CN105388613A - 图像产生设备、平视显示器和用于产生图像的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于平视显示器（102）的图像产生设备（106）。该图像产生设备（106）包括至少一个用于产生光束（114）的光源（108）；至少一个扩张元件（110），该扩张元件布置在所述光束（114）的光程中，以便扩张所述光束（114）；以及至少一个光调制装置（112），该光调制装置布置在由所述扩张元件（110）扩张的光束（116）的光程中，以便被经扩张的光束（116）从多个角度同时照明，并且该光调制装置被构造用于由所述经扩张的光束（116）产生代表图像（108）的图像射束（122）。

Description

图像产生设备、平视显示器和用于产生图像的方法

技术领域

本发明涉及一种用于平视显示器的图像产生设备、一种平视显示器和一种用于为平视显示器产生图像的方法、一种相应的控制设备以及一种相应的计算机程序。

背景技术

当前的平视显示器可以将由成像单元（英语：picturegeneratingunit（PGU））产生的图像借助于光学器件成像到位于车辆前方的虚拟屏幕上。

这样投影的虚拟图像可以由驾驶员感知。在此，该图像可以与驾驶场景叠加并且以距前窗玻璃的定义的间距显示在虚拟屏幕上。

作为成像单元中的成像元件可以使用例如LCD模块。

此外公知汽车立体观测平视显示器，其以对于左眼和右眼分离的部分图像工作。由此可以产生三维效果。在此，这两个部分图像已经可以通过成像单元产生。部分图像可以通过平视显示器的光学器件在相应的眼睛活动范围（也称作为视域（Eyebox））中提供给相应的眼睛使用。

发明内容

在此背景下，借助在此所提出的方案提出根据独立权利要求的用于平视显示器的图像产生设备、平视显示器和用于为平视显示器产生图像的方法、此外使用所述方法的相应的控制设备以及最后相应的计算机程序。有利的构型由相应的从属权利要求和下面的说明书得出。

在此提出的方案实现一种用于平视显示器的图像产生设备，其中所述图像产生设备具有以下特征：

至少一个用于产生光束的光源；

至少一个扩张元件，该扩张元件布置在光束的光程中，以便扩张光束；以及

至少一个光调制装置，该光调制装置布置在由扩张元件扩张的光束的光程中，以便被经扩张的光束从多个角度同时照明，并且该光调制装置被构造用于由经扩张的光束产生代表图像的图像射束。

平视显示器可以理解为用于将图像投影到观察者的视野中的视野显示装置。在此，可以将图像例如投影到分配给观察者的相应的眼睛的眼睛活动范围中。平视显示器可以安装在车辆中，以便将图像借助于车辆的挡风玻璃投影到驾驶员的视野中。图像产生设备可以理解为平视显示器的一个部件，该部件被构造用于产生光束并且在光束上印上待显示的图像内容。光源例如可以是激光源或者LED源。扩张元件可以理解为用于改变光束的光锥、更准确地说光锥的张角的光学元件。扩张元件例如可以实现为散射面、透镜或者微透镜阵列。光调制装置可以理解为区域光调制器（英语：空间光调制器），诸如硅基液晶显示器或者微镜阵列、尤其是数字光处理（DLP）芯片（数字光处理）。图像可以理解为图形信息，比如导航箭头或者速度显示。

本方案基于以下认识，即可以将由平视显示器的成像单元借助于区域光调制器产生的光束直接偏转到平视显示器的镜上，而未将光束借助布置在区域光调制器与镜之间的散射面附加地成型。本方案通过以下方式实现这点：这样的散射面或者另外的适合于成型光束的光学元件被集成到成像单元中并且在此被布置在区域光调制器与用于照明区域光调制器的照明源之间。通过散射面在区域光调制器与照明源之间的这样的布置可以相对于传统的解决方案明显改善平视显示器的显示质量。

通过平视显示器显示的虚拟图像是成像单元的显示器的经放大的成像。对此，平视显示器的光学器件具有确定的放大。所需放大随着虚拟屏幕的间距而增加，因为由成像单元产生的图像必须被更强地放大，以便以更大的间距占据驾驶员的所期望的视野。虚拟屏幕的间距在当前的平视显示器中约为15m。

在相反的光路中，平视显示器光学器件的放大在太阳光入射时可能导致太阳光聚焦到成像装置上。该成像装置由此被加热并且达到可能损坏成像装置的温度。特别是在基于LCD模块的系统中温度升高可能是关键的，因为LCD模块在约100℃的温度的情况下已经可能承受永久性损坏。从约95℃起可能出现偏振滤镜的脱层，从约105℃起可能出现各向同性的液晶并且从约125℃起可能出现永久性的液晶损坏。

已知一些方案，据此可以使用数字光处理投影仪或者硅基液晶投影仪（liquidcrystalonsilicon）作为用于基于投影的平视显示器的基础。在此，在投影仪内以经准直的光照明成像器、例如硅基液晶芯片或者数字光处理芯片。硅基液晶芯片例如在有源像素的情况下转动光的偏振并且对其进行反射。由此有源相素的光可以通过位于硅基液晶芯片之前的分束器偏转，而无源相素的光以不变的偏振方向反射回到光源中。

通常，通过成像器产生的图像内容借助物镜成像到散射面上。因此在散射面上产生成像器的真实的、放大的图像。通过成像器的几乎经准直的照明，像点的射束在散射面上在焦点处相交的角度很小。为了尽管如此仍能够从不同角度观察像点，该像点的光束通过散射面被扇状打开到更大的空间区域中。

通过平视显示器的成像光学器件将射束分布到视域上，由此可以从整个视域观察该像点。在此，所有射束显得像来自于在挡风玻璃后方的虚拟点。因此产生以下印象，仿佛完整的图像位于车辆前方的虚拟的屏幕距离中。

数字光处理投影仪类似硅基液晶投影仪地运行，其区别是，数字光处理投影仪不是基于偏振相关的元件，而是基于小的可折叠的镜。在此，照明单元的光可以被引导通过TIR棱镜（TIR=全内反射；“全反射”）。如果射束射到数字光处理芯片的微镜矩阵上，则开关有源相素，使得经反射的射束在棱镜内获得全反射。由此将有源相素的射束引导至物镜。通过针对非有源的像素的镜调节可以将射束引导回到光源。

现在，借助本方案可以实现具有小的成像器作为成像装置的并且在成像路径中无散射面的显示器系统。由此可以避免通过散射面引起的损害、诸如对比度降低、图像中的粒化、效率降低和通过沿所不期望的方向的散射产生干扰光。由此尤其也可以缓和向后入射的太阳光的问题。

为此，成像器设有特殊的背后照明（Hinterleuchtung），通过其可以在芯片上产生所需要的辐射锥。这具有以下优点，即可以放弃如例如在投影仪中所需要的物镜，其方式是，物镜的和成像到虚拟屏幕上的功能可以由平视显示器自身的光学器件承担。

为了实现立体观测的平视显示器，可以可选地设置，对于左眼和右眼图像信息分离到单独的视域中。为了产生这两个视域，例如可以使用相同的镜。通过在显示器上这两个部分图像的不同辐射方向可以相互独立地操作这两个视域。

根据在此提出的方案的一种实施方式，可以借助仅仅一个成像器实现用于两只眼睛的图像生成，其方式是，在相应的部分图像之间按时间顺序地切换。

图像产生设备可以设有至少一个光束聚焦元件，该光束聚焦元件在扩张元件和光调制装置之间布置在经扩张的光束的光程中，以便将扩张的光束聚焦到光调制装置上。光束聚焦元件可以是透镜。通过光束聚焦元件可以将经扩张的光束精确地偏转到光调制单元上。

有利地，光调制装置实施为硅基液晶显示器。替代地或者附加地，光调制装置可以实施为微镜阵列。这样的硅基液晶显示器或者微镜阵列可以相对成本有利地被提供并且能够实现图像射束到多个方向的可变偏转。

可选地，扩张元件可以实施为散射面。替代地或者附加地，扩张元件可以实施为微透镜阵列。散射面可以理解为反射面或者透射面，其被构造用于将光束扇状打开到更大的空间区域中。微透镜阵列可以理解为具有多个微透镜的芯片，通过所述多个微透镜可以扩张光束。通过该实施方式也能够借助相对小的成本耗费实现光束的为了背后照明光调制装置所需的射束成型。

此外，图像产生设备可以设有至少一个光收集器。在此，光调制装置可以被构造用于将图像射束和（替代地或附加地）将射到光调制装置上的光束偏转到光收集器中。光收集器可以理解为用于吸收光束的元件。由此可以渐隐光束。此外，可以保护光源免于通过射到光调制装置上的光束的损害，其方式是，借助光调制装置将光束引导到光收集器中代替引导回光源。

此外有利的是，光源、光调制装置或者扩张元件可转动或可移动。由此可以通过简单的方式改变图像射束的辐射方向，例如以便跟踪眼睛活动的图像射束。

根据另一种实施方式，图像产生设备可以设有纤维光学器件，所述纤维光学器件具有布置在图像射束的光程中的光输入端、也称作纤维输入端，并且被构造用于由图像射束产生代表图像的放大的放大射束。纤维光学器件可以理解为具有多个相互并行地布置的玻璃纤维作为导光体的光学部件。纤维光学器件例如可以具有漏斗的形状。在此，光输入端可以相应于漏斗的两个相对置的开口中的较小开口。通过这种方式可以放大地显示通过图像射束代表的图像，而不使图像的显示质量变差。

借助于这样的纤维光学器件例如可以实现硅基液晶显示器的预放大。预放大使得平视显示器的光学器件能够直接放大硅基液晶芯片并且将硅基液晶芯片成像到虚拟屏幕上。

在应直接被成像的小的成像器的使用中的一个重要障碍是相应高的放大，该高的放大在此应通过平视显示器光学器件实现。这可能要求高的光学耗费并且加重公差要求。当前的硅基液晶芯片在相对小的芯片尺寸诸如0.88"中可用。附加地，较小的芯片比较大的变型方案成本更便宜。

通过纤维光学器件的利用，放大地成像硅基液晶芯片，而硅基液晶芯片不必投影到位于图像产生设备之外的散射面上。更确切地说，纤维光学器件可以直接提供经放大的图像供后续的平视显示器使用。因此，通过进行放大的纤维光学器件可以使用较小的并且因此成本更便宜的硅基液晶芯片，由此可以降低图像产生设备的制造成本。

借助这些元件可以以很小的质量损失放大微显示器。在传统的利用中，纤维光学器件可以被直接安装在微显示器上。在此，可以相应地背后照明硅基液晶芯片，如在下面进一步详细描述地那样。

为了将经扩张的光束有针对性地偏转到光调制装置上，图像产生设备可以设有至少一个相应的导光元件。导光元件例如可以是分束器立方体或者导光片。导光元件可以被构造用于替代地或者附加地将图像射束引导到纤维光学器件的光输入端中。借助导光元件可以避免光束的或者图像射束的所不期望的散射。

图像产生设备此外可以具有至少一个图像射束聚焦元件，该图像射束聚焦元件在光调制装置和纤维光学器件之间被布置在图像射束的光程中，以便将图像射束聚焦到光输入端上。图像射束聚焦元件可以是透镜。由此保证光调制装置准确并且清晰地成像到光输入端上。

此外，图像产生设备可以设有至少一个用于产生另外的光束的另外的光源以及至少一个另外的扩张元件。另外的扩张元件可以布置在所述另外的光束的光程中，以便扩张所述另外的光束。在此，光调制装置还可以布置在由所述另外的扩张元件扩张的另外的光束的光程中，以便由经扩张的另外的光束产生代表另外的图像的另外的图像射束。所述另外的图像和所述图像尤其可以代表各一个立体观测的半图像。立体观测的半图像可以理解为立体图像对的半图像，在观察所述立体图像对时形成深度的空间印象。在此，各一个半图像可以分配给观察者的各一只眼睛。这样的图像产生设备能够实现立体观测的平视显示器的实现。

在此提出的方案还实现了具有根据在此描述的实施方式之一的图像产生设备的平视显示器。

在此，成像器（也称作光调制装置）可以是硅基液晶芯片或者数字光处理芯片，其适合地被照明并且通过平视显示器光学器件直接放大地成像，由此可以放弃散射面的使用。借助成像器的合适的背后照明可以实现具有立体观测的功能性的显示器。

这提供以下优点：

-通过放弃散射面避免通过投影的分辨率损失。

-通过在平视显示器的构建中限于镜光学器件避免通过色像差引起的图像质量损失。

-快速数字光处理芯片的使用允许不同颜色的按时间顺序的图像构建。图像可以在无滤色器的情况下产生并且因此达到高效率。

-立体功能性可以在使用仅仅一个成像器的情况下实现，由此例如避免所不期望的双像，如其在借助于分束器的图像叠加的情况下可能出现的那样。

-数字光处理芯片的高的开关速度除了用于彩色图像构建的按时间顺序的切换之外能够实现用于左眼和右眼的两个图像内容之间的另一按时间顺序的切换。图像构建例如可以以120Hz的频率进行。

-通过少、小的部件的使用能够良好地使平视显示器微型化并且简化头运动的跟踪。

-通过MEMS部件（MEMS=微机电系统）的使用能够相对于向后的太阳入射很鲁棒地实施所述系统。

-通过DLP芯片的使用，在很低和很高的温度的情况下也保证了平视显示器的完全功能性，因为这样的DLP芯片可以在宽的温度范围内工作。

最后，在此描述的方案实现一种用于为平视显示器产生图像的方法，其中所述方法具有以下步骤：

发射经扩张的光束到光调制装置上，以便从多个角度同时照明光调制装置；并且由经扩张的光束通过光调制装置产生代表图像的图像射束。

在此提出的方案还实现一种控制设备，所述控制设备被构造用于在相应的装置中执行、控制或者实现在此提出的方法的变型方案的步骤。

通过本发明的以控制设备形式的所述实施变型方案也可以快速并且高效地解决本发明所基于的任务。

控制设备在此可以理解为处理传感器信号并且据此输出控制信号和/或数据信号的电设备。所述控制设备可以具有能够按硬件方式和/或按软件方式构造的接口。在按硬件方式的构造中，接口例如可以是所谓的系统ASIC的包括控制设备的最不同功能的部分。然而，也可以的是，接口是特有的集成电路或至少部分地由分立器件组成。在按软件方式的构造中，接口可以是软件模块，其例如与其他软件模块共存在微控制器上。

具有程序代码的计算机程序产品或者计算机程序也是有利的，所述程序代码可以存储在机器可读的载体或者存储介质、如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器上并且特别是当程序产品或者程序在计算机或者设备上实施时被用于执行、实现和/或控制根据先前描述的实施方式之一的方法的步骤。

附图说明

下面根据附图示例性地详细阐述在此所提出的方案。其中：

图1示出具有根据本发明的一个实施例的平视显示器的车辆的示意图；

图2示出在根据本发明的一个实施例的具有数字光处理芯片的平视显示器中射束走向的仿真；

图3a、3b、3c示出用于计算视域之内的不同位置中的光斑尺寸的图形；

图4示出根据本发明的一个实施例的被照明的光调制装置的示意图；

图5示出具有根据本发明的一个实施例的平视显示器的车辆的示意图；

图6示出在根据本发明的一个实施例的具有硅基液晶芯片的平视显示器中射束走向的仿真；

图7示出在根据本发明的一个实施例的具有硅基液晶芯片的、被集成到车辆中的平视显示器中射束走向的仿真；

图8示出用于根据本发明的一个实施例的平视显示器的结构空间的示意图；

图9示出具有根据本发明的一个实施例的、立体观测的平视显示器的车辆的示意图；

图10a、10b示出根据本发明的不同实施例的图像产生设备的示意图；

图11示出在根据本发明的一个实施例的、立体观测的平视显示器中射束走向的仿真；

图12示出在根据本发明的一个实施例的、立体观测的平视显示器中射束走向的仿真；

图13示出根据本发明的一个实施例的用于描绘图像生成的图形；

图14示出在根据本发明的一个实施例的、立体观测的平视显示器中射束走向的仿真；

图15a、15b示出在根据本发明的一个实施例的、立体观测的平视显示器中射束走向的仿真；

图16示出根据本发明的一个实施例的具有硅基液晶芯片的、立体观测的平视显示器的示意图；

图17示出根据本发明的一个实施例的具有纤维光学器件的图像产生设备的示意图；

图18示出根据本发明的一个实施例的具有纤维光学器件的图像产生设备的示意图；

图19示出根据本发明的一个实施例的用于为平视显示器产生图像的方法的流程图；

图20示出根据本发明的一个实施例的用于执行方法的控制设备的框图。

在本发明的有利的实施例的后续描述中，对于在不同的图中示出并且起类似作用的元件使用相同的或类似的附图标记，其中不重复描述这些元件。

具体实施方式

图1示出具有根据本发明的一个实施例的平视显示器102的车辆100的示意图。平视显示器102包括图像产生设备104——也称作成像单元。在图像产生设备106的壳体中布置有光源108、扩张元件110和光调制装置112。光源108被构造用于产生光束114并且将该光束偏转到位于光束114的光程中的扩张元件110上。在此，扩张元件110布置在光源108和光调制装置112之间。示例性地，光源108实现为具有各一个或者多个用于蓝光、红光和黄光的LED的LED照明装置。扩张元件110被构造用于从光束114产生具有扩大的张角的经扩张的光束116。光调制装置112被布置在经扩张的光束116的光程中，使得该光调制装置被经扩张的光束116从多个角度同时照明。

光调制装置112——在此数字光处理芯片，也称作数字光处理成像器——被构造用于由经扩张的光束116产生代表虚拟图像120的图像射束122。在图1中，光调制装置112直接反射图像射束122到平视显示器光学器件的镜124上。根据该实施例，镜124是平视显示器102的弯曲的主镜。镜124被构造用于将图像射束122投影到车辆100的挡风玻璃126上。借助挡风玻璃126将图像射束122进一步偏转到驾驶员130的视域128中，该驾驶员在虚拟屏幕和视域128之间的间距VID中的虚拟屏幕上感知在挡风玻璃126后方的虚拟图像120，该间距也称作虚拟屏幕距离。

可选地，在光调制装置112和扩张元件110之间在经扩张的光束116的光程中布置有光束聚焦元件132，该光束聚焦元件在此作为透镜来示出。光束聚焦元件132被构造用于将经扩张的光束116聚焦到光调制装置112的有效面上并且因此保证了该有效面的均匀照亮。

附加地，在图1中示出的图像产生设备106设有光收集器134。在此，光调制装置112被构造用于改变图像射束122的辐射角度，使得图像射束122或者射到镜124上或者落入到光收集器134中。

借助光收集器134还可以防止，从挡风玻璃126通过镜124投影到光调制装置112上的光束、尤其太阳射束进一步被反射到光源108上，其方式是，光调制装置112将该光束转向到光收集器134中。由此可以避免光源108的过热。

图2示出在图1中的根据本发明的一个实施例的具有数字光处理芯片112的平视显示器102中射束走向的仿真。显示器系统102的仿真在光学器件仿真程序Zemax中进行。平视显示器102被构造用于直接成像以数字光处理芯片112形式的小成像器。为此，平视显示器102例如具有四个自由形状镜202。光路基于虚拟图像被仿真。以小成像器112的形式的、具有到虚拟屏幕上的大的放大的光调制装置的使用对成像光学器件提出高的要求。通过高数量的自由形状元件——在图2中是四个自由形状镜202，可以满足该要求。

为了改善成像质量，也可以使用其他元件，如自由形状透镜或者附加的非球面的透镜。在图2中示出的光学设计中，有意识地放弃这些元件，以便避免色像差和在非完全抗反射的表面上的背向反射。

该设计示例性地基于以下参数：

虚拟屏幕距离5m

视野9°乘以4.5°

视域尺寸120mm乘以60mm

数字光处理芯片尺寸1"

这些值尤其适合作为用于汽车立体观测的平视显示器的预先规定。然而，在图2中示出的设计也可以用于其他的屏幕距离，例如3m。

该设计在例如8mm的孔径的情况下达到9.45μm的平均光斑尺寸。该孔径是视域中观察者眼睛的直径。光斑尺寸在显示器的、即数字光处理芯片112形式的微镜阵列的位置上被确定。应尽可能地实现显示器的像素的数量级上的光斑尺寸，在数字光处理芯片中例如10μm。

图3a至3c示出用于计算图1中的视域内的不同位置中的光斑尺寸的图形。在此，在y轴上示出沿y方向的位置并且在x轴上示出沿x方向的位置。如可以看出的那样，光斑尺寸在所有视域位置处位于上面限定的目标区域中。

所示出的关于光斑尺寸的分析结果借助于博世汽车多媒体（BoschCarMultimedia）的全球统一工具（GlobalUnifiedTools）来确定。在图3a中示出的小块描述从在视域的左边缘处的眼睛位置进行的计算，图3b描述从视域中心进行的计算并且图3c描述在视域的右边缘处进行的计算。图像坐标相应于虚拟图像的坐标。刻度分别说明在显示器上以微米为单位的RMS光斑尺寸。显示器在此表示光调制装置。

所述仿真从虚拟图像开始向后进行。也即，从虚拟图像的一个点（小块中的坐标）出发仿真射束。所述射束聚焦到显示器上（小块中的光斑尺寸）。从虚拟屏幕观察的来自屏幕中心（小块的中心）的点——从视域的中心观察（中心小块）在此在显示器上达到约6μm的光斑尺寸。于是根据经验，在实际的平视显示器中达到的、从显示器到虚拟图像的成像的质量是足够的，因为所仿真的光斑尺寸低于显示器的像素的尺寸。

当前的数字光处理芯片直至0.95"的尺寸是可得到的并且具有+/-12°的倾斜角。将来的数字光处理芯片可以具有+/-16°的倾斜角并且具有关于芯片的不同轴的倾斜方向。可以预期，鉴于在芯片上最小可达到的微镜尺寸，高分辨率应用将导致更大的数字光处理芯片的可用性。

图4示出图1中的根据本发明的一个实施例的被照明的光调制装置112的示意图。光源108在此被构造用于偏心地（偏轴地）照明数字光处理芯片112。数字光处理芯片112被构造用于使从光源108发射的光束倾斜+/-12°的倾角，也即总共24°。由此对于被数字光处理芯片112反射的射束产生48°的最大角度变化。借助该角度变化可以使光束或者作为有用光被偏转到平视显示器镜124上或者作为渐隐光被偏转到光收集器134中。

在使用上述参数的情况下拉格朗日不变量的计算得出沿显示器横向方向54.1°和沿显示器纵向方向22.5°的完全的张角。从芯片112出发的光锥可以以所述角度超过小角度地偏转由微镜实现的48°的角度。由此使整个锥从其原始方向上偏转并且被引导到光收集器134中。在当前的具有沿对角线折叠方向的数字光处理芯片中，待折叠的角度范围在两个值54.1°和22.5°之间。

图5示出具有图1中的根据本发明的一个实施例的平视显示器102的车辆100。区别于图1，在图5中所示的平视显示器102具有硅基液晶芯片代替数字光处理芯片来作为光调制装置112。

根据该实施例，成像单元106具有三个以基本色红色、绿色和蓝色的LED。成像单元106被构造用于叠加这三个基本色。然后，光通过光学元件110扩张。这样的进行扩张的元件110例如实现为散射面、折射性地工作的微透镜阵列或者全息图。因为散射面110在此仅仅用于成型背后照明并且实际的图像内容在成像器处、也即在硅基液晶芯片112处才构建，所以散射面112的使用没有伴随着图像质量的变差，如这例如在基于投影的解决方案中可能是该情况。

在光扩张之后，面110借助光学器件132成像到实际的成像器112上。由此，成像器112不同于通常的投影仪地以不同角度被同时照明。通过进行扩张的元件110的成像，准点光源被成像到硅基液晶芯片112上。通过该布置，尽管成像器112的不进行散射的特性，仍可以对于每个像点产生沿不同方向的辐射行为。由此，成像器112可以直接视为显示器并且可以通过随后的平视显示器光学器件——在此通过镜124——成像。

图6示出在图5中的根据本发明的一个实施例的具有硅基液晶芯片112的平视显示器102中射束走向的仿真。不同于在图2中所示的仿真，在图6中所示的仿真中，使用硅基液晶芯片代替数字光处理芯片作为光调制装置112。

图7示出在根据本发明的一个实施例的具有硅基液晶芯片112的、集成到车辆100中的平视显示器102中射束走向的仿真。车辆100可以是在图5中所示的车辆。不同于图6，在此具有用于硅基液晶芯片112的附加的照明光学器件132的平视显示器102被示出。

图8示出用于根据本发明的一个实施例的平视显示器102的结构空间的示意图。在图8中示出用于图7中的方案的、在CAD程序Rhino中适合的结构空间。该适合的结构体积是例如9.6升。因此，通过该方案可以实现低于10升的结构空间。在此，芯片通过四个自由形状镜和挡风玻璃成像到虚拟屏幕上。平视显示器设计的特征值相应于进一步在上面提到的参数，其区别是，硅基液晶芯片的尺寸是0.88“。在此得出16.4μm的平均光斑尺寸。

图9示出图1中的具有根据本发明的一个实施例的、立体观测的平视显示器102的车辆100的示意图。不同于图1，在图9中所示的图像产生设备106具有与光源108分离的另外的光源902。另外的光源902被构造用于产生另外的光束904。另外的扩张元件906被构造用于扩张另外的光束904并且使相应扩张的另外的光束908偏转到数字光处理芯片112上。在此，数字光处理芯片112被构造用于由经扩张的另外的光束908产生代表另外的虚拟图像910的另外的图像射束912。

根据该实施例，图像产生设备106被构造用于产生另外的图像910和图像120分别作为立体观测的部分图像。在此，数字光处理芯片112被构造用于借助镜124和挡风玻璃126将另外的图像射束912偏转到分配给驾驶员130的右眼的右视域914中并且将图像射束122偏转到分配给驾驶员130的左眼的左视域916中。因此，驾驶员130可以感知两个部分图像108、910作为唯一的三维图像。

为了实现立体观测的平视显示器102，根据一个实施例可以利用两个分离的背后照明单元。由此可以分开地照明用于左眼和右眼的两个单独的视域914、916。

为了使光束跟踪视域914、916，如这例如在头活动中所需要的那样，背后照明单元可以是可移动的。替代地或者附加地，所述跟踪可以通过数字光处理芯片112的稍微倾斜来实现。

例如，在两个窄的视域914、916的实现中，在眼睛位置处利用两个对应于眼睛位置的、具有在总宽度120mm中的、各一个约20mm的宽度的条带。由此得出实际利用的约85mm的宽度。该相比于整个视域窄的所利用的范围导致射束锥在显示器112处的较小的角度张开并且在合适的跟踪机械装置的情况下使得在图像构建中光通过数字光处理芯片112的渐隐变得容易。

图10a和10b示出图9中的根据本发明的不同实施例的图像产生设备106的示意图。在图10a中，整个图像产生设备106可旋转。由此光调制装置112——在此数字光处理芯片——与两个照明单元108、902一起旋转。在图10b中仅仅光调制装置112可旋转地实施。替代地，图像产生设备106或者光调制装置112可以是附加地可移动的。

替代地或者附加地，扩张元件110和另外的扩张元件906可以是可移动或者可旋转的。照明单元108、902也可以彼此独立地可移动或者可旋转地布置在图像产生设备106中。

图11示出在图9中的根据本发明的一个实施例的、立体观测的平视显示器102中射束走向的仿真。平视显示器102在此作为具有小的数字光处理成像装置112的汽车立体观测的平视显示器来实施。成像图解由发光面射出的光可以如何通过数字光处理芯片112来偏转并且如何被引导到光学器件中。

图12示出在根据本发明的一个实施例的、立体观测的平视显示器102中射束走向的仿真。在图12中详细示出在图11中所示出的部件。照明单元108、902——在此作为发光面来示出——通过各一个球形的凹镜1200照明数字光处理芯片112。在此，两个均匀的发光面108、902被构造用于产生具有通过角度α限定的宽度和朝确定的方向的光锥。这样的发光面可以借助微透镜阵列或者特定的散射面、例如全息散射面来产生。

数字光处理芯片112具有折叠了12°的微镜，所述微镜将光沿第一自由形状镜1202的方向反射。光源108、902可以实现为以RGB颜色的LED或者激光器。为了显色，使光源108、902按时间顺序与数字光处理芯片112同步。开关速度在此足够快，以便能够实现图像构建和在左眼与右眼的图像内容之间的切换，如下面根据图13所示的那样。

图13示出根据本发明的一个实施例的用于描绘图像生成的图形。在y轴上示出光源的运行状态，其中，0相应于光源的关断状态并且1相应于光源的接通状态。在x轴上示出单位为毫秒的时间变化。在8.3ms（120Hz）的时间间隔内相继接通这两个部分图像的颜色红色、绿色和蓝色。数字光处理芯片在平台内分别生成用于相应眼睛的相应颜色的部分图像。在此，时间间隔L分配给左眼，时间间隔R分配给右眼，并且时间间隔G分配给整个图像结构。

图14示出在根据本发明的一个实施例的、立体观测的平视显示器102中射束走向的仿真。该仿真示出两种变型方案，光如何视微镜的倾斜角而定地在数字光处理芯片112上被反射。不同于图11和12，在此图解以下情况，其中，数字光处理芯片112的微镜折叠-12°，以便将光偏转到光收集器134中。该仿真示出，射到数字光处理芯片112上的光束以及引导到光收集器134中的渐隐的光束在空间上从第一自由形状镜1202旁边经过。在倾斜角+12°的情况下，光被用于图像产生并且引导到第一自由形状镜1202。

图15a和15b示出在图9中的、根据本发明的一个实施例的、立体观测的平视显示器102中射束走向的仿真。当前可得到的数字光处理芯片通常具有沿对角线可折叠的微镜。由此，通过对角线的照明和渐隐是必需的，如在图15a和15b中所示的那样。所示出的设计在此也能够实现渐隐并且因此能够实现借助当前可得到的0.95"数字光处理芯片在正交结构中的运行。

图15a示出在以通过芯片对角线的折叠角照明数字光处理芯片112的情况下的角度情形。图15b示出用于图像构建和光收集器134的反射射束（类似于图7）。所仿真的射束注入120mm宽的大的整个视域。在立体运行中，利用其中的仅仅两个区段，所述两个区段相应于用于两个眼睛的视域位置。

替代地，可以使用硅基液晶显示器或者另外的微显示器作为小的成像装置。有利地，在使用硅基液晶显示器的情况下可以放弃光收集器。

图16示出图9中的根据本发明的一个实施例的具有硅基液晶芯片112的、立体观测的平视显示器102的示意图。在所利用的、85mm宽的整个视域、也就是说两个各20mm宽度的、以65mm的对应于眼睛间距的间距布置的视域的情况下，根据拉格朗日不变量得出沿宽度方向的19.2°的半个张角。因此，硅基液晶芯片112根据该近似应实现约40°的张角锥。

该尺度例如借助偏振分束器立方体1600、也已知为PolCube（多立方体）可实现。为了跟踪视域，可以将硅基液晶芯片112连同其照明单元（在此未示出）一起旋转，由此将用于视域的光锥在平视显示器102的第一镜124上扫描。为此，图像产生设备106可以可旋转地实施。由此充分利用120mm宽度的、整个视域的完全的设计范围。

为了避免对于硅基液晶芯片112的不同辐射角度的颜色效应和不同的效率，例如可以使用所谓的线栅分束器，其中，通过小的金属条带实现偏振相关的光学功能。该技术具有以下优点：可以尽量角度无关并且颜色无关。

图17示出图5中的、根据本发明的一个实施例的具有纤维光学器件1700的图像产生设备106的示意图。示出的是硅基液晶芯片112到纤维光学器件1700的纤维输入端1702上的成像，该纤维输入端也可以称作光输入端。在硅基液晶芯片112上布置偏振相关的分束器立方体1704作为导光元件。分束器立方体1704被构造用于将光引导到硅基液晶芯片112上。

有源像素的光在那里沿其偏振方向被旋转并且被反射。图像内容通过以下方式构建：黑色像素的光不旋转并且因此在硅基液晶芯片112上反射之后又被反射回到光源（在此未示出）中。经反射的有用光通过分束器立方体1704并且射到成像光学器件1706——也称作图像射束聚焦元件上。成像光学器件1706在此作为透镜来示出。背后照明产生确定的辐射角，该辐射角通过成像光学器件1706成像。成像光学器件1706被构造用于将硅基液晶芯片112直接在纤维输入端1702处成像到真实图像上。纤维光学器件1700被构造用于放大该真实图像并且将其提供在平视显示器光学器件的与纤维输入端1702相对置的纤维输出端1708处用于进一步的放大。

因为硅基液晶芯片112自身不散射，所以硅基液晶芯片可以借助扩张元件、例如以散射面的形式的扩张元件，或者通过全息背后照明合适地被背后照明，以便所需形状的射束锥从所述硅基液晶芯片出发。

图18示出根据本发明的一个实施例的具有纤维光学器件1700的图像产生设备106的示意图。不同于图18，在此在光调制装置112和纤维输入端1702之间布置导光片1704作为导光元件。在此，光调制装置112、导光片1704和纤维光学器件1700在层状复合体中可以相互组合。

通过导光片1704能够实现在侧面耦合输入的硅基液晶背后照明。在此，在侧面通过平坦的导光片1704照明硅基液晶芯片112形式的光调制装置。在侧面耦合输入的光被偏振化并且在导光片1704内引导。光射到小的极镜（Polspiegel）1800的分级结构上，所述极镜作为导光片1704的镜元件。镜元件1800被构造用于将光的每一个部分向下反射到硅基液晶芯片112。在那里，通过以下方式生成图像内容：光沿其偏振转动并且被反射。反射光现在通过镜元件1800并且耦合输入到纤维光学器件1700中。

通过这种照明单元的薄的结构，纤维光学器件1700可以很靠近硅基液晶芯片112地被放置，以便放大硅基液晶芯片并且在纤维输出端1708处提供放大的图像。

在图17和18中示出的成像装置方案原则上也适合用于实现汽车立体观测地工作的平视显示器。为此可以设置用于左眼和右眼的部分图像的分离。硅基液晶芯片112的开关速度足够快，以便分别按照颜色顺序构建这两个图像内容。

光束的空间分离例如可以通过按顺序开关的背后照明来实现，所述背后照明可以在两个略微不同的照明角度之间进行切换。

图19示出根据本发明的一个实施例的用于为平视显示器产生图像的方法1900的流程图。在此，在步骤1902中发射经扩张的光束到光调制装置上，以便从多个角度同时照明所述光调制装置。在步骤1904中最终由所述经扩张的光束通过所述光调制装置产生代表图像的图像射束。

根据一个实施例，微镜阵列——例如数字光处理芯片借助平视显示器光学器件虚拟成像。因为数字光处理芯片自身不散射，所以合适的背后照明被设置用于射束成型。在此，借助另外的光学器件将均匀发光的面成像到微镜阵列上。因为该成像用于背后照明，所以该成像具有高的公差并且例如可以通过简单的球形镜来实现。

图20示出根据本发明的一个实施例的用于执行方法的控制设备2000的框图。控制设备2000具有发射单元2002，所述发射单元被构造用于促使经扩张的光束朝光调制装置发射，以便从多个角度同时照明光调制装置。为此可以将发射单元2002与例如在图1和5中所示的光源108连接。替代地或者附加地，发射单元2002可以与同样在图1和5中示出的扩张元件110连接，尤其只要扩张元件110可旋转地或者可移动地或者作为可控制的微透镜阵列来实施。

此外，控制设备2000包括产生单元2004，所述产生单元被构造用于响应于经扩张的光束的发射来控制光调制装置，使得光调制装置由经扩张的光束产生代表图像的图像射束。

所描述的和在图中示出的实施例仅仅示例性地选择。不同的实施例可以完全地或关于各个特征彼此组合。一个实施例也可以通过另一个实施例的特征来补充。

此外，可以重复以及以不同于所描述的顺序的顺序实施在此提出的方法步骤。

如果实施例包括第一特征与第二特征之间的“和/或”关系，则这可以理解如下：实施例根据一个实施方式不仅具有第一特征，而且具有第二特征；并且根据另一个实施方式或者仅仅具有第一特征，或者仅仅具有第二特征。

Claims (15)

1.用于平视显示器（102）的图像产生设备（106），其中所述图像产生设备（106）具有以下特征：

至少一个用于产生光束（114）的光源（108）；

至少一个扩张元件（110），所述扩张元件被布置在所述光束（114）的光程中，以便扩张所述光束（114）；以及

至少一个光调制装置（112），所述光调制装置被布置在由所述扩张元件（110）扩张的光束（116）的光程中，以便被经扩张的光束（116）从多个角度同时照明，并且所述光调制装置被构造用于由所述经扩张的光束（116）产生代表图像（108）的图像射束（122）。

2.根据权利要求1所述的图像产生设备（106），其特征在于至少一个光束聚焦元件（132），所述光束聚焦元件在所述扩张元件（110）和所述光调制装置（112）之间被布置在所述经扩张的光束（116）的光程中，以便将所述经扩张的光束（116）聚焦到所述光调制装置（112）上。

3.根据以上权利要求中任一项所述的图像产生设备（106），其特征在于，所述光调制装置（112）被实施为硅基液晶显示器和/或微镜阵列。

4.根据以上权利要求中任一项所述的图像产生设备（106），其特征在于，所述扩张元件（110）被实施为散射面和/或微透镜阵列。

5.根据以上权利要求中任一项所述的图像产生设备（106），其特征在于至少一个光收集器（134），其中所述光调制装置（112）被构造用于将所述图像射束（122）和/或射到所述光调制装置（112）上的光束偏转到所述光收集器（134）中。

6.根据以上权利要求中任一项所述的图像产生设备（106），其特征在于，所述光源（108）和/或所述光调制装置（112）和/或所述扩张元件（110）可转动和/或可移动，以便改变所述图像射束（122）的辐射方向。

7.根据以上权利要求中任一项所述的图像产生设备（106），其特征在于纤维光学器件（1700），所述纤维光学器件具有布置在所述图像射束（122）的光程中的光输入端（1702）并且被构造用于由所述图像射束（122）产生代表所述图像的放大的放大射束。

8.根据权利要求7所述的图像产生设备（106），其特征在于至少一个导光元件（1600；1704），所述导光元件被构造用于将所述经扩张的光束（116）朝所述光调制装置（112）偏转和/或将所述图像射束（122）朝所述光输入端（1702）偏转。

9.根据权利要求7或8所述的图像产生设备（106），其特征在于至少一个图像射束聚焦元件（1706），所述图像射束聚焦元件在所述光调制装置（112）和所述纤维光学器件（1700）之间被布置在所述图像射束（122）的光程中，以便将所述图像射束（122）聚焦到所述光输入端（1702）上。

10.根据以上权利要求中任一项所述的图像产生设备（106），其特征在于至少一个用于产生另外的光束（904）的另外的光源（902）以及至少一个另外的扩张元件（906），所述另外的扩张元件被布置在所述另外的光束（904）的光程中，以便扩张所述另外的光束（904），其中所述光调制装置（112）还被布置在由所述另外的扩张元件（906）扩张的另外的光束（908）的光程中，以便由所述经扩张的另外的光束（908）产生代表另外的图像（910）的另外的图像射束（912），尤其其中所述另外的图像（910）和所述图像（108）代表各一个立体观测的半图像。

11.平视显示器（102），其具有根据以上权利要求中任一项所述的图像产生设备（106）。

12.用于为平视显示器（102）产生图像（108）的方法（1900），其中所述方法（1900）包括以下步骤：

发射（1902）经扩张的光束（116）到光调制装置（112）上，以便从多个角度同时照明所述光调制装置（112）；并且由所述经扩张的光束（116）通过所述光调制装置（112）产生（1904）代表图像（108）的图像射束（122）。

13.控制设备（2000），其被构造用于执行根据权利要求12所述的方法（1900）的所有步骤。

14.计算机程序，其被设置用于执行根据权利要求12所述的方法（1900）的所有步骤。

15.机器可读的存储介质，其具有存储在其上的根据权利要求14所述的计算机程序。