CN110709753A - 用于在车辆中投射显示信息的显示装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种显示装置(10)，配置为在具有仪表板(81)和前窗(82)的车辆(80)的用户(1)的视野中投射显示信息，所述显示装置包括适于产生携带显示信息的光场(2)的成像设备(20)、布置在用户(1)的视野(4)下方并适于偏转光场(2)到前窗(82)以及适于生成在用户(1)的视野(4)中生成显示信息的虚像(3)的全息设备(30)、以及用于控制成像设备(20)的控制设备(40)，所述全息设备(30)配置用于当所述成像设备(20)设置在全息设备(30)的上方并且在全息设备(30)的面向用户(1)的视野(4)的一侧时生成所述虚像(3)，还描述了一种用于在车辆(80)的用户(1)的视野中投射显示信息的方法。

Description

用于在车辆中投射显示信息的显示装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于车辆的显示装置(平视显示器)，特别是一种用于通过采用全息设备在车辆用户的视野中投射显示信息的显示装置。此外，本发明涉及一种用于在车辆用户的视野中投射显示信息的方法以及设置有该显示装置的车辆。给出了本发明的应用，其尤其在车辆技术中，例如，用于运输人员和/或货物的机动车或铁路车辆或飞机或水上运输工具。

背景技术

用于在机动车中的驾驶员视野中显示信息的平视显示器通常是已知的。传统的平视显示器通常包括投影仪和成像光学器件形式的成像设备。投影仪创建一个光场，其携带要呈现的信息。利用成像光学器件，光场被投射到驾驶员的视野中，使得在车辆挡风玻璃的背离驾驶员的一侧产生虚像，使得驾驶员能够在不疲劳的情况下读取信息。

成像光学器件可以用光学透镜和反射镜构造，但是因为高成本(自由形式光学器件的形成)、所需空间和成像光学器件的重量，这具有缺点。因此，提出用全息图代替光学透镜和反射镜，如EP 286 962 A2所述，如图3(现有技术)所示。根据图3，传统的平视显示器10'包括投影仪20'和全息图31'、32'，它们布置在投影仪20'上方的车辆80'的仪表板81'中。利用全息图31'、32'，投影仪20'的光场在前窗82'的背离驾驶员1'的一侧显示为显示信息的虚像3'。

全息图31'、32'减少了具有光学透镜和反射镜的传统成像光学器件的缺点，因为全息图31'、32'可以设计为具有低重量和空间要求的短焦距光学器件。然而，缺点是全息图31'、32'必须根据车辆80'中的几何条件来配置，例如，挡风玻璃82'的曲率。这意味着对于每种车辆类型，需要具有适合于车辆类型的特定特征的平视显示器10'的单独配置，这对传统平视显示器的成本造成负面影响。另一个问题是仪表板中的空间通常是有限的，因此即使使用全息图，将平视显示器集成到仪表板中也是一个设计挑战。此外，只有有限的通道进入仪表板中的平视显示器，因此几乎不可能进行重新调整，例如将其调整到驾驶员的头部高度。

从DE 100 36 570 A1中已知一种用于车辆的显示装置，其包括在驾驶员上方的投影单元和用于显示或产生由投影单元产生的真实图像的显示表面。显示表面可以具有反射微结构，例如，具有用于定向光偏转的棱镜或锯齿形状。微结构会对图像质量产生负面影响。

基于全息图的平视显示器的另一个普遍问题是它们的温度敏感性。例如，机动车中的温度可以在很宽的范围内变化，例如，高达80度。然而，全息图的衍射特性以及因此成像光学器件的成像特性可以根据环境温度而改变，因此极端的温度波动可能导致显示干扰。此外，全息图需要使用激光投影仪，其中发射波长的漂移可以作为工作温度的函数而发生。

这些问题不仅发生在机动车的平视显示器中，而且还发生在诸如飞机或船舶的其他应用中。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的显示装置，它避免了传统技术的缺点。特别地，显示装置应该具有简化的设计，避免对车辆安装的限制，允许改装车辆和/或改善图像质量，特别是独立于环境和/或工作温度和/或环境光。本发明的进一步目的是提供一种用于在车辆用户的视野中投射显示信息的相应改进的方法和一种具有显示装置的车辆，其避免了传统技术的缺点。

这些目的通过显示装置、用于在车辆的用户的视野中投射显示信息的方法以及具有独立权利要求的特征的车辆来解决。本发明的有利实施例和应用由从属权利要求得出。

根据本发明的第一总体方面，上述目的通过一种显示装置解决，该显示装置配置为在具有仪表板和透明屏幕(例如前窗)的车辆用户的视野中投射显示信息。该显示装置包括用于产生光场的成像设备，用于将光场偏转到透明屏幕并用于在车辆外部产生虚像的全息设备，以及用于控制成像设备的控制设备。利用控制设备控制成像设备，使得产生的光场携带要呈现的信息(显示信息)。成像设备配置成产生单色或多色光场。全息设备包括至少一个光学全息图，该光学全息图配置为放置在用户视野下方的区域中，特别是位于用户视线方向上的透明屏幕部分下方。在车辆中，全息设备位于挡风玻璃下方。视野是车辆在操作时用户视线所指向的立体角范围。通常，用户是驾驶员(或飞行员或船长)。然而，显示装置也可以配置用于其他人，例如车辆中的前排乘客。显示装置以这样的方式形成有全息设备：包含显示信息的真实中间图像被重引导到透明屏幕以在车辆外部产生虚像。优选地，全息设备包括光滑(几何非结构化)层，特别优选地包括多个子层，其中光学全息图由层材料(相位体积全息图)中的折射率差异形成。有利地，由于这个原因，实现了高图像质量。

根据本发明，全息设备以这样的方式形成：当成像设备布置在全息设备的面向用户视野的一侧时产生虚像。全息设备形成为使得当成像设备处于根据全息设备上方的车辆中的布置的位置时，在用户的视野中生成虚像。在车辆中，成像设备布置成使得光场从上方指向全息设备。成像设备布置在全息设备上方，特别是在至少一个全息图的平面范围之上。

从上面照射全息设备的优点是它避免了传统显示装置的许多限制，例如图3中所示的那些。这意味着显示装置不必安装在车辆的仪表板内。成像设备和全息设备可以以节省空间的方式位于仪表板外部。这简化了显示装置在车辆中的安装或者具有显示装置的车辆改装。

根据本发明的优选实施例，全息设备形成为使得当成像设备布置在车辆仪表板上方的车辆中时产生虚像。有利地，在车辆中，尤其是在机动车中，存在将成像设备布置在用户的视野之外的各种可能性，例如，在车顶区域或例如A柱。特别优选的是本发明的一个实施例，其中成像设备适于定位在车辆的后视镜单元上，特别是用于集成到后视镜单元中。后视镜单元位于车辆的内部空间中，通常位于仪表板上方的中间。当成像设备位于后视镜单元处时，光场优选地从上方的区域指向全息设备，并且相对于用户头部前方和侧方的观察方向。有利的是，在后视镜单元处有足够的空间用于安装成像设备，并且如果需要，还有图像高度调节设备。

根据本发明的另一个优选实施例，成像设备是投影仪设备，其具有布置成产生光场的投影仪，并且具有中间屏幕，该中间屏幕配置为产生由投影仪设备发射的光场的真实中间图像。投影仪最好是激光投影仪。中间屏幕可以包括例如具有全向辐射特性的磨砂玻璃(漫射屏)。由于漫射屏的简单结构和低成本，该变型提供了优点。或者，中间屏幕可以包括具有定向辐射的全息图，尤其是透射或反射全息图。在这种情况下，来自真实中间图像的光被引导到全息设备，这对由显示装置产生的图像的亮度和由投影仪产生的光场的利用具有有利影响。例如，可以使用具有相对低光输出而不影响所显示的虚像的亮度的投影仪。漫射屏或屏幕间全息图可以是平坦的或弯曲的。选择曲率使得可以补偿可能由全息图和观察屏幕处的反射引起的光场的任何后续失真。

根据本发明的一个替代实施例，成像设备包括一个液晶屏，其布置成产生光场，具有窄带、单色或多色背光源。液晶显示器布置成显示表示光场的真实图像。以这样的方式选择窄带背光：全息设备实现虚像的定向聚焦生成。背光源包括例如激光背光源。

全息设备优选地包括反射全息光学元件(HOE)，其形成倾斜的离轴凹面镜。在HOE中，镜面功能的光学平面可以与物理全息图平面有利地不同。特别地，提供了至少一个表示离轴镜的相位体积全息图。发明人已经发现，传统的平视显示器全息图的缺点在于它们仅执行纯光学功能并且替换传统成像光学器件的相应反射镜或透镜部件。根据本发明，单个全息设备足以用于光偏转，其形成凹面镜，例如抛物面或椭圆形的凹面镜。有利地，可以仅根据投影仪设备的光场的形状、成像设备的位置和所需虚像在用户视野中的位置配置相位-体积全息图，并且与仪表板和前窗的形状无关。这允许显示装置独立于车辆类型设计，这对其成本具有有利影响。

全息设备可以包括单个宽带RGB全息图。在这种情况下，全息设备的简单结构具有优点。或者，全息设备可以包括几个窄带全息图的堆叠，每个全息图设计用于不同的波长。利用该变型，对于图像质量可以具有优势，尤其是显示信息的虚像的颜色质量。

根据本发明的另一优选实施例，全息设备形成为用于在车辆仪表板的表面上的暴露布置。例如，全息设备直接附接到仪表板的表面或者设置有附接到仪表板的表面的支撑件。

有利地，全息设备可包括至少一个平坦或弯曲的全息图。例如，弯曲的全息图可以适应仪表板的外部形状。此外，全息图的载体可以是平坦的或弯曲的。

如果根据本发明的另一个优选实施例全息设备具有抗反射表面，则可以有利于防止全息设备处的干涉反射。全息设备可以例如在面向仪表板上方半空间的一侧具有保护层，例如由透明塑料或玻璃制成，保护层的表面具有例如抗反射涂层。

根据本发明的另一个优选实施例，显示装置设有温度传感器设备，用于检测全息设备的温度，由此温度传感器设备与控制设备耦合。在本发明的该实施例中，控制设备设计成根据全息设备检测的温度控制成像设备。尤其优选地以这样的方式控制成像设备：光场依赖于检测到的温度发生变化，特别是移动和/或变形，从而补偿显示信息的虚像中的温度依赖性变化。有利地，这导致无失真的图像再现，而与全息设备的温度无关。

有利地，温度传感器设备还能够检测全息设备的全息图层的收缩，例如通过在显示装置的使用寿命期间改变聚合物结构。全息图层的收缩会像温度变化一样影响虚像，因此可以通过控制设备进行补偿。

有利地，使用温度传感器设备测量全息设备的温度存在不同可能性。例如，温度传感器设备可以具有热电偶，用该热电偶可以直接测量全息设备的温度，或者可以测量紧邻全息设备的温度。或者，温度传感器设备可具有光学传感器，其根据全息设备的至少一种衍射特性测量全息设备的温度。

根据本发明的另一个特别有利的实施例，显示装置设置有用于检测成像设备的至少一个发射波长的波长传感器设备，波长传感器设备耦合到控制设备。控制设备设计成依赖于成像设备的至少一个检测到的发射波长来控制成像设备。控制设备可用于控制成像设备，使得补偿全息设备和任选的中间屏幕偏转方向的波长依赖性变化，并且不改变生成虚像。由成像设备产生的光场移动和/或变形，使得预定的白色像素出现在预定位置。换句话说，利用控制设备，像素布置成使得所考虑的像素看起来是白色的。有利的是，波长传感器设备允许通过控制设备的作用来检测和补偿成像设备的发射波长中的漂移，这取决于投影仪或激光背光源的工作温度和/或老化。

当以全息图的形式使用上述中间屏幕时，波长感测设备优选地包括用于感测中间屏幕的衍射方向的光学传感器。投影仪设备的一部分光场的衍射方向可以通过直线或区域CCD芯片检测到。中间屏幕衍射方向的变化立即提供关于投影仪设备发射波长变化的信息。或者，波长传感器设备可以设置在全息设备上。

波长传感器设备(特别是直线或区域CCD芯片)、成像设备和控制设备的组合配置为检测投影仪设备的至少一个发射波长并校正成像设备发射的光场，该组合不仅对于根据本发明的显示装置是有利的，而且对于用于生成虚像的其他应用的投影仪的控制也是有利的，例如在游戏设备中。因此，即使没有显示装置的其他特征，具有本说明书中公开的特征的波长传感器设备、成像设备和控制设备与组合也被认为是本发明的另一个独立主题。

根据本发明的另一有利实施例，显示装置设置有图像高度调节设备，用于根据车辆用户的头部高度校正虚像。图像高度调节设备设计例如用于调节全息设备在成像设备的光场中的位置和/或取向和/或用于调节成像设备相对于全息设备的位置和/或取向。通过驱动图像高度调节设备，例如，利用可手动操作的驱动器，用户可以根据他的意愿调整虚像的位置。

根据本发明的第二总体方面，通过在车辆用户的视野中投射显示信息的方法解决了上述目的，其中携带显示信息的光场由成像设备产生，并且通过全息设备偏转到车辆的窗罩，从而在用户的视野中生成显示信息的虚像。根据本发明，光场在全息设备上方产生并从上方指向全息设备，即朝向地面。优选地，利用根据本发明第一总体方面的显示装置执行该方法。

根据本发明方法的一个优选实施例，检测全息设备的温度，并根据检测到的温度控制成像设备。有利地，这允许补偿虚像的温度相关移动。

根据本发明方法的另一有利实施例，检测成像设备的至少一个发射波长，并且依赖于检测到的发射波长来控制成像设备。有利的是，这补偿了发射波长随成像设备工作温度的移动，并提高了虚像的图像质量。

根据本发明的第三总体方面，通过具有根据本发明第一总体方面的显示装置的车辆解决了上述目的。有利地，本发明可以用不同类型的车辆实现。优选地，车辆包括机动车或飞机或船只(船舶)。

附图说明

下面参考附图描述本发明的进一步细节，附图显示在：

图1：从车辆驾驶员的角度看，根据本发明的显示装置的优选实施例的示意性透视图；

图2：示意性侧视图，其中示出了本发明的显示装置的优选实施例的光束路径；并且

图3：传统显示装置(现有技术)的示意性剖视图。

具体实施方式

下面示例性参考机动车中的应用描述本发明，其中使用显示装置在其视野中将显示信息呈现给机动车的驾驶员。本发明不限于在机动车中使用，而是还可以用在例如飞机或船舶中。这里特别参考全息设备和成像设备的布置以及用于生成显示信息的虚像的光路来描述本发明的特征。没有描述全息设备的制造和全息图产生的细节，因为这些本身是现有技术中已知的。

根据图1和2，本发明的显示装置10的优选实施例包括成像设备20和全息设备30，它们布置在车辆80的驾驶室中。成像设备20连接到控制设备40，控制设备40包括例如计算机电路和/或集成到车辆电子装置中。图1和2示意性地示出了仪表板81和前窗82的一部分以及车辆80的方向盘83。

为了在驾驶员1的视野2中投射显示信息，携带显示信息的光场2与成像设备20从上方引导到全息设备30上并与其偏转到驾驶员1的视野2中的前窗82，使得在前窗82的外部生成显示信息的虚像3。

成像设备20包括如图1示意性所示的激光投影仪21，例如RGB激光投影仪(例如Pico投影仪类型)，其包含激光源，尤其是激光二极管，具有在红色、绿色和蓝色光谱范围内三种不同的发射波长。激光源由控制单元40控制，使得由激光投影仪21产生的光场2代表要显示的信息，例如，彩色图像和/或文本内容。激光投影仪21连接到控制设备，该控制设备提供要显示的图像的显示信息。

此外，成像设备20包括中间屏幕22，例如，以透射全息图的形式，中间屏幕22以引导的方式将光场2从上方引导到全息设备30上。中间屏幕22的透射全息图例如是宽带RGB全息图或几个窄带全息图的堆叠，设计用于红色、绿色和蓝色光谱范围内的各个发射波长。

根据本发明的替代实施例，成像设备包括一个液晶屏，适于产生具有窄带背光源(未示出)的光场2。在该实施例中，投影仪21由背光源代替，中间屏幕22由液晶屏代替。在这种情况下，液晶屏从控制器接收要显示的图像的显示信息。

全息设备30布置在仪表板81的上侧，并且它包括堆叠结构，例如，具有作为载体层的薄膜载体，包含用于偏转光场和用于产生虚像3的相位体积全息图的全息图层，以及用于保护全息设备和作为全息设备的抗反射涂层的覆盖层。各个层可以例如由透明塑料和/或玻璃制成。全息图层通常是塑料层，其刻有全息图。

全息设备30的全息图层包括反射全息图。其任务是在挡风玻璃上的中间屏幕22上对成像设备20的中间图像进行成像，使其准确地反射到驾驶员1的眼睛方向。然而，光只能朝头部的方向发射，以便尽可能少的光通过。因此，全息图几何形状取决于成像设备的位置、驾驶员的头部和挡风玻璃的几何形状。驾驶员1的头部的位置由“眼箱”5(具有平均身高的驾驶员1的眼睛所在的区域)表示。基于这些参数，使用本身已知的程序计算反射全息图的衍射光栅几何形状。为了在全息图层中产生计算出的光栅结构，全息膜材料以具有预定波长的激光的相干的和几何上相应形状的波前曝光。曝光以本身已知的方式进行，优选在无振动的光学平台上进行。

全息设备30的尺寸确定了驾驶员1的视野中的虚像3的尺寸，并且根据本发明的具体应用相应地选择。全息设备30的形状可以是凸面或平坦的，从而任选地在仪表板81的表面和全息设备30之间提供支撑，以适应仪表板81的表面形状。另外，如图2中示意性所示，全息设备30可以设置有不透明的阻挡屏31，其设置在全息设备30和前窗82的内部之间。阻挡屏31配置为避免从全息设备30到前窗82的不必要的直接反射。

全息设备30的全息图配置为使得在用户1的视野4中的前窗82的外部生成虚像3。为了避免由于全息设备30的温度和/或成像设备20的操作温度变化引起的图像误差，本发明的显示装置10设置有温度传感器设备50和/或波长传感器设备60(在图1中示意性地示出)。温度传感器设备50，例如热电偶，测量全息设备30的温度。基于温度传感器设备50的输出信号，控制设备40控制成像设备20，使得补偿虚像3的温度相关位移。

波长传感器设备60包括设置在中间屏幕22下游的CCD芯片，利用其在中间屏幕22的透射全息图上检测到光场2的一部分，例如真实中间图像中的单个像素。利用控制设备40，成像设备20的光场2以CCD芯片在期望的目标位置处检测所考虑的像素的方式移动。

图2还示意性地示出了与成像设备20耦合的可选图像高度调节设备70。使用图像高度调节设备70，成像设备20可以以这样的方式移动：虚像3在驾驶员1的视野4(对应于他的“眼箱”5)中以所需的观察高度呈现。例如，通过移动成像设备20来实现图像高度的调节。例如，成像设备20可在后视镜单元84的轨道上位移，图像高度调节设备70可设计为在轨道上手动位移成像设备20。

在以上描述、附图和权利要求中公开的本发明的特征可以与单独地或组合地或子组合地以各种形式实现本发明相关。

Claims (20)

1.显示装置(10)，配置为在具有仪表板(81)和前窗(82)的车辆(80)的用户(1)视野中投射显示信息，包括：

成像设备(20)，适于产生携带显示信息的光场(2)；

全息设备(30)，其布置在用户(1)的视野(4)下方，适于将光场(2)偏转到前窗(82)并用于在用户(1)的视野(4)中生成显示信息的虚像(3)；以及

控制设备(40)，适于控制成像设备(20)；

其特征在于：

所述全息设备(30)配置用于当所述成像设备(20)布置在所述全息设备(30)上方时和在所述全息设备(30)面向用户(1)的视野(4)的一侧上时生成虚像(3)。

2.根据权利要求1所述的显示装置，其中，

所述全息设备(30)配置用于利用所述成像设备(20)在车辆(80)的仪表板(81)上方的布置来生成虚像(3)。

3.根据前述权利要求之一所述的显示装置，其中，

所述全息设备(30)配置用于利用所述成像设备(20)在车辆(80)的后视镜单元(84)上的布置来生成虚像(3)。

4.根据前述权利要求之一所述的显示装置，其中，

成像设备(20)包括投影仪设备，所述投影仪设备包括投影仪(21)，所述投影仪(21)布置成用于产生光场(2)，所述投影仪设备还包括中间屏幕(22)，所述中间屏幕(22)配置为产生由投影仪(21)发射的光场(2)的真实中间图像。

5.根据权利要求4所述的显示装置，其中，

所述中间屏幕(22)包括全息图，所述全息图形成为用于将光场(2)从投影仪设备(20)定向地引导到所述全息设备(30)。

6.根据权利要求1至3中之一所述的显示装置，其中，

所述成像设备(20)包括适于产生光场(2)的液晶屏，所述液晶屏设有窄带背光。

7.根据前述权利要求之一所述的显示装置，其中，

所述全息设备(30)包括形成倾斜的离轴镜的反射全息光学元件。

8.根据权利要求7所述的显示装置，其中，

所述全息设备(30)包括表示离轴镜的至少一个相位体积全息图。

9.根据前述权利要求之一所述的显示装置，其中，

所述全息设备(30)包括宽带RGB全息图或适用于不同波长的多个窄带全息图的堆叠。

10.根据前述权利要求之一所述的显示装置，其中，

所述全息设备(30)配置用于在车辆(80)的仪表板(81)的表面上的暴露布置。

11.根据权利要求10所述的显示装置，其中，

所述全息设备(30)配置用于直接布置在车辆(80)的仪表板(81)上。

12.根据前述权利要求之一所述的显示装置，其中，

所述全息设备(30)具有抗反射表面。

13.根据前述权利要求之一所述的显示装置，其中，包括：

温度传感器设备(50)，所述温度传感器设备(50)适于检测全息设备(30)的温度并且耦合到控制设备(40)，控制设备(40)适于根据检测到的全息设备(30)的温度来控制成像设备(20)，使得由成像设备(20)产生的光场(2)根据检测到的温度移动和/或变形，并且补偿显示信息的虚像(3)中的温度相关变化。

14.根据权利要求13所述的显示装置，其中，

所述温度传感器设备(50)适于根据全息设备(30)的至少一个衍射特征来检测温度。

15.根据前述权利要求之一所述的显示装置，包括：

波长传感器设备(60)，所述波长传感器设备(60)适于检测成像设备(20)的至少一个发射波长并且与控制设备(40)耦合，其中，

控制设备(40)适于根据检测到的成像设备(20)的至少一个发射波长来控制成像设备(20)，使得由成像设备(20)产生的光场(2)根据检测到的至少一个发射波长移位和/或变形，并且补偿全息设备(30)的衍射方向的波长相关变化。

16.根据前述权利要求之一所述的显示装置，包括：

图像高度调节设备(70)，所述图像高度调节设备(70)设置用于使虚像(3)的位置适应用户(1)的头部高度。

17.一种用于在车辆(80)的用户(1)的视野中投射显示信息的方法，包括以下步骤：

利用成像设备(20)产生携带所述显示信息的光场(2)；并且

在用户(1)的视野中将光场(2)偏转到车辆(80)的前窗(81)，并利用全息设备(30)在前窗(81)的背离用户(1)的一侧产生显示信息的虚像(3)，其中全息设备(30)布置在用户(1)的视野下方的区域中；

其特征在于：

成像设备(20)在全息设备(30)上方并且位于全息设备(30)的面向用户(1)的视野的一侧上。

18.根据权利要求17所述的方法，包括以下步骤：

记录全息设备(30)的温度；并且

根据检测到的全息设备(30)的温度控制成像设备(20)。

19.根据权利要求17或18的方法，包括以下步骤：

检测成像设备(20)的至少一个发射波长；并且

根据检测到的投影仪设备(20)的至少一个发射波长控制成像设备(20)。

20.车辆(80)，所述车辆(80)设置有根据权利要求1至16之一所述的显示装置(10)。

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