CN112219151B - 具有与场点相关的孔径的用于生成虚拟图像的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于利用扫描的图像生成技术来生成虚拟图像的设备。该设备具有用于产生光线(L1)的至少一个光源(14、14R、14G、14B)、用于生成图像的图像生成单元(1)和用于扩大出射光瞳的光波导(5)。在光波导(5)的耦入区域之前布置有用于实现与场点相关的孔径的光学组件(71)。

Description

具有与场点相关的孔径的用于生成虚拟图像的设备

技术领域

本发明涉及一种用于生成虚拟图像的设备。

背景技术

也称为HUD的抬头显示器理解成如下显示系统，即，在该显示系统中，观察者可保持其视线方向，这是因为使待示出的内容插入到观察者的视野中。虽然这种类型的系统由于其复杂性和成本本来主要使用在航空的领域中，但是该系统目前也大量安装在汽车领域中。

抬头显示器通常由图像发生器、光学单元和镜子单元组成。图像发生器产生图像。光学单元将图像传导到镜子单元上。图像发生器通常也称为图像生成单元或PGU(PictureGenerating Unit)。镜子单元是部分镜反射的、光可透射的玻璃板。因此，观察者同时看到作为虚拟图像的、由图像发生器示出的内容和在玻璃板之后的真实世界。在汽车领域中，挡风玻璃通常用作镜子单元，在显示时必须考虑挡风玻璃的弯曲的形状。通过光学单元和镜子单元的共同作用，虚拟图像是由图像发生器产生的图像的放大展示。

观察者仅仅可从所谓的眼动范围/眼观察区(Eyebox)的位置观察虚拟图像。如下区域被称为眼动范围，即，该区域的高度和宽度相应于理论的视窗。只要观察者的眼睛位于眼动范围之内，虚拟图像的所有元素对于眼睛来说就都是可见的。相反，如果眼睛位于眼动范围之外，则对于观察者来说，仅仅还能部分地看到或者甚至看不到虚拟图像。由此，眼动范围越大，观察者在选择其座位时的限制越少。

传统的抬头显示器的眼动范围的大小受到光学单元的大小的限制。用于增大眼动范围的方案在于，将来自图像生成单元的光耦合到光波导中。被耦合到光波导中的光在光波导的边界面上被全反射，并且由此在光波导内被引导。附加地，在沿着传播方向的多个位置上分别使光的一部分耦出。以这种方式，通过光波导使出射光瞳/出瞳直径扩大。在此，有效的出射光瞳由图像生成系统的孔径的图像组成。

在该背景下，专利申请US 2016/0124223 Al描述了一种用于虚拟图像的显示装置。该显示装置包括光波导，光波导使得来自图像生成单元的通过第一光入射面射入的光重复地经受内部反射，以便在第一方向上运动远离第一光入射面。此外，光波导导致，在光波导中被引导的光的一部分通过第一光入射面的在第一方向上延伸的区域向外离开。显示装置此外包括第一光入射侧的衍射光栅和第一光出射侧的衍射光栅，第一光入射侧的衍射光栅使射在其上的光衍射，以便使得被衍射的光进入光波导中，而第一光出射侧的衍射光栅使从光波导射入的光衍射。

具有全息光波导的用于抬头显示器的典型的图像生成器具有带有以LED为基础的光源的扫描投影仪。在以LED为基础的系统中，通过谱宽度以及多个辐射角度，保证了良好的孔径覆盖。因此，这种类型的系统对于干扰效应、例如所谓的条带效应不太敏感。

为了提高效率并且在功能上扩展具有全息光波导的抬头显示器，宜代替LED将激光器用作光源。然而，将激光器用作光源具有的缺点是，系统的容忍度显著降低。必须特别干净地组装输出孔径，以避免干扰效应。目前，将复杂的系统用于实现用于均匀地被填充的、被组装的孔径的可变孔径。该系统由不同组件组成，并且设计复杂。每个组件都与公差和光损失相联系。此外，系统需要一点本来就有限的结构空间，并且不仅提高抬头显示器的重量而且提高了成本。

发明内容

本发明的目的是，提出一种改善的用于生成虚拟图像的设备，在其中，以简单的方式实现与场点相关的孔径。

该目的通过具有权利要求1所述的特征的设备实现。本发明的优选的设计方案是从属权利要求的主题。

根据本发明的第一方面，用于生成虚拟图像的设备具有：

-用于产生光线的至少一个光源；

-用于生成图像的图像生成单元；以及

-用于扩大出射光瞳的光波导，其中，在光波导的耦入区域之前布置有用于实现与场点相关的孔径的光学组件。

为了实现与场点相关的孔径，光学组件针对射入的光线的不同的入射位置使光线转向到不同的空间角度区域中。此外，光学组件可包含其它光学功能、例如菲涅尔透镜功能。

通过光在光波导中传播，在具有小的孔径的光源中，例如在激光器中，不能通过图像发生部的每个单个的点照亮整个眼动范围。通过根据本发明设置的、为图像发生部的相应区域特别设计的光学组件，局部分辨/分散地产生匹配的孔径。这实现了更均匀地填充光波导的耦出孔径以及进而眼动范围。

根据本发明的一个方面，从光源射出的光线由第一光学元件聚焦到光学组件上。通过聚焦可保证，从光源射出的光线射到光学组件的期望的、空间上限制得很窄的区域上。第一光学元件、例如透镜在此可选地也可减少图像缺陷、例如场曲。

根据本发明的一个方面，第二光学元件使从光学组件出来的光线准直，也就是说通过第二光学元件，使由光学组件形成的发散的光束平行。在此，将空间角度区域转换成空间的孔径面。

根据本发明的一个方面，光学组件具有局部分辨的漫射器功能和透镜功能。光学组件例如可实施成扁平的塑料件，该塑料件相应于用于将射入的光线转向到不同的空间角度区域中的期望的位置函数而具有局部分辨的漫射器功能和透镜功能。

根据本发明的一个方面，光学组件具有衍射的光学元件、全息图或微透镜阵列。在实现成衍射的光学元件或全息图时，漫射器功能和透镜功能相应于期望的位置函数而局部地在全息图中或在衍射结构中编码。在微透镜阵列的情况中，可相应于期望的位置函数使用匹配的可变的透镜距离和焦距。

根据本发明的一个方面，图像生成单元具有微扫描器。根据本发明的技术方案特别好地与这种扫描器相协调，因为通过扫描器保证了在光学组件上射入的光线的位置和所属的入射角度之间的限定的关系。同时，微扫描器能实现特别简单且紧凑的图像生成单元。微扫描器例如可以是MEMS扫描器(MEMS：微机电系统；微系统)。

优选地，根据本发明的设备应用在车辆中、尤其是机动车中。

附图说明

从以下描述和所附的权利要求结合附图可得到本发明的其它特征。其中，

图1示意性地示出了根据现有技术的用于机动车的抬头显示器；

图2示出了具有二维放大的光波导；

图3示意性地示出了具有光波导的抬头显示器；

图4示意性地示出了在机动车中的具有光波导的抬头显示器；

图5示意性地示出了具有图像生成单元、耦入单元和光波导的根据本发明的抬头显示器；

图6示出了布置在耦入单元中的光学组件的工作原理；

图7示意性地示出了根据本发明的抬头显示器的光波导的立体视图；

图8示例性地示出了准直的射线束在光波导中的走向；

图9以比较的方式示出了用于两个不同角度的走向；以及

图10示例性地示出了根据本发明的射线成形。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的原理，接下来根据附图更详细地解释本发明的实施方式。在图中，相同的附图标记用于相同的或功能相同的元件，并且不需要针对每个附图重新描述。应理解的是，本发明不限制在所示出的实施方式上，并且所描述的特征也可组合或修改，而不离开如在所附的权利要求中定义的本发明的保护范围。

首先，应根据图1至图4阐述具有光波导的抬头显示器的基本构思。

图1示出了根据现有技术的用于机动车的抬头显示器的原理图。抬头显示器具有图像发生器1、光学单元2和镜子单元3。射线束SB1从显示元件11离开，该射线束由折叠镜21反射到弯曲的镜子22上，该弯曲的镜子将射线束向镜子单元3的方向反射。镜子单元3在此作为机动车的挡风玻璃31示出。射线束SB2从那里到达观察者的眼睛61的方向。

观察者看到在机动车之外位于发动机罩上方或者甚至位于机动车前方的虚拟图像VB。通过光学单元2和镜子单元3的共同作用，虚拟图像VB是由显示元件11显示的图像的放大展示。在此，以符号示出了限速、当前的车辆速度以及导航指示。只要眼睛61位于通过矩形示出的眼动范围62之内，虚拟图像的所有元素对于眼睛61来说就都是可见的。如果眼睛61位于眼动范围62之外，则虚拟图像VB对于观察者来说仅仅部分可见或者甚至不可见。眼动范围62越大，观察者在选择其座位时的限制越少。

弯曲的镜子22的曲率一方面用于，扩宽光路并且由此确保更大的图像和更大的眼动范围62。另一方面，该曲率补偿了挡风玻璃31的曲率，从而虚拟图像VB相当于由显示元件11示出的图像的放大的再现。弯曲的镜子22借助于支承部221可转动地被支承。由此实现的弯曲的镜子22的转动实现眼动范围22的移动并进而实现眼动范围22的位置与眼睛61位置的匹配。折叠镜21用于，使由射线束SB1经过的在显示元件11与弯曲的镜子22之间的路程很长，并且同时光学单元2仍很紧凑。通过透明的覆盖部23将光学单元2与环境分隔。由此，保护光学单元2的光学元件例如不受位于车辆的内部中的灰尘影响。此外，在覆盖部23上设有光学的薄膜24或者覆层，该薄膜或覆层应防止射入的太阳光SL通过镜子21、22到达显示元件11上。否则的话，可能由于在此情况下出现的发热暂时地或者持续地损害显示元件。为了防止这种情况，例如借助于光学的薄膜24滤除太阳光SL的红外部分。眩目保护部25用于，屏蔽从前方射入的光，从而前方射入的光不被覆盖部23向挡风玻璃31的方向反射，这可能引起观察者的眩目。除了太阳光SL之外，另一干扰光源64的光也可到达显示元件11上。

图2以示意性的空间图示出了具有二维放大的光波导5。在左下区域中，可看到耦入全息图53，借助于该耦入全息图将来自未示出的图像生成单元的光L1耦入到光波导5中。在光波导中，光在图中相应于箭头L2向右上方传播。在光波导5的该区域中，具有折叠全息图51，该折叠全息图类似于多个先后布置的半透性的镜子那样作用，并且产生在Y方向上变宽的、在X方向上传播的光束。这通过三个箭头L3示出。在光波导5的在图中向右延伸的部分中具有耦出全息图52，该耦出全息图同样与多个先后布置的半透性的镜子类似地作用，并且使通过箭头L4示出的光在Z方向上向上从光波导5中耦出。在此进行在X方向上的变宽，从而原始的射入的光束L1作为在两个尺寸中被放大的光束L4离开光波导5。

图3以空间图示出了具有三个光波导5R、5G、5B的抬头显示器，光波导彼此上下叠置并且每个光波导分别代表一个基本色红、绿和蓝。这些光波导共同形成光波导5。在光波导5中存在的全息图51、52、53与波长相关，从而各一个光波导5R、5G、5B用于基本色之一。在光波导5之上示出了图像发生器1和光学单元2。光学单元2具有镜子20，借助于镜子使由图像发生器1产生的且由光学单元2形成的光转向到相应的耦入全息图53的方向。图像发生器1具有用于三个基本色的三个光源14R、14G、14B。可看出，整个所示出的单元具有比其射出光的面小的总高度。

图4示出了与图1类似的在机动车中的抬头显示器，然而在此以空间图示出并且具有光波导5。可看出示意性地示出的图像发生器1，该图像发生器产生平行的射线束SB1，该射线束借助于镜平面523耦合到光波导5中。为简单起见，未示出光学单元。多个镜平面522分别将射到其上的光的一部分向挡风玻璃31、即镜子单元3的方向反射。由镜子单元将光向眼睛61的方向反射。观察者在发动机罩上方或在机动车前方更远的距离中看到虚拟图像VB。

图5示意性地示出了具有图像生成单元1、耦入单元80和光波导5的根据本发明的抬头显示器。在该示例中，使用具有光源14和微扫描器73的图像生成单元1。光源14由至少一个激光器组成，但是最多由四个用于不同波长范围的激光器组成。例如，激光器可实现RGBY光源，并且由此辐射出红色的、绿色的、蓝色的和黄色的光。在图5中示出了用于红色的、绿色的和蓝色的光的光源14R、14G、14B。这三个光源14R、14G、14B分别在时间上对其强度进行调制。光源14的光L1通过镜组74聚焦到微扫描器73的在至少一个方向上振荡的镜子730上。在此，优选地，使用具有小于1.5mm的直径的光束腰。相应于其振荡，镜子730将光L1转向到用于光波导5的耦入单元80上。根据一种有利的变型方案，在微扫描器73和耦入单元80之间存在有第一光学元件70，该第一光学元件将光L1聚焦到耦入单元80的光学组件71上，并且在此可选地使图像缺陷最少，例如减少场曲。

除了光学组件71外，耦入单元80还包括光波导5的耦入全息图53和第二光学元件72。针对不同入射位置，光学组件71将射入的光线L1转向到不同的空间角度区域中。第二光学元件72对由光学组件71形成的发散的光束进行准直。在此，将相应的空间角度区域转换成空间的孔径面。耦入全息图53将射入的被准直的光耦入到光波导5中。由此，光波导5的耦入单元80将以一角度射入的光线L1转换成在光波导5的材料中传播的光线。为了示出图像内容，相应于振荡来控制光线L1的强度的时间上的调制。

图6示出了布置在耦入单元中的光学组件71的工作原理。被微扫描器偏转的光线L1_1、L1_2在至少一个空间方向上相应于镜子的振荡以限定的角度-位置关系射到光学组件71上。对于射入的光线L1_1、L1_2的不同入射位置，其填充不同的空间角度区域。示例性地示出了从在一限定的角度下射入的进入的光线L1_1、L1_2到可能在另一角度下射出的、具有特定的孔径的离开的光线L1_1'、L1_2'的转换。此外，光学组件71可包括其它的光学功能、例如菲涅尔透镜功能。光学组件71例如可实施成扁平的塑料件，该塑料件相应于用于将射入的光线L1_1、L1_2转向到不同的空间角度区域中的期望的位置函数而具有局部分辨的漫射器功能和透镜功能。

根据一种实施方式，光学组件71具有衍射的光学元件、全息图或微透镜阵列。在实现成衍射的光学元件或全息图时，漫射器功能和透镜功能相应于期望的位置函数局部地在全息图中或在衍射结构中编码。在微透镜阵列的情况中，可相应于期望的位置函数使用匹配的可变的透镜距离和焦距。

图7示意性地示出了根据本发明的抬头显示器的光波导5的立体视图。可看出，在不同的角度下耦入到光波导5中的光线L1_1'、L1_2'填充不同的特定的孔径A1、A2。通过光在光波导5中的传播，在具有小孔径的激光器光源中，向来不能实现通过由扫描器产生的每个单个的点照亮整个眼动范围。通过为图像发生部的相应区域特定设计的根据本发明的光学组件，以局部分辨的方式产生匹配的孔径A1、A2。这实现了更均匀地填充光波导5的耦出孔径以及进而眼动范围。

图8示意性地示出了被准直的射线束在光波导中的走向。在所描述的抬头显示器中，通常力求在所描述的抬头显示器的输出孔径后方很远的距离(以米为单位进行测量)处展示虚拟图像。优选地，该展示位于机动车前部的机动车散热器上方或者(尤其是对于增强现实应用来说)在车辆前方更远的距离处。用于实现图像耦入的特殊特征的一种方式借助图7来阐释。在具有光波导技术的抬头显示器中，通过图像生成单元1的镜组将图像发生器上的像素(图像点a)转换成具有投影宽度b(孔径)和角度α的被准直的束。如果观察者的眼睛61位于耦出区域中，则在将眼调节到远方时，在观察者的眼睛中产生与a对应的成像点a'。通过在借助于全反射进行光传播时的镜反射和通过光栅的逐步耦出，多次地复制图像生成单元1的镜组的孔径。在此，耦出重复的周期g与玻璃厚度d和束在波导中传播的角度相关。本发明的一个目的是，通过图像生成单元1的镜组的孔径的镜反射的接连排列，实现尽可能均匀地照亮输出孔径，以避免图像再现的缺陷、如条纹。为此，应控制间隙z＝g-b，即，在最简单的示例中消除该间隙(z＝0)。在这种情况中，力求的是b＝g。

通过在光波导5中的传播角度，周期g与场点相关。图9以比较的方式针对两个不同角度α示出了被准直的光束的走向，左图用于比右图更大的角度。要指出的是，光线L1_1、L1_1'、L1_2、L1_2'分别形成光线的伸展的/膨胀的组。该组也被称为光束。该光束具有一定的宽度。

在本发明中，尽可能均匀的照亮通过射线成形来实现。在图10的示例中，假设射线束具有直径d1，该射线束例如以微扫描器扫描像场/图像域。在此，到达具有焦距f1的第一光学元件的平面上的入射角度ε1变化，该焦距将(射线)束聚焦到光学组件的小的区域中。在此，到该光学组件上的入射点直接与ε1并且进而与场点相关。而张角α通过d1给出，这两者的前提是固定的f1。现在，利用光学组件、例如光学的微结构，可使射入的束偏转并且加宽。也就是说，对于每个入射区域，可单独地确定射入的光所分布的角度区域γ的大小(只要γ≥α)以及光的取向δ。具有焦距f2的第二光学元件再次将光转换成被准直的束，该被准直的束的直径d2通过γ确定，并且角度ε2通过在光学组件上的位置来确定。由此，可为光学组件针对每个ε2调节出合适的d2以及进而有效地调节b，从而可实现b＝g。通过δ可控制出射孔径的长度，这有利于对于每个场点同时到达耦入光栅。通过有效焦距的比例，可实现角度区域的转换，即，从一给定的扫描角度产生系统的期望的像场。

当使用其它图像生成技术时，也是同样的工作原理。在SLM、例如DMD(数字微镜器件)投影仪成像时，第一光学元件例如典型地是投影仪的组成部件。由于光学组件平行于DMD中间图像平面，偏转作用被称为透镜功能，而加宽被称为漫射器功能。

Claims (6)

1.一种用于生成虚拟图像(VB)的设备，该设备具有：

-用于产生光线(L1)的至少一个光源(14、14R、14G、14B)；

-具有微扫描器(73)的用于生成图像的图像生成单元(1)；

-用于扩大出射光瞳的光波导(5、5R、5G、5B)；以及

-在光波导(5、5R、5G、5B)的耦入区域之前布置的、用于实现与场点相关的孔径的光学组件(71)，该光学组件被设定成，对于射入的光线(L1)的不同入射位置，将光线(L1)转向到不同的空间角度区域中，使得以局部分辨的方式产生匹配的孔径，从而能更均匀地填充光波导的耦出孔径以及进而眼动范围，其中，所述光学组件(71)具有微透镜阵列，该微透镜阵列具有相应于局部分辨的漫射器功能和透镜功能而可变的透镜距离和焦距。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，从图像生成单元(1)出来的光线(L1_1、L1_2)由第一光学元件(70)聚焦到所述光学组件(71)上。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，第一光学元件(70)减少图像缺陷。

4.根据权利要求2或3所述的设备，其中，第二光学元件(72)使从所述光学组件(71)出来的光线(L1_1'、L1_2')准直。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，光源(14、14R、14G、14B)是激光器。

6.一种车辆，其具有根据权利要求1至5中任一项所述的设备以用于为车辆的驾驶员生成虚拟图像(VB)。