CN106462044A - 用于投影图像的系统和方法、以及使用所述系统的显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种图像投影系统，其包括用于发射光束(10)的装置(1)、用于从所述光束(10)形成图像的器件，所述图像被分解成由所述系统连续投影的帧。所述系统包括用于衰减该光束(10)的装置(12)，其包括液晶单元(16)，能够由在两个电压电平之间的交流信号控制，所述交流信号由信号发生器(19)产生，所述信号发生器(19)在两个连续图像帧的投影之间将所述交流信号从一个电压电平切换到另一个。

Description

用于投影图像的系统和方法、以及使用所述系统的显示器
技术领域
本发明涉及一种用于投影图像的系统，以及一种使用所述系统的显示器。
本发明将有例如在机动车辆中用于通知车辆的用户(特别是其驾驶员)的应用。
背景技术
已知的是用所谓的抬头显示系统装备机动车辆。这样的系统被放置在机动车辆驾驶员的视野中，并且显示与机动车辆的状态、交通或其他有关的信息。
为了不干扰驾驶，投影图像的亮度适应于周围环境的亮度是必要的。特别地，必要的是，投影图像的光功率在日间旅程和夜间旅程或穿过隧道时是大大不同的。
对于使用发光二极管的抬头显示器，已经提出通过控制二极管的电源电流来改变投影图像的亮度。这样的设备允许亮度的令人满意的适应。然而，它们在白天的亮度仍然不足。
为了弥补这一缺陷，使用激光型光源的显示器是已知的。然而，在这样的情况下，通过控制供给光源的电流量所提供的亮度适应不能充分地降低图像的光功率。例如，如果认为在白天驾驶条件下具有10000Cd/m2量级的光功率，并且夜间驾驶条件下具有5Cd/m2量级的光功率是所期望的，则可以观察到在从一种驾驶条件变为另一种时必须降低亮度2,000倍。
此外，在机动车辆的抬头显示器的领域中，出于安全原因，亮度上的这种减少必须不能劣化显示图像，从而确保了驾驶员对可以显示在那里的重要信息的良好易读性。
发明内容
本发明的目的是克服已知的图像投影系统和显示器的至少一些缺点。
特别地，本发明的目的还在于提供一种图像投影系统和显示器，使得能够有效地减少用于形成图像的光束的亮度。
在本发明的至少一个实施例中，本发明还旨在提供一种图像投影系统和显示器，其允许所述光束的亮度衰减，而不劣化所投影并在显示器上显示的图像的质量。
发明的公开内容
为此，本发明涉及一种图像投影系统，包括用于发射光束的装置、用于从所述光束形成图像的器件，所述图像被分解成由所述系统连续投影的帧，其特征在于，所述系统包括用于衰减光束的光功率的器件，所述衰减器件包括：
-液晶单元，能够通过在两个电压电平之间的AC信号控制，该单元在AC信号控制下修改光束的偏振取向，
-产生AC信号的信号发生器，在所述图像的两次连续帧的投影之间，所述信号发生器将所述AC信号从一个电压电平切换到另一个，
-用于依赖于所述偏振的取向而确保光束的光功率变化的器件。
根据本发明的系统通过位于已存在的发射装置下游的衰减器件来衰减光束，而无需修改已存在的发射装置。衰减器件包括液晶单元，这使得它可以根据命令改变光束的偏振方向，这确保了光束的衰减。液晶单元由跨越液晶单元的端子施加的电信号控制，该电信号的电压值改变偏振的取向：偏振以及由此衰减是跨越晶体端子的电压绝对值的函数。使用在两个电压电平之间的AC电信号允许规律地修改电压值，以避免液晶单元的非常快速的劣化，这在如果它用直流信号供给时会发生。
两个电压电平之间的交替在图像的两帧投影之间发生，从而避免可能产生安全问题(如果投影系统安装在车辆抬头显示器中)的任何图像劣化。可以在两次交替之间投影多个帧，并且，优选地，在两次交替之间投影单个帧，即，交替发生在每次帧投影之间。
有利地并且根据本发明的变体，光束发射装置包括至少一个激光二极管。
有利地并根据本发明的另一变体，光束发射装置是包括薄膜晶体管的由背光照亮的液晶显示类型的单元。
这两个变体是在投影和图像显示的领域中经常使用的技术：激光二极管单独用于一个单色光束，或与三个激光二极管组合用于常规多色光束。包括薄膜晶体管的液晶显示技术通常被称为TFT-LCD(薄膜晶体管液晶显示器)。背光通常通过发光二极管(LED)执行。两个变体都具有为根据本发明的系统提供足够亮度的优点，并且具有发射偏振光的优点，这使得不需要在发射装置的下游偏振所述光束。
有利地并且按照本发明，AC信号电压的平均值为零。
根据本发明的这一方面，与使用更迅速地劣化液晶单元的具有非零平均值的DC或AC信号相比较，液晶单元的使用寿命得以改善。
有利地并且按照本发明，两个电压电平的绝对值相同，而符号相反。
根据本发明的这一方面，两个电压电平具有相同的绝对值，这允许在由液晶单元引起的偏振方向方面得到相同的结果。因此，信号的交替不修改偏振方向，并因此不修改的光束的衰减。
有利地，按照本发明，AC信号是周期性的。
根据本发明的这一方面，本领域技术人员公知的传统周期性AC信号发生器可用作信号发生器，并因此容易调整控制所述液晶元件的AC信号的频率。
有利地并根据本发明的后一方面，周期性AC信号的频率等于图像的帧的投影频率的一半。
根据本发明的这一方面，从一个电压电平到另一个的周期性AC信号的切换需要在每次帧投影之间发生。
本发明还涉及一种包括根据本发明的图像投影系统的显示器，尤其是抬头显示器。
根据本发明的显示器允许显示图像投影系统所投影的图像。例如，在安装于车辆中的抬头显示器的情况下，该显示器允许车辆的驾驶员在他/她的视野中有与驾驶状态、车辆和/或环境相关的信息。
本发明还涉及一种用于投影图像的方法，所述方法包括发射光束的步骤和从所述光束形成图像的步骤，所述图像形成步骤被分解成多个连续的图像帧投影子步骤，其特征在于，所述方法包括通过控制两个电压电平之间的AC信号而衰减光束的步骤，AC信号从一个电压电平到另一个的切换被控制在连续的图像帧投影子步骤之间。
附图说明
在阅读在后文作为指示给出的说明书并且参考附图时，本发明的其他特征、目的和优势将更清晰地显现，其中所述附图为：
图1是根据本发明的实施例的发射装置以及用于衰减图像投影系统的器件的示意图，处于多种操作模式a)、b)和c)中，
图2是呈现光束的光功率(以百分比(Y轴)表示)的曲线的一个例子，所述光功率是施加在根据本发明的系统的液晶单元端子处的电压(以伏表示(X轴))的函数，
图3是呈现帧序列(a)和AC信号(b)的基于时间(X轴)的时序图，所述AC信号控制根据本发明的系统的衰减器件的液晶单元，
图4呈现根据本发明的图像投影系统和抬头显示器的示意图。
具体实施方式
应注意的是，附图以详细的方式公开了本发明，以便使用本发明，在必要时，所述附图当然能够用于更好地限定本发明。
如图1所示，在操作模式a)、b)和c)中，本发明首先涉及一种投影系统，包括用于发射意在形成图像的光束的装置1。这种装置更特别意在装备机动车辆中的抬头显示器，其中，至少与车辆有关的信息被投影。
所述装置包括一个或多个源4、5、6，每个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光束，即由单一波长组成。
所述设备在这里包括多个源4、5、6，在这种情况下是三个，所述装置被配置成通过将由每个所述源4、5、6单独发射的光束7、8、9组合在一起而形成光束10。更精确地，它们可以是彼此发射不同颜色光束的源。所述颜色例如是红色、绿色或蓝色(RGB)。
每个源的光功率使用激光或电流源而被独立地控制。以给定的光功率，光束10的颜色通过由不同激光二极管之间建立的功率比的方式确定。例如，为了获得白光，光功率必须根据下面的分布按比例确定：绿色二极管为60、蓝色二极管为30、红色二极管为10。如下所述，每个源的光功率也可以被控制，以调节光束10的光功率。
由每个源发射的光束7、8、9例如彼此平行地取向，并在同一方向上反射，以便通过组合而形成所述公共光束10。为此，所述设备1在此包括在一波长范围内半透明的光学元件，诸如二向色镜，或组合板11，其拦截由每个所述源发射的光束7、8、9并且在所述光束10的方向上混合它们。
更一般地，所述装置1被配置为从所述一个或多个激光束7、8、9形成光束10，然而可以涉及许多源4、5、6。在单一源的情况下，光束10由所使用的单一光源发射的激光束构成，而所获得的图像则将是单色的，所述图像由施加到形成该图像的每个点的不同光功率组成，所述光功率根据所述颜色的灰度。在多个源(通常是上述三个源4、5、6)的情况下，然后形成所述光束的共同光束10将允许根据色彩频谱建立图像，其分辨率将对应于对所述源4、5、6的电力供给的控制纤度。
根据本发明，图像投影系统包括位于所述一个或多个源4、5、6下游的衰减器件12，使得可以改变光束10的光功率。换句话说，颜色和/或强度通过控制光源的电流供给而赋予光束10，所述衰减器件12使得能够改变一个或多个光束7、8、9、10的光功率。特别地，将能够使得光束的光功率适应日间驾驶条件和夜间驾驶条件。
所述装置可以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。
更精确地说，例如，所述控制器件被构造成提供所述激光束7、8、9的光功率的线性电流调节，以便根据分配给所述激光束7、8、9中的每个的光功率比率，来提供对光束10的所述颜色选择。例如，能够提供对颜色以六位进行编码，对应于对每个所述激光束7、8、9的六十四个光功率级别。
所述控制器件也可配置为提供对所述光束的光功率的额外调整。特别高的衰减率可以这种方式实现。
更精确地，所述控制器件被配置为通过所述激光束7、8、9的光功率的脉冲宽度调制而提供调节，以便确保所述光束10的光功率的附加调整，特别是根据在5至20之间的衰减因子，特别是约10。
以这种方式，可以调整所述光束10的颜色和/或光功率。所述的控制器件包括例如未示出的微控制器。
有利地，所述衰减器件12配置为根据所述一个或多个光束的偏振取向而改变光束的光功率。以这种方式，能够利用激光束的物理特征的优点，即它们有高度偏振的特性。为简单起见，可以认为在与激光束的偏振的两个正交分量的每一个相关联的亮度之间的比率是200/1。以这种方式，能够获得约200的衰减因子，其与来自特别是形成脉冲宽度调制的控制器件的衰减因子相结合使得能够达到上面提到的2000的水平。
根据所示的实施例，所述衰减器件12包括用于修改所述一个或多个束的偏振取向的器件16，以及位于下游的根据所述偏振的取向确保光束的光功率变化的器件，这里是仅传输所述一个或多个束的偏振分量中的一个的检偏器17。这里，光束10在穿过取向修改器件16前具有初始取向18。在操作模式a)中，所述用于修改偏振取向的器件16允许光束穿过而不改变其偏振方向，而在所述修改器件的输出端处获得的取向13使得能够获得接近100％的光束传输通过检偏器17。在操作模式b)中，所述用于修改偏振取向的器件16根据第一角度对偏振施以取向改变，而在所述修改器件16的输出端处获得的取向14允许光束的30％传输通过检偏器17。在操作模式c)中，所述用于修改偏振取向的器件16对偏振赋予取向变化，使得所获得的新取向15正交于入射光束10的偏振取向而偏移(shift)。光束穿过检偏器17的传输则是最小的，如通过数字0％所象征的。
所述用于修改偏振取向的器件16包括例如液晶器件，诸如液晶单元。所述检偏器17例如是偏振膜。
在另一个实施方案中，发射设备可以由包括薄膜晶体管的液晶显示器(简写为TFT-LCD的薄膜晶体管液晶显示器)组成。液晶显示器是由发光二极管(LED)做背光的。由于偏振膜在液晶屏中的存在，这种装置还提供了高度偏振的光束。
在整个说明书中，用于修改偏振取向的器件16是液晶单元16。液晶单元16通过由信号发生器19产生的信号而被控制。通过该信号在液晶单元16的端子处提供的电压变化允许调整穿过它的光束10的偏振方向。在本发明的上下文中，这个电压变化由此转换成光束10的光功率的变化，所述变化是由于它们通过衰减器件12进行的衰减。图2是示出光束10的光功率(表示为百分比)基于在液晶单元16的端子处电压的绝对值(以伏特表示)的这种变化的一个例子的曲线图。
传统液晶单元必须通过AC信号控制。在液晶单元的端子处施加DC信号大大降低了它的使用寿命。另外，相反的电压(即具有相同绝对值但不同符号)施加到液晶单元，使得在衰减方面得到同样的结果。由此，信号能够交替地变化。
通过图像投影系统投影的图像以本领域中已知的方式分解成以给定投影频率依次投影的帧。在基于用扫描器件偏转的光束来扫描屏幕进行投影的情况下，一帧对应于屏幕通过光束进行的一次完整扫描。在这两个帧之间，所述扫描器件必须返回到其初始位置持续短的时间间隔，在该短的时间间隔期间没有帧被投影。因此，根据本发明，在两个电压电平之间的AC信号在这些帧投影的两次之间交替，即在这个时间间隔期间，光束不被扫描装置在屏幕上偏转，因为该扫描装置返回到其起始位置。以这种方式，避免了当信号交替在帧投影期间发生时出现的图像失真。由此获得了非劣化的图像，为了安全和舒适的原因，这对于在机动车辆的抬头显示器中使用投影系统是至关重要的。
图3b示出根据本发明的系统所使用的这样的AC信号。该信号通过曲线20表示，将信号的电压表达为时间的函数。作为时间的的函数，这条曲线20与由系统投影的帧系列并行(图3a)。四个帧22a、22b、22c、22d被呈现，并且时间间隔24a、24b、24c、24d在每个帧之后并且在新的帧之前发生，在此期间，所述扫描器件返回到其初始位置并因此没有显示任何帧。在这时，该信号可以从一个电压电平交替到另一个，而不劣化图像。在呈现的实施例中，交替发生在每一次帧投影之间，但信号也可以每两个、三个或x个帧而交替，并且它能够以不规则并且非周期性的方式旋转。
优选地，AC信号在正值与相反负值之间变化，以获得恒定的衰减。
还优选地，所述AC信号电压的平均值为零。这使得液晶单元的使用寿命进一步增加，因为非零均值等同于使用损害液晶单元的非零DC信号。
更优选地，该信号是周期性的。如本领域技术人员所公知的，周期性AC信号更容易通过传统的信号发生器产生。有利地，信号的频率等于帧投影频率的一半。例如，帧投影频率可以是60Hz，而信号的频率可以是30赫兹。
因此，通过图3b的曲线20表示的信号是根据组合上述特征的实施例的信号：它是一个周期性的信号，具有零均值，并且其+V和-V的电压电平是相反的。它的频率等于帧投影频率的一半，也就是说，从一个电压电平到另一个的交替发生在每一次帧投影之间。由曲线20表示的信号是完美的方波信号，该信号直接在两个电压电平之间交替，并且只取这两个电压电平作为值，而没有中间值。在实践中，在本发明中所使用的方波信号可以在从一个电压电平交替到另一个期间在有限时间内取可忽略的中间值。
如图4所示，本发明还涉及一种包括根据本发明的图像投影系统100的抬头显示器。除了光束发射设备1之外，投影系统100还包括从所述光束10形成图像的器件102。
所述图像形成器件102包括，例如，扫描发生器110，其功能是水平和竖直地移动光束10，其目的是提供以一个频率扫描的光束103，作为一个非限制性示例，所述频率特别是等于60赫兹。扫描发生器110包括，例如，具有微机电系统的扫描镜(以下称为MEMS镜)，光束10在其上被反射成扫描光束103。这样的MEMS镜具有例如1mm2的直径。MEMS镜能够绕两个旋转轴线旋转，以产生所述图像形成器件102的漫射屏111的扫描，例如以60Hz的刷新频率的扫描。所述图像形成在所述漫射器111上。可替代地，MEMS镜可以通过两个可移动并且平坦的镜子代替，所述镜子的运动是耦合的。这些镜子中的一个可专用于沿水平轴线扫描，而另一镜子可以专用于沿竖直轴线扫描。
形成有图像的漫射器111可以是具有用于通过透明度来投影的复杂结构的透明投影屏幕。可替代地，它可以是半透明的。例如，它由玻璃(尤其是磨砂的)或聚碳酸酯制成。以举例的方式，漫射屏是出射光瞳(“出瞳扩展器”)类型的。它使得可以具有加宽的观察锥。它在光束遍历的平面上延伸，由该扫描束103得到的图像形成在漫射屏111的一面的平面上。
此漫射屏接收扫描光束103。它被布置成使该扫描光束103分散在角度扇区中，例如，在它撞击漫射屏111的时刻相对于扫描光束103的方向等于30°。为了做到这一点，根据一个非限制性的示例，漫射屏的一个面112是粗糙的，在这个意义上，它包括引起扫描光束103的漫射的凹凸。粗糙面112对应于光束离开所通过的面，即在其上形成图像的面。
根据未示出的另一变体，如先前所描述的，所述图像形成器件不包括扫描发生器，而是包括微镜阵列(也称为数字微镜系统)。在此配置中，图像形成在微镜阵列的水平处，然后投影到漫射屏上。在一般情况下，投影光学器件被放置在阵列与屏幕之间。每个微镜对应于图像的一个像素。在本实施例中，图像最初不在漫射屏上形成，而是接收预先形成在微镜阵列上的图像。
应当指出的是，如图1所示，衰减器件12可以被布置在所述图像形成器件102的上游。它们也可以在下游。在一个变体中，它们可以被放置于在一方面的扫描发生器110或微镜阵列与在另一方面的漫射屏111之间。
所述投影系统还可以包括各种平面或凹面镜104、106，以便将光束朝向漫射屏111聚焦，所述漫射屏尤其位于扫描光束103的路径上。
本发明还涉及一种包括根据本发明的上述任一变体的图像投影系统100的显示器，尤其是抬头显示器。
如图4所示，在漫射屏111沿光束运动方向的下游，所述显示器包括至少一个半反射板126，以及在漫射屏111与半反射板126之间插置在图像路径中的反射装置125，所述反射装置125包括一个或多个平面或凹面镜。在该图中，图像的路径由虚线所示的三个箭头30标志，其在通过半反射板126显示之前在反射装置125上反射。在虚拟屏幕130的水平处处，所述半反射板允许放大，和/或通过透明性允许显示超出该半反射板的图像，特别是超出所装备车辆的挡风玻璃，这是在所述半反射板126的帮助下获得的。
该透明板具有至少等于20％的反射功率，这允许用户穿过所述板看到该车辆所采取的路径，同时得益于高对比度而能够看到显示的图像。替代地，图像的显示可以在装备有所述显示器的车辆的挡风玻璃上发生。
如前所述，所述衰减器件12可以位于图像形成设备102的下游，并远至所述半反射板126。

Claims (9)

1.一种图像投影系统，包括用于发射光束(10)的装置(1)、用于从所述光束(10)形成图像的器件(102)，所述图像被分解成由所述系统连续投影的帧(22a、22b、22c、22d)，其特征在于，所述系统包括用于衰减该光束(10)的光功率的器件(12)，所述衰减器件(12)包括：
-液晶单元(16)，能够由在两个电压电平之间的AC信号控制，该单元(16)在AC信号控制下修改光束(10)的偏振取向，
-产生AC信号的信号发生器(19)，在所述图像的两个连续帧的投影之间，所述信号发生器(19)将所述AC信号从一个电压电平切换到另一个，
-用于依赖于所述偏振的取向而确保光束(10)的光功率变化的器件(17)。
2.根据权利要求1所述的图像投影系统，其特征在于，所述用于发射光束(10)的装置(1)包括至少一个激光二极管。
3.根据权利要求1所述的图像投影系统，其特征在于，所述用于发射光束(10)的装置(1)是包括薄膜晶体管的由背光照亮的液晶显示类型的单元。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的图像投影系统，其特征在于，所述AC信号电压的平均值为零。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的图像投影系统，其特征在于，所述两个电压电平的绝对值相同，而符号相反。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的图像投影系统，其特征在于，所述AC信号是周期性的。
7.根据权利要求6所述的图像投影系统，其特征在于，所述AC信号的频率等于所述图像的帧的投影频率的一半。
8.一种显示器，尤其是抬头显示器，其特征在于，它包括根据前述权利要求中的任一项所述的图像投影系统。
9.一种用于投影图像的方法，所述方法包括发射光束(10)的步骤和从所述光束(10)形成图像的步骤，所述图像形成步骤被分解成图像帧投影的多个连续子步骤，其特征在于，所述方法包括通过控制两个电压电平之间的AC信号而衰减所述光束(10)的步骤，所述AC信号从一个电压电平到另一个的切换被控制在图像帧投影的连续子步骤之间。
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