CN110612469A - 平视显示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平视显示器，其具有光源(3)、显示元件(5)、至少一个镜子(4)、光电二极管(23)和镜元件(11、21)。根据本发明设置成，至少一个镜子(4)具有镜面(43)，该镜面在至少一个部位处具有孔洞(42)，并且光电二极管(23)布置在经过孔洞(42)的光的光路中。

Description

平视显示器

技术领域

本发明涉及一种具有镜子的平视显示器。平视显示器用在车辆、例如机动车中，以便将信息、例如关于车辆状态的信息投射到驾驶员的视域中，并且与环境相叠加。

背景技术

文献US 2016/0335959 A1示出了一种平视显示器，其具有光源、显示元件、至少一个镜子、光电二极管和镜元件。在此，镜子是半透性的，并且将到达它上面的光的一部分反射到光电二极管上，该光电二极管是用于调节光源的光通量的调节回路的部件。仅穿过半透性的镜子的光、即透射光可供用于产生虚拟图像。该虚拟图像借助于镜元件(在此为车辆的挡风玻璃)与环境叠加。这种已知的平视显示器的缺点是，镜子仅用于使光转向到光电二极管上。镜子需要花钱，需要安装空间并且仅允许射到它上面的光的一部分通过，这减少了可用于生成图像的光通量。

由文献EP 3 163 873 A1已知一种激光投影显示器，其具有与波长高度相关的半透性的镜子，用于将光耦出到光通量调节回路的光电二极管上。在此存在高度的波长依赖性，因为涉及到二向色镜、所谓的干涉镜或干涉滤光器。这种特殊部件制造繁琐，因此相对昂贵。在此也使用整个镜面来耦出，因此穿过半透性的镜子的光的光通量大大减少。透射的光通量的减少不利于生成尽可能亮的虚拟图像。

发明内容

期望一种相比之下有改善的平视显示器。

根据本发明的平视显示器具有光源、显示元件、至少一个镜子、光电二极管和镜元件。所述至少一个镜子具有镜面，其在至少一个部位处具有孔洞。光电二极管在经过孔洞的光路中沿射束/光线方向布置在孔洞之后。这具有的优点是，无需单独的构件耦出落到光电二极管上的光，因为镜子为总归存在于平视显示器的图像产生单元的光路中的构件，其获得耦出用于光电二极管的光的附加功能。镜子中的孔洞可成本有利地制成，从而不仅节省结构空间，而且节省制造成本。如果孔洞仅仅占据镜面的很小的部分，则还仅仅出现很小的光通量损失。因此，系统具有很高的光学效率。没有出现由于有损地通过半透性的光学层而引起的光通量损失，因为入射光不必通过附加的光学元件，并且由此没有产生由于吸收引起的光通量损失。

光源产生的光由显示元件调制。显示元件由信号产生器来驱控，并且产生与要显现的图像相对应的真实图像，所述要显现的图像在接下来的光路中转换成虚拟图像，该虚拟图像通过镜元件与显示器的环境的图像相叠加。至少一个镜子使光路中的光转向到另一光学元件(例如镜元件、另一镜子)或显示元件上。光电二极管将入射的辐射功率转换成与照射强度成比例的光电流。该光电流用作间接的光通量测量的测量量。光通量与图像亮度相关。光电二极管的输出信号在调节环路中用于将光源发出的光通量保持在期望的值上。在彩色显示器中，光电二极管有利地用于测量在由光源(该光源在这种情况下通常由用于不同波长的多个单独的光发射器构成)发出的光中的颜色成分的光通量，以便必要时执行白平衡或颜色分配的其他调整。在此，在时间上相继的颜色信号中使用光电二极管的在颜色信号的相应的时段中测得的相应的信号。如果所有的颜色信号同时存在，设置相应于不同波长的多个光电二极管。另一实施方案设置仅仅一个光电二极管和滤光轮，该滤光轮具有相应于所使用的波长设计的滤光器。

镜元件用于将来自显示元件的光转向到观察者的眼睛中。例如将车辆的挡风玻璃或所谓的组合器(Combiner)用作镜元件。两者用于使来自显示元件的光——在必要时在通过其他光学元件(例如凹面镜)之后——与来自环境的光相叠加，并且因此对于观察者来说使显示器的虚拟图像与环境的图像相叠加。这种凹面镜具有将显示元件的真实图像转换成放大的虚拟图像的功能。

至少一个镜子的镜面可以是平的，也可以是弯曲的。镜面至少在一个部位处具有孔洞，该孔洞仅仅占据整个镜面的很小的部分。如果在多个部位存在孔洞，则它们各自相应更小，并且引起对反射的光束的还要更小的影响，并且因此与单个孔洞相比，对于观察者来说仍然不起眼。较多数量的孔洞用于降低由于在镜子中的孔洞产生的、在平视显示器的虚拟图像中的伪影。在孔洞处，落到镜面上的光没有相应于通过镜面预定的角度偏转，而是从入射到镜面上的主光通量耦出。耦出的光份额不是相应于由镜面预定的角度反射，而是通过孔洞经过镜子。光电二极管布置在孔洞后方，也就是说，布置在通过孔洞的光的光路中。光电二极管还可有利地直接布置在孔洞中。

根据本发明设置成，孔洞是承载镜面的基底中的穿孔。这具有的优点是，穿孔可在施加镜面之前引入到基底中，从而可不受制造穿孔影响地施加镜面。这能够实现成本有利的制造，并且防止孔洞对镜面光学特性的超出孔洞存在带来的不利影响。穿孔可在例如光电二极管直接布置在穿孔中时垂直于镜面布置，也可有利地根据到达镜面的光束的入射角度来布置成与镜面不成90°的角度。穿孔可通过钻孔引入到基底中，也可以其他方式引入。例如在塑料基底中，可在制造基底时便留有穿孔。

有利地，穿孔具有朝穿孔的方向变化的直径，并且因此具有相应变化的横截面。这具有的优点是，仅仅最小可能地影响基底的机械稳定性。由此保证，镜面在基底的机械负荷、热负荷或其他负荷下也尽可能保持其理论形状，即镜面的光学特性尽可能不受影响。在光束发散地或以平行射束落到镜面上时，横截面从基底的背离镜面的一侧逐渐变小，以便在镜面处具有最小的横截面。在光束会聚地落到镜面上时，横截面变化相应地正好相反。横截面还可以是阶梯式的，例如以便不具有与镜面邻接的锐边。

根据本发明设置成，穿孔至少在其与镜面相邻的区域中在它的内表面上镜面化。这具有的优点是，防止吸收到达穿孔的壁部、即穿孔的内表面上的光，使得通过孔洞的所有的光尽可能都到达光电二极管。有利地，在施加镜面时，穿孔或至少其上部部分也镜面化。如果气相喷镀镜面，则到达穿孔中的颗粒重新击打在穿孔的壁部处，并且在此使壁部镜面化。在此，至少在穿孔的上部区域中，镜面化部几乎和在镜面上的一样好，这尤其在穿孔的上部区域分级时是有意义的。

根据本发明的一变体，孔洞通过在镜面中的未镜面化的部位形成。这具有的优点是，未镜面化的面可容易地通过以下方式制成，例如在基底镜面化时借助于掩体、将孔洞烧刻到镜面中(例如经由激光脉冲、聚焦的非相干光等等)、或者施加使镜面材料不能粘附到基底上的材料或类似的措施。在此，基底是透光的，至少在孔洞和其周围的区域中是透光的，并且光电二极管布置在基底的透光部分后方。在该变体中，基底在其机械和热特性方面不受影响。如果整个基底设计成均匀透光，则它还在其整个伸展尺寸上具有均匀的特性，或者至少具有仅仅连续变化的特性，没有出现在材料边界处的可能的特性突变。

根据本发明的另一变体，孔洞由镜面外的反射元件形成。这具有的优点是，在制造时，在镜面化部中既未引入穿孔，也未布置孔洞。这简化了制造工艺过程。可设置施加、例如粘到镜面上的镜元件作为反射元件。同样可行的是，在基底上设置突出部，该突出部在施加镜面时一起被镜面化。同样，在基底中的凹处可相应地在施加镜面时一起被镜面化。

有利地，镜子在光路中布置成紧接光照均化元件。这具有的优点是，离开光照均化元件的光具有在射束横截面中非常均匀的强度分布，从而借助于孔洞耦出的并且由光电二极管探测到的光能实现有代表性的光通量测量，而不必位于精确限定的位置处。由此避免在制造时、尤其在组装各零部件时耗时且成本高昂的调整过程。

在此，镜子尤其为折叠镜(Faltspiegel)。折叠镜被设置用于使光路折叠，以便尽可能节省空间地布置光学元件、例如光源和显示元件。作为光照均化元件，例如设置成像的微透镜阵列与沿射束方向位于微透镜阵列之后的透镜的组合。

附图说明

本发明的其他的细节和优点还可从下文对实施例的借助附图的说明中得悉。其中，

图1示出了具有根据本发明的平视显示器的车辆；

图2示出了根据本发明的平视显示器；

图3示出了借助于孔洞耦出光的原理图；

图4示出了具有孔洞的镜子的变体；

图5示出了具有孔洞的镜子的变体；

图6示出了具有孔洞的镜子的变体；

图7示出了平视显示器的光源。

具体实施方式

图1示出了具有根据本发明的平视显示器2的车辆1，该平视显示器具有透光的开口22。光束LB通过该开口出来，该光束从平视显示器2落到车辆的挡风玻璃11上，并且从挡风玻璃朝观察者的眼睛12的方向反射。对于观察者来说在挡风玻璃11前方、车辆的引擎罩14上方出现虚拟图像13。挡风玻璃11在此用作平视显示器的镜元件21。借助下面的附图来说明平视显示器2的内部的细节。在此，相同或作用相同的元件设有相同的附图标记，并且只有在显得有助于理解时，才对后续附图进行更详细的说明。

图2示出了根据本发明的平视显示器2。可以看到光源3，光束LB1从该光源落到镜子4上。光束从镜子处作为光束LB2被导引到显示元件5上。显示元件5由在此未示出的控制单元驱控，并且将光束LB2表现为图像，观察者可看到该图像作为虚拟图像13。显示元件5在此示出为反射性显示元件，例如LCoS显示器、反射性的液晶显示器、由多个很小的可控微镜组成的组件、所谓的“数字微镜器件”(Digital Micro Mirror Device，也被称为DMD)、或可在X和Y方向上倾斜的微镜。可在X和Y方向上倾斜的微镜例如实现为既可在X方向又可在Y方向上运动的2D-MEMS扫描镜或两个分别可在X和Y方向中的一个方向上运动的1D-MEMS扫描镜。借助于此逐行光栅化地呈现出需显示的图像。在此，MEMS代表微系统，英文为“MicroElectro Mechanical System”，1D代表一维，而2D代表二维。另选地，代替反射性的显示元件5可设置半透明的显示元件51。在这种情况下，代替反射性的显示元件5，在该处设置镜子。作为半透明的显示元件51，例如设置TFT显示器作为液晶显示器。光束LB3到达另一镜子6，从该另一镜子落到凹面镜7上，该凹面镜使光束作为光束LB穿过平视显示器2的开口22朝挡风玻璃11的方向导引。为了简单起见，在此仅通过中心射束来示出光束LB、LB4。凹面镜7的曲率补偿挡风玻璃11的曲率，从而使观察者可看到未失真的虚拟图像13。曲率还具有放大显示元件5的实像并且将其转换成虚拟图像的功能。凹面镜7的功能在在此未示出的变体中还可通过透镜或全息图来实现。即使在这种通常被称为“无镜”的平视显示器中也存在根据本发明可在镜面中设有孔洞的镜子。

在镜子4中，光电二极管23布置在穿孔41中。穿孔41与在镜子4的镜面43中的孔洞42邻接。穿孔位于镜子4的基底44中。光电二极管23的输出信号输送给在此未示出的调节器，其调节光源3的输出功率。

替代将孔洞42布置在镜子4中，将孔洞42'布置在在光学光路中紧接在显示元件5后面布置的镜子6中。在此光电二极管23'同样布置在穿孔41'中。这种布置方式具有的优点是，显示元件5的亮度或反射率的影响也进入光强度的调节中。以这种方式可补偿由老化或环境引起的对显示元件5的特性的影响，例如温度、空气湿度、浑浊度等等。然而，在此不是在任何时刻在孔洞42'的区域中都存在相同的光强度，这是因为光强度是通过显示元件5来调制的。在这种情况下适于，将用于孔洞42'区域的显示的强度值用作强度调节的实际值。一种替代的解决方案是，仅当应在孔洞42'的位置处希望限定的强度时，才执行强度调节。这例如是如下情况，即，当例如直接在接通之后执行平视显示器的测试循环时，或者当显示元件5的相应的部位带来明亮的用于显示的显示元件时。为了减少对用户的可能的打扰，孔洞42'处在镜子6的通常没有光落在上面的区域中。这是如下情况，即，当在那里在任何时候都不存在要显示的信息时，即无需该区域反射来自显示元件5的光，因为从未激活显示元件的该相应区域。这在选择要显示的信息时加以考虑。仅在测试循环期间通过显示元件的与镜子6的该区域相应的区域产生光点。

另一替代的实施方案是，在凹面镜7中布置有孔洞42"。该孔洞在此用虚线表示出来。位于孔洞42"后面的光电二极管在图中未示出。为了进行信号评估，在此实施方案中适用和上文说明的替代方案类似的方案。将孔洞安置在凹面镜7中的优点是，凹面镜总归顺应确定的车辆或者甚至顺应为车辆设置的多种不同形状的挡风玻璃中的确定的一种来制造。在这种情况下，设置孔洞42"仅仅意味着低的附加花费。对于其他的镜子，于是使用标准构件，它们由于大的件数而在成本上是有利的。

图3示出了借助于在根据本发明的平视显示器的镜子中的孔洞、尤其是由平视显示器的还被称为PGU的图像产生单元耦出光的原理图，其中仅仅示出了一些对于理解本发明重要的构件。光源3在此象征性地表示为发光二极管，但在此还可合理地使用其他的光源。光源产生落到镜子4上的光束LB1。该光束从那里作为光束LB2朝向显示元件5的方向反射。在镜子4的镜面43中存在孔洞42，落到镜面43上的光束LB1的一部分通过孔洞落到光电二极管23上。基底44(镜子4的镜面43施加在其上)在此由玻璃构成，从而通过孔洞42的光可经过基底44。替代玻璃，基底还可由透光塑料构成。

图4示出了根据本发明的平视显示器的图像产生单元的镜子4的变体。在此，基底44同样由玻璃构成，并且在镜面43中同样存在孔洞42。光束LB1通过镜面43反射为光束LB2。仅仅光束LB1的落在孔洞42上的份额经过基底44，并且落到光电二极管23上。光电二极管布置在电路板24上，该电路板除了光电二极管之外还承载有在此未示出的其他结构元件。

图5示出了根据本发明的平视显示器的图像产生单元的镜子4的另一变体。基底44在此由不透光的材料构成，并且具有穿孔41。穿孔41实施为穿通部，其不必是旋转对称的或是柱状的，而是如在此示出的那样是锥形的且具有相对于沿镜面43的法线成角度的轴线。落到镜面43上的光束LB1的一部分通过穿孔41落到位于电路板24上的传感器23上。穿孔41的横截面从镜子4的面向光电二极管23的一侧朝其设有镜面43的一侧逐渐缩减。穿孔41在设有镜面的一侧具有恒定横截面的区域45，该区域与逐渐缩减的横截面的区域46形成台阶部。在此，恒定横截面的区域45的尺寸确定为，使得基底44在其最薄的部位也具有足够的机械稳定性。在该部位其热稳定性也足以满足在运行和制造中的要求。例如，在施加镜面43期间，在孔洞42的区域中不会出现基底的如下变形，该变形将使镜子4在该区域中的光学特性不可接纳地劣化。在此，穿孔41在变化的横截面的区域46中具有对称轴线，该对称轴线不是垂直于镜面43取向，而是沿着射入的光束LB2的方向取向。恒定横截面的区域45同样镜面化，并且在此具有垂直于镜面43构造的对称轴线。

图6示出了根据本发明的平视显示器的图像产生单元的镜子4的其他变体，这些变体不必同时存在。在正常情况下，根据本发明的镜子仅具有这些变体中的一个。在镜子4的在该图中位于上部的区域中示出了穿孔41，其垂直于镜面43来布置。在穿孔41中布置有光电二极管231。因此，通过孔洞42的光直接到达光电二极管231，从而在穿孔41的轴线与入射光束LB1的方向之间的相对取向不起太大作用。

在该图像中在穿孔41下方示出了反射元件431，其从基底44的表面突出，并且在与镜面43的最大部分不同的方向上反射入射光束LB1的一部分。在此处示出的情况下，反射元件431为基底44的一部分。替代于此，示出了反射元件432，其单独地例如通过粘接施加到镜面43上。虽然粘接表现为进一步的加工过程，但根据情况而定可能比制造与基底44连贯的反射元件431更有利。反射元件还可通过在施加镜面43之前粘到基底44上来安置。替代地，例如如果基底构造为浇注件，反射元件可为基底44的一体的组成部分。此时，将用于反射元件431的突出部相应地设置在浇注模具中。另一变体是，将单独的反射元件插装到基底44中，并且通过摩擦锁合连接来固定在那里。在这种情况下，反射元件和基底44具有彼此适当匹配的材料特性。

替代于此，反射元件433设置为基底44中的凹部。入射光束LB1的一部分在此同样通过在反射元件433的面上的反射从主光路耦出并且转向到在此未示出的光电二极管上。根据一种变体，不是设置反射元件431、432、433中的一种，而是设置这些反射元件431、432、433中的多种，它们分别使落到镜面43上的光的一小部分转向到光电二极管23上。这具有的优点是，反射元件431、432、433分别较小，并且分布在较大的面上。因此，它们在一定程度上代表了平均值，并且与在单个孔洞42的位置处的随机非代表性的强度分布无关。这同样适用于布置有多个穿孔41、41'的情况。还可使用任何其他合适类型的光传感器代替光电二极管。

在另一替代的变体中设置有穿孔41'，其从镜子4的设有镜面43的一侧逐渐缩减。入射光束LB2'在此是会聚性的，从而在穿孔41'相应于光束LB2'的主方向定向时，通过孔洞42落到穿孔41'中的光仍不会到达穿孔的壁部。此时，光落到光电二极管23上。在此，同样可在制造镜面43时使穿孔41'的至少一部分随之镜面化，这减少由于光碰到壁部而引起的可能的光损失，因为光被反射并且因此到达光电二极管23。

本发明还一般地涉及一种用于在DMD投影仪或其他投影仪中进行照射强度测量和白点控制的装置和组件。这样的投影仪例如用在具有反射性的显示元件的平视显示器中，或者一般地用在具有反射性的显示元件的图像产生单元中。

具有数字微镜器件的投影仪(简称DMD投影仪)在实践中用在很多不同的应用中，以生成真实图像。这样的DMD投影仪尤其具有作为表面光调制器的DMD芯片、显示元件5和发光系统。发光系统主要包括一个或多个光发射器、一个或多个准直光学器件、射束折叠部、射束成型部、光照均化元件以及射束引导部。发光系统尤其具有的任务是均匀地照亮显示元件5的DMD芯片的芯片表面。在此实现在DMD芯片上的均匀的照射强度和远心的照亮。射到显示元件5上的光功率与产生的虚拟图像13的亮度相关。DMD彩色投影仪包括分别发出不同光谱的多个光发射器，或者包括一个或多个白色光源与不同的滤色镜的组合，滤色镜可布置在色轮上。DMD彩色投影仪的RGB色彩空间通过由不同的光源3发出的光功率的加法混色或时序混色来实现。

实践中，通常需要在测量技术上探测光源3的光通量或不同颜色通道(例如红色、绿色和蓝色)的光通量，以便例如可调节图像的图像亮度或色坐标，例如白点。为此，射到显示元件3上的光通量的一部分在发光系统内光学地借助耦出元件耦出，并且转向到光电二极管23、231中。光电二极管23、231吸收入射到它们上面的光功率，并且将光功率转换成与照射强度成比例的光电流，其用作调节回路的调节参数。

在评估耦出机构和耦出位置时，尤其以下因素具有重要作用：测得的光电流的相对于由公差引起的耦出位置变化的鲁棒性、在生产时的调整花费、耦出效率、在耦出位置处耦出元件(例如遮光部)对图像质量的影响、散射光的产生等、所需的结构空间、实现耦出所需的构件的成本。根据本发明的一有利的变体，在折叠镜、即位于光照均化元件之后的镜子4中的穿孔41用作耦出元件。耦出位置的这种选择具有的优点是，耦出位置在位置公差方面具有好的鲁棒性。在穿孔的位置公差方面的好的鲁棒性来源于这样的事实，即，射到折叠镜上的光在侧向方向上由于例如通过微透镜阵列与一个透镜一起实现的光照均匀化而具有近乎恒定的侧向强度分布。此外，耦出位置的选择具有的优点是，没有不期望的阴影/光晕出现在显示元件上，并且因此出现在虚拟图像中。通过孔洞还可实现最好可能的耦出效率，这使得能够实现小的孔洞直径，并且因此仅仅引起整个系统的光学效率的非常小的损失。在此应指出的是，除了穿孔41之外，在折叠镜中存在用于实现孔洞、即耦出机构的多种其他可行方案。根据一种变体，这是如下的镜子4，其镜面涂层位于透明的基底44(例如玻璃或透明的塑料)上。在耦出位置的区域中，在镜子表面上没有镜面涂层，从而到达该位置的光可传输通过镜子基底，并且在镜子4后面由光电二极管23、231探测到。根据一种变体，这是如下的镜子4，在它的表面上在耦出位置处局部地存在一个或多个小的反射元件431、432、433，反射元件使应耦出的光转向到可位于投影仪的光路之外的光电二极管23上。

还可为显示元件5设置被称为LCoS的液晶元件或被称为DMD的数字微镜设备作为表面光调制器。

一个实施例是如下的图像产生单元，其包括DMD彩色投影仪，并且用在平视显示器中，以生成图像。这种DMD彩色投影仪具有在图7中示出的光源3，其具有作为光发射器的红色发光二极管311、绿色发光二极管312和蓝色发光二极管313。在此通过会聚透镜321-323示出的三个准直光学器件具有的任务是，会聚和准直由发光二极管311-313发出的光。三个颜色通道的经准直的光借助于二向色镜331-333组合成射束、使射束折叠并且将射束引导到光照均化元件34上。在折叠时，三个颜色通道的射束体积同心地叠加。来自光照均化元件34的光通过未示出的会聚透镜和在图中同样未示出的镜子4转向到DMD芯片、即显示元件5上，并且均匀地照射它。在镜子4中有小的穿孔41，其将射入到镜子4上的光的一部分耦出。在镜子4后面，紧接在穿孔41之后或者如在一些图中所示的那样在穿孔中存在光电二极管23，以进行光通量测量。

要理解的是，在此并未说明根据本发明的平视显示器的所有可行的变体和修改方案。本领域技术人员可以自行决定修改所述措施或者以不同于所描述方式的方式将它们进行组合。

Claims (7)

1.一种平视显示器，其具有光源(3)、显示元件(5)、至少一个镜子(4)、光电二极管(23)和镜元件(11，21)，其特征在于，所述平视显示器还具有光照均化元件(34)，所述至少一个镜子(4)具有镜面(43)，该镜面在至少一个部位处具有孔洞(42)，所述光照均化元件(34)布置在光源(3)和镜子(4)之间，光电二极管(23)布置在来自所述光源(3)并经过所述孔洞(42)的光的光路中。

2.根据权利要求1所述的平视显示器，其特征在于，所述孔洞(42)是在承载所述镜面(43)的基底(44)中的穿孔(41)。

3.根据权利要求2所述的平视显示器，其特征在于，所述穿孔(41)具有在穿孔(41)的方向上变化的横截面。

4.根据上述权利要求中任一项所述的平视显示器，其特征在于，所述穿孔(41)至少在该穿孔的与所述镜面(43)相邻的区域(45)中被镜面化。

5.根据权利要求1所述的平视显示器，其特征在于，所述孔洞(42)由所述镜面(43)中的未镜面化的部位形成。

6.根据权利要求1所述的平视显示器，其特征在于，所述孔洞(42)由位于所述镜面(43)外的反射元件(431-433)形成。

7.根据上述权利要求中任一项所述的平视显示器，其特征在于，所述镜子(4)在来自所述光源(3)的光的光路中布置在光照均化元件(34)之后。