置为通过脉宽调制而提供所述激光束(7、8、9)的光功率的调整，以实现所述光束(10)的光功率的所述额外调节。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述控制器件配置为使得通过脉宽调制进行的所述调整提供了根据5至20之间的衰减因子的所述额外调节。
11.如前述权利要求的任意一项所述的装置，其特征在于，所述衰减器件(12)配置为在所述激光束的至少一个与所述其他激光束(7、8、9)的至少一个结合之前改变所述激光束(7、8、9)的所述至少一个的光功率。
12.如权利要求1到10的任意一项所述的装置，其特征在于，所述衰减器件(12)配置为改变自于所述激光束(7、8、9)的结合的所述光束(10)的光功率。
13.如前述权利要求的任意一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括指示一个或多个激光束(7、8、9)的偏振取向的器件，且在于，所述衰减器件(12)配置为将所述指示考虑在内而操作。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于所述源(4、5、6)具有相同的指示。
15.如前述权利要求的任意一项所述的装置，其特征在于，其进一步包括检测环境亮度的器件和使得其能够依据由所述检测器件测得的环境亮度而作用于所述衰减器件(12)的处理器件。
16.一种图像投影系统，包括如前述任意一项权利要求所述的装置。
17.如权利要求16所述的系统，包括用于从所述光束(10)形成图像的器件(102)，并且其特征在于，所述衰减器件(12)位于所述图像形成器件(102)的下游。
18.一种显示器，特别是平视显示器，包括如权利要求16或17中的任意一项所述的投影系统。
19.一种用于发射意于形成图像的光束(10)的方法，在该方法中提供了一个或多个源(4、5、6)，每个源发射激光类型的束(7、8、9)，所述光束(10)由所述一个激光束形成或通过将所述激光束(7、8、9)结合在一起而形成，并且所述光束(10)的光功率使用位于所述一个或多个源(3、4、5)的下游的衰减器件(12)而被改变。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述光束(10)的光功率的额外调节使用用于控制所述一个或多个源(4、5、6)的电流供给的器件而被提供。
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