CN112673297B - 用于机动车辆驾驶员的平视显示系统的投影设备及对应的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种投影设备(1)，该设备包括：生成具有设定的主方向(15)的照明光束的至少一个装置(2)；将由生成装置(2)生成的照明光束的光散射成散射的光束的构件；以及具有两个相对的面的平坦的成像屏幕(4)，入射面接收散射的光束，而相对的出射面产生设定的主方向(16)的显示光束；该散射光的构件由在生成装置(2)的出口与成像屏幕(4)之间放置的平坦的漫射器(3)构成。根据本发明，漫射器(3)平行于成像屏幕(4)并且施加为抵靠成像屏幕(4)的入射面，漫射器(3)和成像屏幕(4)相对于由生成装置(2)生成的照明光束的主方向(15)倾斜，并且漫射器(3)的光散射指示量对于与由生成装置(2)生成的照明光束的主方向(15)对准的方向具有最大值。还呈现了一种包括该设备的平视显示系统。

Description

用于机动车辆驾驶员的平视显示系统的投影设备及对应的 系统

技术领域

本发明总体上涉及机动车辆的驾驶辅助的领域。本发明更特别地涉及旨在用于机动车辆驾驶员的平视显示系统的投影设备以及对应的系统。

背景技术

为了使驾驶机动车辆更容易且更安全，期望避免驾驶员不得不将他们的视线从他们正在行驶的道路上转移。

为此，已知使用允许平视显示的平视显示系统，该平视显示系统设计为与驾驶员的视线平齐地投影信息(车辆的速度、要采取的方向等)以便辅助他们进行驾驶。为此，在平视显示系统中实现投影该信息的设备。

该投影设备主要包括生成光束的装置和成像屏幕。总体而言，折叠反射镜用于将由投影设备产生的图像反射到与驾驶员在驾驶时的视线平齐地布置的部分反射板。可以将折叠反射镜合并到投影设备中。

已知的系统遇到的一个问题是难以实现投影的信息的均匀照明。此外，还必须避免自外部光源、离开平视显示系统且特别是其投影设备的光学元件的杂散反射。在这些外部光源之中，太阳光可能以某些角度被投影设备的光学元件反射并且损害驾驶员和对投影的信息的读取。

本发明可以通过提出投影设备的光学元件的特定布置来解决这些问题。

发明内容

因此，根据本发明提出一种投影设备，该投影设备至少包括：

-生成具有确定的主方向的照明光束的装置，

-将由生成装置生成的照明光束的光散射成散射的光束的构件，以及

-平坦的成像屏幕，包括两个相对的面，输入面接收散射的光束，相对的输出面产生具有确定的主方向的显示光束，

光散射构件由在生成装置的输出与成像屏幕之间布置的平坦的漫射器组成。

根据本发明，漫射器平行于成像屏幕，漫射器和成像屏幕相对于由生成装置生成的照明光束的主方向倾斜，并且对于与由生成装置生成的照明光束的主方向对准的方向，漫射器的光散射指示量具有最大值。

由于光学散射指示量与照明光束的主方向对准，因此优化系统的光学效率，而漫射器和成像屏幕的部分可以倾斜和平行(或者甚至相互压靠)，从而可以避免在由平视显示系统产生的虚拟图像中观看到杂散图像。

理解的是，在本发明的上下文中，术语“上游”、“下游”或“输入”、“输出”或它们的等同物(指示各种光学构件沿着光路的位置)基本上参考光从生成光束的装置的光源沿着光路朝向驾驶员的传播方向而确定。

根据本发明的设备的其他非限制性和有利的特征(单独地或技术上可以组合地采用)如下：

-漫射器是平坦的且包括平坦且彼此平行的相对的主面，

-成像屏幕是平坦的且包括平坦且彼此平行的相对的主面，

-成像屏幕是透射式的，

-漫射器由模制或注入塑料制成，

-漫射器由选自聚丙烯酸酯和聚碳酸酯的塑料制成，

-漫射器被施加为抵靠成像屏幕的输入面，

-通过均匀厚度的材料的块施加漫射器以抵靠成像屏幕的输入面，材料的块被夹置在漫射器与成像屏幕之间，

-材料的块选自均质或非均质材料的块，

-材料的块由均质的透明塑料构成，

-材料的块由彼此平行且垂直于块的两个平行面的光纤的网络构成，以便形成准直的光导，

-生成照明光束的装置包括由中空和内反射管构成的反射器，

-反射器包括靠近光源的上游端和与其相对的下游端，

-反射器在生成照明光束的装置的输出处形成与照明光束的主方向相比发散度减少的照明光束，所述发散度在0°与20°之间(含端值)，

-优选地，发散度在0°与12.5°之间(含端值)，

-漫射器布置为抵靠反射器的下游端，

-成像屏幕的形状为圆形，正方形或矩形，

-漫射器的形状与成像屏幕的形状相同，

-漫射器的形状为圆形，正方形或矩形，

-反射器的横截面形状与成像屏幕的形状相同，

-反射器的横截面形状为圆形，正方形或矩形，

-反射器是金属的且形成用于生成照明光束的装置的热辐射器，

-漫射器和成像屏幕相对于照明光束的主方向的法线以5°到30°之间的角度倾斜，

-漫射器和成像屏幕相对于照明光束的主方向的法线以10°到20°之间的角度倾斜，

-漫射器和成像屏幕相对于照明光束的主方向的法线以近似12.5°的角度倾斜，

-在部分反射板是挡风玻璃的情况下，漫射器和成像屏幕相对于照明光束的主方向的法线以近似10°的角度倾斜，

-在部分反射板是组合器的情况下，漫射器和成像屏幕相对于照明光束的主方向的法线以近似20°的角度倾斜，

-投影设备还包括在成像屏幕的下游的输出折叠反射镜，就是说在成像屏幕的输出面侧的输出折叠反射镜。

-输出折叠反射镜是平坦的，

-输出折叠反射镜是不平坦的，

-输出折叠反射镜是自由形式的，

-所述设备还包括在反射器的输出与漫射器之间的中间折叠反射镜，以便改变在生成照明光束的装置与漫射器之间的光束的方向，

-中间折叠反射镜是平坦的，

-中间折叠反射镜是不平坦的

-中间折叠反射镜是自由形式的

-投影设备包括中间折叠反射镜和输出折叠反射镜，

-如果中间折叠反射镜布置在投影设备中，则省略输出折叠反射镜，

-车辆选自：汽车、卡车、公交汽车或长途汽车。

本发明还涉及一种平视观看系统，用于供车辆的驾驶员观看光显示，所述系统包括根据本发明的投影显示光束的设备以及设计为将显示光束投影到部分反射板的方向上的光学系统。

换言之，这是平视显示系统，其包括根据本发明的投影设备、部分反射板以及设计为在部分反射板的方向上传输显示光束的光学系统。

根据本发明的系统的其他非限制性和有利的特征(单独地或技术上可以组合地采用)如下：

-平视显示系统还包括在投影设备的成像屏幕的下游的输出折叠反射镜，

-投影设备还包括输出折叠反射镜，输出折叠反射镜使光路径朝向系统的部分反射显示板反射，

-在系统中，部分反射显示板是特定于平视显示系统且安装在车辆中的部分反射板，或者则是车辆的挡风玻璃。

-在系统中，部分反射显示板是有色的或不透明的，

-在系统中，挡风玻璃在形成部分反射板的区域中包括旨在避免幻影图像的处理。

具体实施方式

以下参考作为非限制性示例提供的附图的描述将有助于理解本发明的内容和如何可以实现本发明。

附图中：

-图1示出了根据本发明且旨在用于车辆驾驶员的平视显示系统的投影设备的示意图，以及

-图2示出了包括根据本发明的投影设备的平视显示系统的示意图。

图1示出了投影表示图像的光束的投影设备1，该投影设备1沿着从上游到下游的光路包括：生成具有主方向15的照明光束的装置2，生成散射的光束的漫射器3，以及产生具有主方向16的显示光束的成像屏幕4。漫射器3和成像屏幕4是彼此平行且优选地彼此相邻的平坦的元件。然而，可以提供的是，漫射器3和成像屏幕4由填充有透明材料的空间分离开，特别是由均质或非均质材料且例如由透明均质塑料制成的均匀/恒定厚度的块分离，或者该块包括彼此平行且垂直于块的两个平行面的光纤的网络以便形成准直光导。然后将块夹置在漫射器与成像屏幕之间，漫射器和成像屏幕始终彼此平行。

成像屏幕4可以形成旨在被投影的图像。成像屏幕4不会使穿过其通行的光束偏转：穿过倾斜的成像屏幕通行的光束的主方向实际上保持不变，并且至少在成像屏幕的输入与输出之间平行。具体地，成像屏幕具有平坦的且平行的输入/上游和输出/下游面，并且如果为了简化起见考虑到它是均质介质(或这样介质的连续)，则由于成像屏幕的倾斜且因此其成对的光学界面产生补偿的折射，因而不垂直于界面的光线存在轻微的移位/平移。成像屏幕4因此包括两个相对的面，输入面接收散射的光束，而相对的输出面产生显示光束。成像屏幕4可以是任何透射式类型的，例如无源或有源的液晶(或“液晶显示器”的LCD))，并且优选地是薄膜晶体管(或TFT)的类型。

生成照明光束的装置2包括在印刷电路板6上安装的至少一个照明发光二极管5以及反射器7。更一般地，光源可以由印刷电路板承载的多个发光二极管或由适当功率的单个发光二极管形成。反射器7形成内反射光导，该内反射光导旨在通过反射由光源5产生的至少一些光线来产生具有相对较低发散度、具有确定的主方向15的实质上准直的照明光束。在一种变型中，光导是非内反射的。因此，生成装置2可以生成照明光束，该照明光束的主方向15被确定且实质上垂直于图1中的印刷电路板6，该一个或多个照明发光二极管5的发射锥的主轴线垂直于印刷电路板6。因此，在图1的示图中，照明光束的主轴线15是垂直的。

漫射器3和成像屏幕4相对于照明光束的主方向15倾斜(例如倾斜的角度在5°到30°之间，此处为12.5°)，就是说照明光束的主方向15不会垂直照射漫射器的输入面：存在非零的入射角(相对于漫射器的平面的法线)。事实上，倾斜度可以取决于如何形成部分反射板13：如果其是挡风玻璃，则选择近似10°的角度，如果其是专用组合器，则选择近似20°的角度。将记得的是，该角度是由漫射器3和成像屏幕4相对于照明光束的主方向15的法线所形成的角度。

漫射器3优选地抵靠反射器7的下游端定位，并且因此该下游端具有倾斜的孔，所述反射器7的总体形状为截顶锥，具有在印刷电路板6侧的窄顶点上游以及相对于所述反射器的主轴线倾斜(不垂直)的宽基底下游。反射器7的宽下游基底(其是打开的)在其整个外围之上抵靠漫射器3施加。因为漫射器3如此抵靠反射器7的下游端定位，所以反射器7的内部区域(位于上游的印刷电路板6和一个或多个发光二极管5与下游的漫射器3之间)实质上与环境隔离，从而防止灰尘或其他污垢能够进入其中。

在一些变型中，反射器7的形状适配为以便光在漫射器3的上游输入面上的分布均匀化。反射器7可以形成热辐射器，该热辐射器旨在辐射/消除由生成照明光束的装置2的一个或多个发光二极管5产生的热。

漫射器3是用于使由生成装置2生成的照明光束的光散射的构件。漫射器是包括输入面和输出面的半透明板，并且漫射器设计为根据已经提及的光学散射指示量使入射到输入面上的光通过输出面散射。漫射器3(或半透明板)的输入面面向光源5；漫射器3(或半透明板)的输出面面向成像屏幕4的输入面(并且在此被按压以与成像屏幕4的输入面接触)。

漫射器2在输出处特别地取决于漫射器的光学散射指示量8来产生具有确定的主方向的散射的光束。该光散射指示量8限定了作为在漫射器3的输出处的观察角的函数的光强度。因此，散射指示量对于与散射的束的主方向16对应的方向具有最大值。在本发明的上下文中，光学散射指示量8限定为使得散射的光束的主方向(离开漫射器)相对于漫射器3(或半透明板)的平面的法线倾斜。

为了获得对于相对于与漫射器3的平面垂直的方向倾斜的方向具有最大值的散射指示量，漫射器3的一个面配备有衍射光学元件(或DOE)。

这样的衍射光学元件包括例如微透镜的阵列和/或棱镜的阵列。

确定这些衍射光学元件的结构特征(例如，微透镜的形状和直径和/或棱镜的基本图案的顶角和长度)，以便获得期望的光学指示量，该光学指示量对于相对于与漫射器3的平面垂直的方向倾斜的方向的具有最大值，如已经指示的。

配备有衍射光学元件的漫射器3可以例如通过压缩模制由塑料(例如，聚碳酸酯或聚(甲基丙烯酸甲酯))制成。

为此，使用模制件，该模具具有漫射体的期望的尺寸，并且在一个面上具有与上述衍射光学元件对应的图案。将塑料注入到模具中且施加压力，以便将模具的图案压印到塑料中，从而可以获得衍射光学元件。

作为变型，可以使用全息漫射器，以便根据上述光学散射指示量获得散射。

从图1中可以看出，漫射器3的光散射指示量对于与照明光束的主方向15对准的方向具有最大值，因此使得散射的光束的主方向16平行于照明光束的主方向15。

可以从以下散射类型中选择由漫射器产生的光散射的类型：线性、圆形、高斯圆形、椭圆形或其他散射类型。漫射器可以由塑料制成，例如特别是注入模制。

可以在形成投影设备1的所有元件(生成装置2、漫射器3和成像屏幕4)中限定投影设备1的整体光学指示量10，并且该光学指示量对于例如相对于印刷电路板6的平面的确定的主方向具有最大值。在图1中，整体光学指示量10对于垂直于印刷电路板6的平面的方向具有最大值。

还可以限定期望获得的目标光学指示量9，并且该目标光学指示量9对应于适合于其中要安装投影设备的平视显示系统的值。光学散射指示量8将因此选择为在投影设备1中给出对应于期望的目标光学指示量9的整体光学指示量10。

图2示出了旨在于在车辆(例如汽车类型的机动车辆)中匹配的平视显示系统11。

该平视显示系统包括由计算机(未示出)驱动的图像投影设备1以及基本上由输出折叠反射镜12和部分反射板13构成光学投影系统，它们旨在沿着在输出折叠反射镜12与部分反射板13之间图像的投影轴线17，然后沿着在部分反射板13与驾驶员14之间的图像的投影轴线18朝向车辆的驾驶员14投影图像。部分反射板13可以是特定的专用元件或对应于车辆的挡风玻璃。理解的是，在图2中，所示的光束由作为所述光束的主方向的轴线表示，束自身的横截面可以是圆形、正方形或矩形，或者甚至其他形状，视情况而定。

由于漫射器3和成像屏幕4在投影设备2中是相邻的，因此简化这些元件的安装和调节。此外，避免了任何杂散反射，这些杂散反射当这些元件为彼此分离或特别是彼此倾斜时则可能在这些元件的光学界面发生。使成像屏幕4不垂直于照明光束和显示光束的事实可以避免杂散反射，以及特别是来自太阳光的反射。借助于此，来自太阳光的任何反射都不会反射到驾驶员的视野中，而是会通行到输出折叠反射镜12的外部。

如图2所示，成像屏幕4可以在计算机(未示出)的控制下生成投影到当驾驶员的视线方向面向行车道时的驾驶员14的视场中且投影到位于相同视线方向上的部分反射板13中的图像。该平视显示系统更明确地设计为将虚拟图像投影到车辆的驾驶员的视场中。

为此，平视显示系统11因此包括输出折叠反射镜12和部分反射板13，后者放置在车辆的驾驶员14的视场中。可选地，系统还可以包括放大透镜/屈光镜(未示出)。优选地，将输出折叠反射镜12合并到投影设备1中，但是在一些变型中，折叠反射镜可以是独立的。

优选地，部分反射板13是在机动车辆的乘客室中、在车辆的挡风玻璃与驾驶员14的眼睛之间布置的组合器。作为变型，部分反射板13应该由挡风玻璃本身形成。

图2中的部分反射板13包括部分反射弯曲的光学窗格，在此执行放大功能。它可以是聚碳酸酯注入的部分，其被弯曲以便放大驾驶员14看到的图像的尺寸。

准备旨在要投影的图像的计算机(未示出)典型地包括处理器和储存单元，例如包括可重写非易失性存储器或硬盘的存储器。

所示的平视显示系统可以显示二维图像，但是在一些变型实施例中，平视显示系统可以特别在成像屏幕4的输出处补充有自动立体滤波器，以便允许通过驾驶员的视觉深度效应在虚拟三维上显示图像，投影的图像呈现为驾驶员14的不同平面上出现。

在各种实施例中，提供实现用于放大由成像屏幕投影的图像的构件，特别是利用如上所描述的构件，和/或在投影的图像的路径上实现放大透镜或屈光镜。还可以提供使用软件和/或使用硬件构件的形状校正构件，例如其中一个或多个非平坦的折叠反射镜和/或至少一个附加的透镜/屈光镜的表面设计为考虑图像可能投影到使其可见的弯曲的表面上的事实。还可以在例如成像屏幕4的下游和/或漫射器3的上游添加防散射的栅格。

Claims (11)

1.一种投影设备(1)，至少包括：

-生成具有确定的主方向(15)的照明光束的生成装置(2)，

-将由生成装置(2)生成的所述照明光束的光散射成散射的光束的构件，以及

-平坦的成像屏幕(4)，包括两个相对的面，输入面接收所述散射的光束，而相对的输出面产生具有确定的主方向(16)的显示光束，

光散射构件，由在所述生成装置(2)的输出与所述成像屏幕(4)之间布置的平坦的漫射器(3)构成，

其特征在于，

-所述漫射器(3)平行于所述成像屏幕(4)，

-所述漫射器(3)和所述成像屏幕(4)相对于由所述生成装置(2)生成的照明光束的主方向(15)倾斜，并且

-所述漫射器(3)的光散射指示量对于与由所述生成装置(2)生成的照明光束的主方向(15)对准的方向具有最大值。

2.根据权利要求1所述的投影设备(1)，其特征在于，所述漫射器(3)被施加为抵靠所述成像屏幕(4)的输入面。

3.根据权利要求1所述的投影设备(1)，其特征在于，所述漫射器(3)通过均匀厚度的材料的块施加为抵靠所述成像屏幕(4)的输入面，所述材料的块被夹置在所述漫射器(3)与所述成像屏幕(4)之间。

4.根据权利要求3所述的投影设备(1)，其特征在于，所述材料的块选自均质或非均质材料的块。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的投影设备(1)，其特征在于，生成照明光束的生成装置(2)包括由中空且内反射管构成的反射器(7)。

6.根据权利要求5所述的投影设备(1)，其特征在于，所述漫射器(3)布置为抵靠所述反射器(7)的下游端。

7.根据权利要求5所述的投影设备(1)，其特征在于，所述反射器(7)是金属的并且形成用于生成照明光束的装置(2)的热辐射器。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的投影设备(1)，其特征在于，所述漫射器(3)和所述成像屏幕(4)相对于所述照明光束的主方向(15)的法线以5°到30°的范围内的角度倾斜。

9.一种平视显示系统，包括根据权利要求1至8中任一项所述的投影设备、部分反射板(13)以及设计为在所述部分反射板(13)的方向上传输所述显示光束的光学系统(12)。

10.根据权利要求9所述的平视显示系统，其中，所述部分反射板是挡风玻璃，并且其中，所述漫射器和所述成像屏幕相对于所述照明光束的主方向(15)的法线以近似10°的角度倾斜。

11.根据权利要求9所述的平视显示系统，其中，所述部分反射板是组合器，并且其中，所述漫射器和所述成像屏幕相对于所述照明光束(15)的主方向的法线以近似20°的角度倾斜。

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