CN110537120A - 平视显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种平视显示器,其中保护成像单元(10)免受由于来自外部的入射光导致的损害,本发明还涉及一种镜元件和一种用于制造平视显示器的方法。平视显示器具有成像单元(10)、偏转单元(2)和镜单元(3)。偏转单元(2)具有镜元件(21),该镜元件具有位于基板(211)上的部分光谱反射层(212),吸收偏振层(213)位于该部分光谱反射层上。

Description

平视显示器
技术领域
本发明涉及一种平视显示器/抬头显示器(head-up display),其中保护显示单元免受由于来自外部的入射光导致的损坏,本发明还涉及一种镜元件及平视显示器的制造方法。
背景技术
平视显示器在挡风玻璃中产生对于驾驶员可见的虚拟图像。该图像通常产生在显示单元、例如液晶显示器(LCD:Liquid Crystal Display)上,并借助于(反射)镜通过仪表板中的孔被反射到挡风玻璃上。通常需要保护显示单元以主要防止过热。
文献DE 10 2005 020 233 A1示出了一种平视显示器,该平视显示器具有成像单元、偏转单元和镜单元,其中该平视显示器还具有布置在偏转单元和镜单元之间的偏振层。这样做的优点是,从外部入射的、仅一个偏振方向的散射光到达成像单元,而入射光功率的大约50%被偏振层阻止。可视为缺点的是,要布置一个附加的元件、即偏振层。另外,仅针对一个偏振方向提供了保护,而入射杂散光的大约50%进入成像单元并可能损坏成像单元。
文献US 9,423,615示出了一种具有成像单元、偏转单元和镜单元的平视显示器。偏转单元具有部分光谱反射镜,该反射镜不反射光的红外(IR)部分而是让其通过。布置在反射镜后面的IR传感器探测透过的光的强度。如果该强度太高,则降低成像单元的光源功率或完全关闭成像单元的光源。这样做的缺点是,在很多情况下驾驶员都无法使用平视显示器,因为平视显示器会因过热危险而关闭。或者,当光源的功率降低时,不可充分利用该平视显示器。
发明内容
本发明的目的是,期望保护成像单元不受从外部入射到平视显示器上的杂散光、特别是日光的损害。损坏主要是由于生热、即由于光的长波的IR分量以及由于吸收其他波长分量且转换为热而发生。也应尽量避免由短波的UV分量造成的损坏。
根据本发明提出,平视显示器具有成像单元、偏转单元和镜单元,其中该偏转单元具有镜元件,该镜元件具有位于基板上的部分光谱反射层,在该反射层上设置有吸收偏振层,该偏振层允许具有与偏振层相同的偏振方向的光透过并吸收其他偏振的光。成像单元例如是液晶显示器,或者是基于LED或OLED、基于微镜或基于其他合适的成像技术的显示器。特别是对于液晶显示器,过热会导致破坏。至少会影响液晶显示器的运行。而且,根据其他技术的显示器也受到过量光辐射的负面影响。偏转单元将来自成像单元的光引导至反射镜单元,在该反射镜单元处成像单元的图像与周围环境的图像叠加,并且叠加的图像投入平视显示器所在车辆的驾驶员的眼睛中。
根据本发明,部分光谱反射层的功能和偏振层的功能被组合在单个部件中,该部件还另外承担了平视显示器的偏转单元的镜的功能。通过这种双重措施,由于不需要额外的部件,因此在组装时不需要付出更高的成本就可以实现针对生热的更高保护。另一个优点是,在不增加光学界面的数量的情况下就可以实现多种功能。每个光学界面都伴随有反射、折射等,这分开来看仅对由驾驶员感知的虚拟图像造成轻微损害,但总体上会影响图像的质量,因此需要采取对策,这又提高了平视显示器的复杂性和制造成本。即使在单个的光学界面中也会发生不希望的反射,其被观看者感知为干扰。任何其他光学界面都可能导致进一步的有害反射。因为在根据本发明的镜元件中,偏振层平行于反射层布置在反射层上,所以在此不另外发生干扰反射。根据本发明的镜元件是吸收偏振器。偏振器有两种类型,具体取决于偏振分离的发生方式。设有反射偏振器,其将入射的非偏振光分解成被反射的偏振部分和透射部分。透射分量也可以包含反射偏振方向的分量,反射偏振器的示例是已知的线栅偏振器。还设有吸收偏振器,其例如通过适当排列的分子从非偏振光中吸收偏振部分并使另外的偏振部分透射。对于偏振器的类型,偏振分离的类型至关重要。根据本发明在镜上施加另一吸收层、即偏振层,这具有进一步的优点,在这种布置中吸收层被光穿越两次,这使吸收层的有效厚度增加了一倍。因此,比较薄的吸收偏振层已经足以充分减少不需要的偏振部分。
根据本发明提出,部分光谱反射层具有带通特性。优选地,光的可见光分量、即在约400nm至约800nm之间的波长的光被反射,而具有大于约800nm的波长的红外分量以及具有低于约400nm的波长的UV分量被透射。因此仅可见光分量到达成像单元。特别产生热量的长波红外分量穿过部分光谱反射层并在其他部位产生热量,在该其他部位产生的热量不会损坏成像单元。这同样适用于短波长的紫外线分量。
有利地,部分光谱反射层基本上仅在由成像单元生成的波段中反射。这样做的优点是,在成像单元以波长选择的方式产生光时,例如当光生成是基于激光光源或其他窄带光源时,以这种方式使杂散光的更小分量到达成像单元,而其他波长范围穿过部分光谱反射层,并且无法到达成像单元。而由成像单元产生的光束如预期地被光谱选择性反射层反射,以产生驾驶员可感知的虚拟图像。
根据本发明提出,基板具有平坦的表面,部分光谱反射层气相沉积在该平坦的表面上。偏振层是层压在部分光谱反射层上的膜。这具有的优点是,形成可以成本有利地制造的单个部件。具有平坦表面的基板比具有弯曲表面的基板更容易制造。在此,例如可以使用批量生产的平板玻璃。在平坦表面上的气相沉积是一种行之有效的工艺,其可以可靠地并且几乎无废料地进行。在平坦的气相沉积表面上,可以以特别简单和可靠的方式层压设计为膜的偏振层。如果镜元件例如为了补偿用作镜单元的挡风玻璃的表面曲率而需要弯曲表面,则也可以在其上施加相应的膜。尽管这比在平坦的表面上需要更高的成本,但是考虑到节省了否则需要用于曲率补偿的另一元件,这仍具有优点。
根据本发明的一个改进方案,基板设计成不透光的。为此,例如使用深色塑料、金属、陶瓷元件或有色玻璃。如果基板是不透光的,则具有的优点是,穿过部分光谱反射层的红外分量被基板吸收,从而使基板生热。而且,吸收偏振层通过吸收未透射的偏振方向的光而生热。镜元件因此相对均匀地生热,这减小了基板与布置在基板上的层之间由于热膨胀引起的应力,因此增加了镜元件的寿命。另选地,基板设计成透光的或部分透光的。然而,这导致透射的光入射到其他部件上,并且可能非预期地使其他部件生热或以非预期的方式被其他部件反射。
优选地,基板具有大质量。为此,例如提供具有高导热性的、例如由铝制成的大金属块。大金属块也可以由铜制成,铜除了具有高导热性外,还具有比铝更高的比热容。还可以有利地使用合适的塑料材料。同样地可以考虑相应较大质量的玻璃基板。具有大质量的基板的优点在于,可以吸收较大的热量,而不会使其自身过热或使将基板紧固在平视显示器中的紧固件承受过高的热负荷。另外,大质量也确保了在温度变化时的热惯性,因此即使在短期内出现入射光量的强烈变化,也只造成镜元件温度的缓慢变化。由热膨胀引起的可能发生的应力仍然很低。这增加了镜元件的寿命,并确保镜元件的光学特性保持恒定。驾驶员可感知的平视显示器的光学品质不受外部入射的、快速变化的光量所影响。
根据本发明的用于生产平视显示器的方法包括以下步骤。首先,提供具有平坦表面的基板。然后,在基板的表面上气相沉积部分光谱反射层。随后,将吸收偏振层作为膜层压在部分光谱反射层上。将由此获得的镜元件装入到平视显示器的偏转单元中。装入可以分步进行,即首先装入偏转单元中,然后将偏转单元作为模块集成到平视显示器中。镜元件还可以直接被装入除了镜元件外的预组装的平视显示器中或在中间阶段中被装入。根据本发明的方法具有在装置权利要求中描述的优点。
根据本发明的镜元件被设计并设置成用在根据上述针对平视显示器所述的权利要求中任一项所述的平视显示器中。有利地在平视显示器的偏转单元中使用这种具有根据本发明的、包括部分光谱反射层和偏振层的组合的镜元件。
附图说明
在下面根据实施列的说明中描述本发明的其他设计方案及其优点。附图中:
图1示出平视显示器;
图2示出镜元件;
图3示出部分光谱反射层的反射率;
图4示出制造方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的平视显示器,其具有成像单元10、偏转单元2和镜单元3。偏转单元2具有镜元件21。在镜元件21的基板211上布置有部分光谱反射层212和偏振层213。两个层212和213如此之薄,以至于它们在该图示中无法分辨。还可以看到平视显示器的壳体70中的输出开口7。输出开口7以虚线示出,在根据现有技术的某些平视显示器中,偏振层布置在这里。
成像单元10生成图像,从该图像发出的光束LS1被镜元件21反射。反射的光束LS2到达镜单元3,例如车辆的挡风玻璃或布置在挡风玻璃和驾驶员之间的所谓组合仪表。从那里,它们作为光束LS3朝驾驶员眼睛61的方向反射。由成像单元10生成的图像在驾驶员看来好像作为虚拟图像VB漂浮在车辆前方。在驾驶员看来好像与环境的环境图像UB重叠。因此,光束LS4实际上不存在,但是被驾驶员认为是来自虚拟图像VB。
可以看到通过箭头P1表示的、来自上方的太阳光,该太阳光在光束LS2的延长线中与该光束的方向相反地入射到镜单元3上。镜单元3是部分透光的,例如使环境图像UB透过并允许车辆驾驶员看到交通状况。在一定条件下,不期望的太阳光以所示角度入射到镜单元3上,被镜元件21朝成像单元10的方向反射,可能导致诸如液晶显示器过热从而迅速老化并在极端情况下甚至被破坏等损害。
图2以放大的剖面图示出了镜元件21。所示的厚度关系未按比例绘制。可看到基板211、设置在基板上的部分光谱反射层212和设置在部分光谱反射层上的偏振层213。该基板211具有平坦的表面215,部分光谱反射层212气相沉积在该表面上。层212具有相对均匀的厚度,使得其表面216是平坦的。以膜形式存在的偏振层213被层压到部分光谱反射层212的表面216上。
当光入射到偏振层213时,仅与偏振层213具有相同偏振方向的那部分光被透射。其他偏振分量未透过偏振层,而是被该偏振层吸收。这样,沿箭头P1方向入射的太阳光的大部分被吸收。在透过偏振层213之后,入射光在部分光谱反射层212处被部分反射,而另一部分被透射。入射光的红外分量和UV分量被透射。仅可见光被反射,然后透过偏振层213。到达成像单元10。由于红外分量和UV分量透过部分反射层,因此红外分量和UV分量不进入成像单元10。
从成像单元10发射的光束LS1被偏振,从而该光束几乎被偏振层213完全反射。由于部分光谱反射层212在波长上匹配于由成像单元10输出的光,所以该光几乎没有衰减地被透射。镜单元3同样最佳地反射特定偏振方向的光。由成像单元10输出的光的偏振被相应地设置。这意味着,由成像单元10发射的光束LS1-LS3以几乎不减弱强度的方式射入观察者的眼睛61,而根据箭头P1从外部入射的杂散光被镜元件21大大衰减,因此不会对成像单元10造成损坏或仅造成轻微损坏。
图3示出了针对部分光谱反射层212的以纳米为单位的波长以百分比表示的反射率。可以看出,在400nm以上的反射率几乎为100%,并且至约800nm仅稍微下降。在约820nm处,反射率达到约20%的低点,然后再次增加至约50%,并在约900nm以上保持基本上低于30%的反射率。因此,红外光被部分光谱反射层212大大降低,而可见光几乎被完全反射。这对于在整个可见光谱中辐射的成像单元10是最佳的。而如果成像单元具有波长固定且变化很小的光源,则建议使用仅在这些波长范围内反射的、而其他波长的光可以透射的部分反射层。这里没有示出针对该波长的相应反射率,但是本领域技术人员可以容易地绘制出这种特性。所示的部分光谱反射层212因此具有带通特性。在成像单元10的相同或不同变型中使用不同光源的情况下,这也是有利的。无论实际使用的波长如何,带通特性始终是合适的。另一方面,较大的波长选择性再次减少了入射在成像单元10上的杂散光。
在图2中,基板211是不透光的。因此,由部分光谱反射层透射的光被基板211吸收。根据本发明的有利变型,基板211具有大的质量。在这种情况下,基板的厚度比图中所示的要大得多。
图4示出了根据本发明的平视显示器的制造方法的流程图。在步骤S1中,提供具有平坦的表面215的基板211。在步骤S2中,将部分光谱反射层212气相沉积在表面215上。随后,在步骤S3中,将吸收偏振层213层压在部分光谱反射层212上。在步骤S4中,将由此获得的镜元件21装入平视显示器的偏转单元2中。
换句话说,本发明将光谱滤光和偏振滤光组合在一个部件、即镜元件21中,而无需在平视显示器中增加附加部件。镜元件21代替了在平视显示器中在该部位无论如何都需要的镜,并且该镜元件由基板211构成,该基板可以是透光的、不透光的或部分透光的,在该基板上施加了对由成像单元10的光源发射的光进行反射而使该范围之外的光谱分量透射或吸收的层212。在该层212上施加吸收偏振器、即偏振层213,该偏振层仅透射成像单元10的光源的偏振光并且吸收其他偏振的光。
本发明的优点在于,所提出的组合在一个部件中实现了全保护功能,而无需向平视显示器添加附加部件。由此实现了紧凑的实施方式,并且减少了光学界面的数量,从而实现了更高的效率并避免了背向反射。通过将吸收偏振器、偏振层213施加在大质量的基板211上,可以更容易地消散从太阳吸收的热量。本发明还适用于其他需要偏振滤光的、具有镜的光学系统。
尽管这里没有明确描述,但是在不脱离本发明的精神的情况下,修改上述措施中的一种或多种或以其他组合使用这些措施在本领域技术人员的能力范围内。

Claims (8)

1.一种平视显示器,该平视显示器包括成像单元(10)、偏转单元(2)和镜单元(3),其特征在于,所述偏转单元(2)具有镜元件(21),该镜元件具有位于基板(211)上的部分光谱反射层(212),吸收偏振层(213)位于该部分光谱反射层上,该吸收偏振层允许具有与偏振层(213)相同的偏振方向的光透过并吸收其他偏振方向的光。
2.根据权利要求1所述的平视显示器,其特征在于,所述部分光谱反射层(212)具有带通特性。
3.根据权利要求2所述的平视显示器,其特征在于,所述部分光谱反射层(212)基本上仅在由成像单元(10)产生的波长范围中进行反射。
4.根据前述权利要求中任一项所述的平视显示器,其特征在于,所述基板(211)具有平坦的表面(215),所述部分光谱反射层(212)是气相沉积在基板(211)上的层(212),所述偏振层(213)是层压膜。
5.根据前述权利要求中任一项所述的平视显示器,其特征在于,所述基板(211)是不透光的。
6.根据前述权利要求中任一项所述的平视显示器,其特征在于,所述基板(211)具有大质量。
7.一种用于制造平视显示器的方法,该方法包括以下步骤:
-提供(S1)具有平坦的表面(215)的基板(211);
-在基板(211)的表面上气相沉积(S2)部分光谱反射层(212);
-在部分光谱反射层(212)上层压(S3)吸收偏振层(213);
-将这样获得的镜元件(21)装入(S4)平视显示器的偏转单元(2)中。
8.一种镜元件(21),该镜元件设计并设置成用在根据权利要求1至6中任一项所述的平视显示器中。
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