CN114981705A - 用于车辆的具有明亮且节能的背光的视场显示设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种尤其是用于车辆的视场显示设备，包括：用于产生具有显示内容的投影光束的成像单元，包括具有面状分布的能选择性控制的显示元件的透射性的显示器显示层；构造用于对透射性的显示器显示层背光照明且具有沿透射性的显示器显示层分布的能选择性控制的光源的矩阵背光装置和准直阵列，该准直阵列具有设置在每个光源和所述透射性的显示器显示层之间的准直器；和在由成像单元产生的投影光束的光路中的构造用于使投影光束向用户反射的投影屏幕被设置，使得在投影屏幕后方在用户的视场中产生虚拟显示图像，每个准直器构造用于根据预定辐射特性集中由相配光源发出的子光束，该辐射特性用于将向用户反射的投影光束限制在为其眼睛预定的空间区域。

Description

用于车辆的具有明亮且节能的背光的视场显示设备
技术领域
本发明涉及一种视场显示设备，其尤其是适合用于机动车或其它陆地、空中或水上交通工具中并构造用于通过在投影屏幕，尤其是车辆的挡风玻璃上反射具有期望的显示内容的投影光束而在用户，尤其是驾驶员的视场中产生虚拟显示图像。本发明还涉及配备该视场显示设备的车辆。
背景技术
视场显示设备尤其是以名称抬头显示器(HUD)已知。例如在机动车中可藉此将期望的显示内容，如限速指示或其它有用的导航和车辆操作指示以虚拟显示图像的形式叠加到驾驶员观察到的在车辆前方的真实环境图像上。为此传统结构的视场显示设备包括一个安装在仪表板上侧之下的显示器，该显示器具有适合的成像和投影光学器件，以便产生具有期望的显示内容的投影光束并将投影光束转向到投影屏幕——投影屏幕可以是机动车的挡风玻璃或专门设置在挡风玻璃前方的组合屏——上，以使投影光束从投影屏幕向驾驶员反射，从而将虚拟显示图像投射到投影屏幕后方的驾驶员视场中。
然而，在这种HUD结构中，虚拟显示图像覆盖用户视场中相对小的立体角范围(视场(Field-of-View))，其通常仅延伸到接近地平线。仪表板内有限的安装空间阻碍了视场的扩大。尤其是已知的投影光学器件在垂直方向上占用了大量空间。驾驶员在此仿佛看入望远镜中，从而对于驾驶员来说在近处在HUD内部的显示器上产生的显示图像出现在机动车前方的远处。因此，相应于“望远镜的口径”只能覆盖有限的立体角范围，该立体角范围例如适用于类似于机动车中组合仪表板的静态显示内容。相反，在这个有限的立体角范围和通常由成像和投影光学器件固定地确定的虚拟HUD显示图像的距离之外，不能实现针对车辆前方真实环境物体的接触模拟虚拟显示，例如从增强现实(AR)中已知的。
另一方面，例如由DE102009054232A1已知一种用于机动车中的立体信息显示的抬头显示器，该抬头显示器具有用于生成两个不同的、确定用于乘员的两只眼睛的单个图像的图像生成装置以及显示单元，在该显示单元上可产生发光点，这些发光点的光束通过在机动车挡风玻璃上的反射对于乘员可见。此外，在显示单元与挡风玻璃之间的光路中设有偏转装置，如小透镜的矩阵状布置结构，这些小透镜将不同发光点的光束向不同的辐射方向偏转。此外，像素分配装置确保将单个图像的像素这样分配给显示单元的发光点，使得乘员的左眼可看到确定用于其的单个图像并且乘员的右眼可看到确定用于其的单个图像。这种类型的自动立体显示器可以特别有利于内容的接触模拟显示，因为它产生具有深度效果的虚拟显示图像。
此外，在视场显示设备中通常设有附加措施，以防止环境光在其构件上的干扰反射，这种干扰反射可能导致用户眩目。为此在上述传统的HUD结构中，例如设置在仪表板上侧中的将HUD向外部封闭的盖板在几何结构上是防反射的(所谓的眩光陷阱Glaretrap)。然而，由此已知的防反射技术并不适合用于比传统HUD更扁平并且因此可更大面积设计的HUD结构——其将特别适合用于AR显示——中的与挡风玻璃直接相对设置的显示器。
尤其是在与AR应用结合时，车辆中的视场显示设备的另一个突出问题是当虚拟显示内容更接近地平线和/或超越地平线高度被显示并且因此也应在明亮或照射的背景下对于用户清晰可见时，对虚拟显示图像的亮度要求增加，例如大约10000cd/m2。由于挡风玻璃上的反射损耗通常很高，对于HUD以及消费电子产品目前在市场上常见的结构的图像生成显示器必须在其表面上发出直至100000cd/m2的投影光，然而，基于相应增加的冷却功率要求，这对于可集成在车辆上的显示器技术，尤其是液晶屏(LCD)很难实现。
从DE19540108C2中已知一种用于增加借助设备、如HUD显示的图像的亮度的方法。该文献公开了一种用于在第二图像中显示第一图像的设备，第二图像可透过透明玻璃看到，从第一图像发出的光在该透明玻璃上被反射并且该透明玻璃设置成，使得第一和第二图像可由观看者在相同的视角下看到。设有至少一个用于基本上平行的光的光源，借助该光源从第一图像发出的光可在观看者的头部区域中生成为具有大于头部宽度且小于50cm的小扩张(Aufweitung)的光束。在DE19540108C2中公开的实施例一方面局限于散射玻璃或分为能选择性控制的区段的LCD矩阵，对于其照明或背光可使用具有准直光学器件的LED形式的单一光源或具有准直光学器件的红、绿、蓝三个激光器的可借助可旋转镜偏转的平行光束。作为替代方案，此外仅提出受控制以生成图像的自发光激光二极管矩阵或自发光LED矩阵，在其中结构本身或具有透镜状隆起的薄膜已经确保小扩张并且在所述小扩张前面除了成像光学器件外仅可选地设置p偏振滤光器。
发明内容
本发明的任务是提出一种尤其是在虚拟显示图像的可见性和对比度方面进一步改进的视场显示设备，所述视场显示设备尤其是能够为AR应用在用户的扩大的视角范围内生成虚拟显示图像，以及配备该视场显示设备的机动车。
所述任务通过一种根据权利要求1的视场显示设备以及一种根据并列权利要求的配备所述视场显示设备的车辆来解决。在从属权利要求中给出其它实施方式。在权利要求和说明书中就视场显示设备提到的所有进一步的特征和效果也适用于配备其的车辆，反之亦然。
根据第一方面，提供一种视场显示设备，如抬头显示器(HUD)，其尤其是也可(但不一定必须)适用于AR(增强现实)和其它需要在尽可能宽的立体角范围(视场)中在用户前方显示虚拟显示图像的应用。视场显示设备尤其是可设计用于车辆中，该车辆可以是机动车或任何其它陆上、空中或水上交通工具。
本文所述类型的视场显示设备包括成像单元，该成像单元构造用于产生具有显示内容的投影光束。为此，成像单元包括透射性的显示器显示层，该透射性的显示器显示层通过具有多个面状(尤其是基本上均匀地)分布的能选择性控制的透射型显示元件形成一个显示器表面，以及构造用于对透射性的显示器显示层进行背光照明的矩阵背光装置，该矩阵背光装置具有多个沿透射性的显示器显示层(尤其是基本上均匀地以二维的不规则或规则，如六边形布置)分布的能选择性控制的光源。光源尤其可以是高效光源、如LED、例如白光LED。透射性的显示器显示层例如可构造为液晶显示层(也称为LCD面板)，即，其能选择性控制的显示元件可以是液晶显示元件。此外，成像单元包括二维准直阵列，该二维准直阵列具有设置在相应的光源和透射性的显示器显示层之间的准直器，这些准直器尤其是可构造为准直透镜(参照图2a)。在光源的六边形布置中，设置在其上方的准直器例如可以表面覆盖的方式构造为六边形准直透镜。
术语“表面”和“面状”在本文中概况地用于二维布置、分布、外表面等。在此尤其是可涉及“平面”或“平面的”的几何形状，但这不是强制性的，所描述的设备在不损害所述光学功能的情况下也可偏离平面几何形状，以便例如为了AR应用简化大表面的设计和其在车辆中的整合。换句话说，本文中“表面”和“面状”设计形式在本文中可以相应至少区域地是平面，但也可以是弯曲的或是拱形。尤其是它可以适应机动车仪表板上侧的拱形，该表面例如以阶梯或嵌套的方式由多个小的局部表面、如平面显示区段构成。
此外，视场显示设备包括设置在由成像单元产生的投影光束的光路中并且构造用于使投影光束向用户反射的投影屏幕，使得在视场显示设备运行时在投影屏幕后方在用户的视场中产生虚拟显示图像。投影屏幕尤其是可由车辆的挡风玻璃，或专门为此设置的、位于挡风玻璃前方的组合屏以本身已知的方式形成。尤其是投影屏幕在背面可以是至少部分透明的，使得虚拟显示图像能够显示到投影屏幕后面的用户观察到的真实环境中。
在此上述准直阵列的每个准直器构造用于根据预定辐射特性来集中由相配光源发出的子光束，所述辐射特性设计用于将向用户反射的投影光束基本上限制在为其眼睛预定的空间区域(眼动范围)。尽管在简单的情况下，预定辐射特性对于矩阵背光装置的多个或甚至所有光源可以是相同的，但它尤其是在大表面扩展的显示和虚拟显示图像表面的情况下也可因光源而异，以便例如实现眼动范围和/或虚拟显示图像表面的尽可能均匀的照明。换句话说，借助准直阵列可以针对矩阵背光装置的光源并且因此也为位于其上方的透射性的显示器显示层的相配表面区段实现适合用于(尤其是基本上均匀地)照射眼动范围并且基本上也仅照射眼动范围的辐射特性矢量场(关于成像单元本文使用的术语如“其上方/其下方”、“其后方/其前方”等分别应理解为在投影光的光束传播方向上)。
本发明的视场显示设备的一个构思在于使用包括多个面状地、尤其是至少部分区段均匀地设置在透射性的显示器显示层(如液晶面板)后面的光源的矩阵背光装置，结合通过分别相配的准直器对由各个光源产生的子光束的集中。与所有已知的无矩阵背光装置和/或无准直器工作的HUD设备相比，成像单元的这种结构能够在可相比拟的能源消耗下实现明显更亮并且尤其是更均匀的盒状形式的背光装置，也就是说，具有厚度只有几厘米、例如只有约3厘米的紧凑扁平结构，这从热学和几何学的角度来看有利于毫无问题地集成在车辆中。该结构尤其是可安装在车辆仪表板的表面区域中并且可以简单的方式进行横向扩展，也就是说，特别是良好地适合于接近和超过地平线的虚拟显示以及AR应用。下文将更详细地解释其中的原因。
通过上述准直，背光照明的相对于所使用的电能的光效率可以尤其是增加约10倍。能源消耗的减少和与此相关的冷却功率要求的降低又使得具有矩阵背光装置形式的大表面背光照明的透射性的显示器显示层(如LCD面板)——这到目前为止仅已知用于例如消费电子产品中的基于液晶的面状屏幕——也能够用于车辆中的视场显示设备，在这里增加了额外的问题，如挡风玻璃上的反射损失、明亮背景下的可视性、有限的安装空间和冷却可能性等，这些问题可借助本发明的结构以协同的方式得以解决。
可借助本发明的视场显示设备实现开头提到的例如对于在明亮或照亮的背景前的虚拟显示内容约为10,000cd/m2的虚拟显示图像亮度要求以及通常因挡风玻璃上的高反射损耗产生的约为100,000cd/m2的显示器亮度要求，因为与消费电子产品中的面状屏幕不同，照射驾驶员或其它用户的眼动范围区域来显示虚拟显示图像是足够的。相反，消费电子产品中的商业显示器的亮度通常针对尽可能宽的视角进行优化，并且所述单位“每平方米坎德拉”(cd/m2)涉及落入显示器表面上方整个半空间的光辐射。但本文使用的将生成的光准直到眼动范围中将所需的总光量减少了大约10倍。
当对于大表面扁平结构(其视场例如可从挡风玻璃根部延伸到地平线)的AR-HUD的LDC面板使用矩阵背光装置时，可由此产生额外的协同效果：能选择性控制在矩阵背光装置的表面中的各个光源，以便只对位于各个光源上方的透射性的显示器显示层的正好应对虚拟显示图像做出贡献的那些像素进行背光照明。对于AR-HUD的运行，在此恰恰作为一般规定期望在驾驶员的视场中仅显示非常少的对象，以免不必要地分散他的注意力。因此可以预计大多数时候只有具有相关对象的小部分显示器表面被照明。因此，本发明的矩阵背光方案可将基于LCD的视场显示设备的电功率消耗进一步降低5-10倍。总的来说，与具有LCD——其背光照明不是矩阵形式且没有准直——的视场显示设备相比，可节省50到100倍的能量。
尤其是如果矩阵背光装置的可单独开关的区段尽可能小，例如在理想情况下与位于其上方的由能选择性控制的显示元件形成的像素大小大致相同，则矩阵背光设计方案效率最高。此外，矩阵背光设计方案可以简单的方式横向地、即沿透射性的显示器显示层通过用进一步的光源扩大显示器显示层的表面而得以扩展并且因此也可用于如所述的进一步提高由准直引起的效果以减少电功率消耗。
在基于LCD的视场显示设备中使用矩阵背光装置的另一个效果在于：由此黑色的图像区域可显示为真正的黑色，并且背光不会透过应该保持黑色的图像区域中(具有无选择性光源控制的背光装置的HUD结构中的所谓的不期望的“明信片效应”)。
由于准直阵列在当前并非设置在显示器表面中产生的显示内容的光路中，而是设置在矩阵背光装置和透射性的显示器显示层之间，因此显示器表面原则上可独立于此具有其它功能层，如用于开头所提类型的自动立体显示的柱状透镜阵列，所述柱状透镜阵列根据当前用户位置为用户的左眼和右眼生成两个不同的2D图像，以使在用户处产生所显示虚拟显示图像的立体印象。
尤其是在本文所述类型的视场显示设备中，每个光源可设置在相配光学准直器的焦点或焦平面中或附近，使得由光源发出的发散的子光束根据相应的预定辐射特性被准直成大致平行的子光束，所述子光束具有围绕尤其是可因光源而异的预定传播方向的例如约+/-5°(即总共大约10°)的预定小张角。本文所述的布置尤其是可为了眼动范围中的均匀亮度分布而通过其光学部件的光学设计并且尤其是通过在整个显示器表面上适当选择上述辐射特性进行优化。
在视场显示设备的一种特殊实施方式中，准直阵列的准直器可构造成可相对于光源运动的。尤其是整个准直阵列可构造成可相对于矩阵背光装置的设置有光源的平面或(不一定是连续平面的)表面横向移动的。在这种实施方式中，视场显示设备还包括控制单元，该控制单元构造用于使准直器和因此使投影光束的预定辐射特性跟踪例如通过眼睛跟踪确定的当前用户位置，尤其是眼睛位置或视线方向。这例如可以通过沿矩阵背光装置横向移动整个准直阵列实现。
在该特殊实施方式中，可运动的准直阵列例如可在相应准直角度方面被设计得如此精确，使得在运行期间仅眼动范围的一个窄条或带被照射，在所述窄条或带中刚刚通过眼睛跟踪识别用户的眼睛。在这种情况下，对光源相对于准直阵列的定位的机械跟踪可用于再次优化地照射眼动范围内改变的眼睛位置。为此例如准直透镜阵列可整体相对于构造为LED的光源平面进行机械水平运动。这将进一步提高系统的效率并进一步减少电功率消耗。
在一种替代此的或附加的特殊实施方式中，在矩阵背光装置和准直阵列之间的在投影光的光束传播方向上的距离还可以进行机械调整以改变预定辐射特性、即尤其是准直效果或集中性。因此，视场显示设备可在不同运行状态中运行：例如对于所有车辆乘员可见，其方式是设置宽辐射特性，即生成较少准直的光，或仅对于一名乘员可见，其方式是设置适合的窄辐射特性。所述距离调整尤其是可至少部分地自动借助适合的控制单元来实现，该控制单元用于控制成像单元的适合的机电调节驱动装置。
尤其是在此可在设置用于单个用户的私人模式——在其中仅设置用于其眼睛的空间区域(单用户-眼动范围)被照射——和设置用于车辆的多个乘员的共同模式——在其中设置用于所述多个用户的眼睛的空间区域(多用户-眼动范围)被照射——之间进行切换。投影光射束只对准驾驶员或其他单个用户的眼动范围可用于确保其他车辆人员不被投影光束眩目和/或无法观看显示的显示内容(所谓的隐私特征)。
在视场显示设备的一种特殊实施方式中，矩阵背光装置的光源可构造成可彼此独立地调光的。这例如可通过使用电位计和/或通过在不能被人眼识别为单个图像的例如通常τ<20ms的周期内具有适合的明暗时间比Vhd的时间脉冲实现。在这种实施方式中，所述视场显示设备还包括控制单元，该控制单元构造用于根据预定修正函数H1(x，y)在矩阵背光装置的表面中彼此独立地对矩阵背光装置的光源进行调光，其中(x，y)例如可以是显示器表面中的笛卡尔坐标，以便增加虚拟显示图像中的亮度均匀性和/或受情况而定地调整矩阵背光装置的亮度。
因此，例如虚拟显示图像中的相应于显示器表面的相应位置(x，y)的各个区域可通过适合的修正函数H1(x，y)这样被照明，使得确保整个虚拟显示图像上的均匀性。修正函数H1(x，y)、尤其是Vhd(x，y)例如可这样调整各个光源的调光，使得补偿可能的颗粒度
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并产生均匀的虚拟显示图像。这里的颗粒度是指由单个光源、如单个白光LED照明的显示器表面的局部表面。
通过上述对矩阵背光装置的各个光源的调光例如也可用来补偿虚拟显示图像中的不均匀性，这种不均匀性在较大的空间尺度上例如通过挡风玻璃反射率的改变而产生。该设计方案也可用于将用作投影屏幕的挡风玻璃区域——在其中投影光束向用户反射——以黑色背景例如根据出于其他原因需要的透射分布进行覆盖，例如在下部不透明，向上部越来越透明，以确保透射直到预定视线的法律规定。这可用于将视场显示设备在车辆中所能覆盖的视场扩大到挡风玻璃的基本所有区域，同时为用户保持虚拟显示图像的高显示质量和可见性。
在视场显示设备的一种特殊实施方式中，成像单元还可具有用于增加虚拟显示图像中的亮度均匀性的光学漫射器，这些漫射器分别在一个光源的子光束的光路中尤其是关于子光束的传播方向对称地设置在光源和相配准直器之间和/或准直器和透射性的显示器显示层之间。漫射器尤其是可以构造成圆形或环形地围绕子光束的相应传播方向。例如可为每个光源(如LED)分别在光源和例如构造为六角透镜的准直器之间和/或在准直器和透射性的显示器显示层之间设置一个相对于光传播方向对称的环形漫射器，以优化光束的均匀性，例如通过将部分光散射出具有太多光的表面区域。相应的漫射器为此可在需要时设计成，使得漫射特性在该位置上方具有优化的功能(例如相对于一个光源的子光束的相应传播方向的径向功能)。
从眼动范围的角度看，尽管采取了上述措施虚拟显示图像的亮度中仍可能出现的不均匀性可通过另一修正函数H2(x，y)进行补偿，例如通过测量显示器表面上的光学测试图像(例如全白色)的不均匀性。由此，可通过显示器像素的坐标(x，y)确定一个函数H*、如亮度。在矩阵背光装置(可能包括安装的漫射器)的优化均匀性下，H*(x，y)总是具有大致相同的值。只要在虚拟显示图像中剩余的不均匀性中H*(x，y)的值波动不太大，即位于可通过使用修正函数H2(x，y)补偿的预定波动范围内，则可使用该函数H2(x，y)来修正任何应在显示器上显示的图像的亮度，其方式是：通过对显示器像素进行适当的调光将过亮的点在亮度方面调整为较暗的区域，从而使图像在观看者看来又是均匀的。这种基于修正函数H2(x，y)的修正尤其是可在图像数据生成范围内、例如在渲染过程中通过适合的软件算法实现并在运行中完成。因此，可在任何图像情况下将较亮的区域单独且像素精确地降低到背光较弱的像素的亮度值。在此也可将这一操作的例外情况编入程序，其中需要背光装置的全部亮度潜力，例如通过阳光在被雨水淋湿的道路上的反射而导致的前方眩目的情况。在这种情况下，可根据情况逐步取消或提高均匀性修正，使得图像虽然在亮度方面显得不均匀，但显示器表面最亮的区域尽可能亮地发光。必要时也可专门为各个原色r/g/b确定并使用函数H2(x，y)。
根据一种实施方式，视场显示设备还具有设置在成像单元上、尤其是直接设置在成像单元的由透射性的显示器显示层连同其可能的其它功能层和保护层(如自动立体显示器的柱状透镜阵列)形成的表面上的反射抑制装置。在一种特殊实施方式中，该反射抑制装置构造为具有一个或多个沿透射性的显示器显示层相对于其以预定锐角延伸的平面反射面的偏转装置。在此所述反射面构造和设置用于将由成像单元生成的投影光束偏转到投影屏幕上，以便在投影屏幕后方在用户的视场中生成虚拟显示图像。此外，反射面在其背面构造成尤其是全表面光吸收性的，以抑制干扰反射。
反射抑制偏转装置的所述多个相互平行的反射面可构造成彼此相同的或也可在其形状或尺寸方面彼此不同。根据反射面的形状和尺寸，可这样选择它们在垂直于其延伸方向的方向上彼此间的距离，使得确保几乎完全抑制干扰反射并使投影光束基本上无损失且保持形状地偏转。下面给出这方面的一些示例。原则上，任何本身已知的(太阳)光吸收涂层都适合用于反射面的背面，如亚光黑色层。
与开头所提的具有安装在机动车仪表板内部的投影光学器件的传统HUD结构相反，根据该实施方式的视场显示设备具有明显更扁平的结构并且例如可以几厘米的安装深度安装在仪表板的上侧中或事后安装在其上。这显著扩大了视场显示设备的视场，例如在垂直方向上也大大超越地平线，这特别适合于为驾驶员和其他乘员提供接触模拟显示，以辅助导航或自动驾驶和/或同时为几个用户提供多用户运行。尤其是由此实现了接触模拟的AR显示并借助自动立体成像单元实现真正的接触模拟3D效果(立体增强现实)。
如图4a至5b对根据德国专利申请DE102018209934A1的一种简单模型示例所示的，在该实施方式中，在由透射性的显示器显示层形成的显示器表面中，在每个反射面下方与反射面平行地延伸有一个条纹，该条纹的像素通过投影光在反射面上的偏转而对于视场显示设备的用户可见。在这种可见的显示器条纹之间具有对于视场显示设备的用户不可见的条纹，这些不可见的条纹不能对虚拟显示图像的生成做出贡献。
根据视场显示设备的上述实施方式的一种扩展方案，所述面状透射性的显示器显示层因此仅在这种分配给反射抑制偏转装置的各个反射面的彼此间隔开的条纹(即显示器表面上的条纹形表面区段)中具有显示元件，从这些条纹发出的投影光落到反射面上并且因此被反射抑制偏转装置偏转。替代或附加地，面状矩阵背光装置可仅在这种分配给反射抑制偏转装置的各个反射面的彼此间隔开的条纹(即背光表面的条纹形表面区段)中具有光源，从这些条纹发出的投影光在通过透射性的显示器显示层后落在反射面上并且因此被反射抑制偏转装置偏转。
附加或代替上述反射面，可在显示器表面和投影屏幕之间的光路中引入其它光学偏转元件，所述其它光学偏转元件导致显示器表面的一部分像素(显示元件)不能对虚拟显示图像做出贡献。在这种情况下，也可这样设计包括准直器在内的矩阵背光装置，使得显示器表面的那些不能对虚拟显示图像做出贡献的局部区段不被背光照明，或者仅那些能对虚拟显示图像做出贡献的像素被均匀地背光照明。
根据上述实施方式的一种代替或附加于此的扩展方案，所述反射抑制偏转装置的反射面中的至少一个反射面由设置在成像单元上的棱镜的一个侧面形成。棱镜尤其是可在垂直于反射面延伸方向的方向上具有三角形、四边形如梯形或五边形横截面，从而棱镜的另一侧面形成棱镜底面，该棱镜底面平放在由透射性的显示器显示层形成的显示器表面或其可能的其它功能和保护层(如柱状透镜阵列)上或沿其延伸，而棱镜的第三侧面用作用于偏转的投影光束的光出射面。这种棱镜尤其是可赋予相应反射面高的机械稳定性。
棱镜可由任何对于所使用的投影光透明的材料制成、尤其是由玻璃或塑料制成。如果在反射面和其吸收光的背面之间存在空气层，则反射可通过耦入棱镜中的投影光束在棱镜的所述侧面上的全反射实现，否则可在所述侧面上施加例如由金属制成的反射层并且可在其上施加光吸收层。
此外，例如通过对暴露的相对于显示器表面的上棱镜边缘进行倒角或倒圆，可防止用户在相关反射面边缘处受伤的风险。棱镜的倒角或倒圆的上边缘尤其是也可构造成光吸收性的，例如以与反射面背面类似的方式。
上述通过用于矩阵背光装置或显示器表面的亮度或适当调光的修正函数H1(x，y)或H2(x，y)在虚拟显示图像中进行局部亮度调整的方案也可用于消除虚拟显示图像中可能的轻微的亮度不均匀性，这种不均匀性可能出现在投影光束于两个反射面或棱镜之间的过渡处的偏转时。
根据另一方面，提出一种车辆，尤其是机动车或任何其它陆地、空中或水上交通工具。车辆包括挡风玻璃和设置在其下方的仪表板。车辆还包括本文所述类型的视场显示设备，其成像单元或设置在成像单元上的反射抑制偏转装置设置在仪表板的朝向挡风玻璃的上侧上或中，尤其是与其齐平或对齐。挡风玻璃形成视场显示设备的投影屏幕，从而可在车辆乘员，尤其是驾驶员透过挡风玻璃观看时将虚拟显示图像显示到其视场中。本文中对车辆中的视场显示设备所使用的术语，如“其下方”、“其上方”、“垂直”、“水平”、“纵向”、“横向”等，除非另有解释，否则都理解为涉及通常的车辆坐标。
附图说明
下面参考附图中所示的示例详细阐述本发明的上述方面及其实施方式和具体设计。附图是纯示意性的，它们尤其是不应被理解为符合比例的。相同的附图标记表示相同的元件或在其功能中彼此相应的元件。附图如下：
图1a示出机动车中本文所述类型的视场显示设备的透视图，在其棱镜结构中具有用于抑制反射的不变的棱镜底面；
图1b以示意性侧视图示出其上设置有图1a的视场显示设备的反射抑制偏转装置的显示器表面的局部放大图；
图2a以原理示意图示出本文所述类型的视场显示设备的成像单元的光学结构；
图2b以俯视图示出根据图2a的成像单元中矩阵背光装置的各个光源的六边形面状布置；
图3以透视图示出本文所述类型的另一视场显示设备的成像单元，其具有代替图1a的棱镜结构的示例，该棱镜结构具有变化的棱镜底面；
图4a至4c示出本文所述类型的视场显示设备的一种模型示例的透视图，用于说明其具有多个棱镜的反射抑制偏转装置的偏转效果；和
图5a和5b示出本文所述类型的视场显示设备的另一种模型示例的透视图，用于说明基于其反射抑制偏转装置的偏转作用而在其显示器表面中产生的可见和不可见的条纹。
具体实施方式
根据本发明上述方面的视场显示设备和车辆的所有在上述说明和下述权利要求中提到的不同实施方式、变型和具体设计特征都可在图1a至5b所示的示例中实现。因此，下文不再重复所有这些内容。这也相应地适用于上文就图1a至5b所示的各个特征已经给出的术语定义和效果。
图1a以示意性透视图高度简化地示出本文所述类型的视场显示设备1的一种示例，该视场显示设备在该示例中作为抬头显示器(HUD)安装在车辆2中，在图1a中仅示出车辆的挡风玻璃3和设置在其下面的仪表板4。在该示例中车辆是机动车，并且视场显示设备1构造用于在驾驶员或其他乘客透过挡风玻璃3观看时将虚拟显示图像V显示到其视场中，该挡风玻璃用作视场显示设备1的在用户侧反射性的并且在背面在很大程度上透明的投影屏幕。
视场显示设备1的核心部件是其成像单元16(在图2a-2b中更详细地示出)，成像单元在运行中产生具有期望的显示内容的投影光束L，为清楚起见，图1a中仅示出成像单元的透射性的显示器显示层(如液晶面板)，所述显示器显示层形成显示器表面5。纯示例性地，在图1a中显示器表面以本身已知的方式构造成自动立体显示器并为此包括设置在透射性的显示器显示层上的柱状透镜阵列(未示出)。此外，为此在显示器控制单元(未示出)中实现一种控制算法，该控制算法基于可通过眼睛跟踪确定的当前用户位置将输入的显示内容作为由两个略有不同的二维图像形成的彼此交错的并排显示图像进行处理，使得分别只有一个二维图像借助柱状透镜阵列被偏转向用户的左眼lA或右眼rA，使得他可感知具有三维效果的虚拟显示图像V。
此外，成像单元包括图1a中未示出的用于LCD面板的背光照明，该背光照明构造为矩阵背光装置的并且在下文中参考图2a和2b进一步被描述。
在该示例中，由玻璃或塑料制成的棱镜结构形式的反射抑制偏转装置6安装在显示器表面5上，用于将显示器表面无反射地集成到车辆2中。该反射抑制偏转装置在该示例中包括纯示例性地十个平放在显示器表面5上的棱镜P1至P10，这些棱镜的在内侧反射的侧面形成平面反射面7，这些反射面沿显示器表面5相对于显示器表面以预定锐角α0且彼此平行延伸并且在显示器表面的背面14构造成全表面吸收光的，以抑制干扰反射。
图1b以示意性侧视图示出根据图1a的视场显示设备1的显示器表面5和设置在其上的反射抑制偏转装置6的局部放大图。该局部放大图还示出由显示器表面5产生的投影光束L在由棱镜结构形成的反射面7上的偏转。在此对于棱镜结构中的光路应注意到，射向眼动范围12的投影光的辐射角一般不垂直于显示器表面5并且尤其是也可沿显示器表面5变化，以实现眼动范围12的均匀照明。
通过在反射面7上偏转投影光束L，投影光束被投射到车辆2的挡风玻璃3上并从其反射(用箭头表示)向用户，尤其是驾驶员或副驾驶员的眼睛(参见图1a中的眼动范围12)。这如此设计，使得在挡风玻璃3后面产生显示到用户视场中的虚拟显示图像V，该虚拟显示图像对于用户来说与透过挡风玻璃3观察到的车辆2前方的真实环境叠加。反射面7的预定的定位锐角α0可特定于应用地例如从显示器表面5、挡风玻璃3和眼动范围12，即车辆内部空间中的应看见虚拟显示图像V的空间区域的相互几何布置中确定。
在图1a中所示的反射面7的几何布置中，通过反射面的吸收光的背面14尤其是可几乎完全抑制来自车辆2之外和之内的任何方向的环境光朝向眼动范围12方向上的干扰反射。
在该示例中，纯示例性地，反射抑制偏转装置6的所有反射面7通过由玻璃或塑料制成的放置或平放在显示器表面5上的棱镜Pn＝P1，P2，...，P10的在内侧反射的侧面形成。每个棱镜Pn在垂直于相应反射面7延伸方向x的方向上具有三角形横截面A，从而棱镜的另一个侧面形成棱镜底面10，该棱镜底面放置或平放在面状像素装置5上，而棱镜的第三侧面用作用于偏转的投影光束L的光出射面11。这尤其是可实现视场显示设备1的特别稳固的结构并且既保护显示器表面5和反射面7免受可能的损坏也保护用户不在其暴露的边缘上受到可能的伤害。尤其是上棱镜棱边9可为此附加地被倒圆或倒角。在图1a中，棱镜Pn的平放在自动立体显示器表面5上的侧面，即棱镜底面10纯示例性地直接相互连接。但这不是强制性的，因为棱镜Pn的梯形横截面A——在其中与反射面7相对置的棱镜边缘被切除——也同样好地适用于视场显示设备1的所述功能。
视场显示设备1例如可安装在车辆2仪表板4(图1a中未详细示出)的上侧15中或上。在此例如显示器表面5或反射抑制偏转装置6可至少部分区段地设置成与仪表板4的上侧15基本上齐平的，这特别不引人注目，对于光学部件或用户可以是有保护作用的和/或节省空间的。
图2a以示意性原理图示出视场显示设备1的成像单元16的光学结构，该视场显示设备在其它方面例如可根据图1a-1b构造。原理图以投影光束L的一个子光束La为例示出成像单元16的各个光学部件及其功能，该子光束由用于对透射性的显示器显示层18(LCD面板)进行背光照明的矩阵背光装置17的多个光源17a之一发出，所述透射性的显示器显示层形成成像单元16的显示器表面5。所述透射性的显示器显示层18尤其是可通过适合的保护层(未示出)来保护，以针对运行中来自图2a中下方的非常强的照明进行保护。
矩阵背光装置17例如可包括电路板30，该电路板在其表面中具有以根据图2b(该图以俯视图示出矩阵背光装置17)的六边形布置规则地分布的光源17a，所述光源以具有适合矩阵控制的单个LED芯片的形式。这尤其可以是高效的白光LED，而如果需要可以在透射性的显示器显示层18的位于光源上方的显示元件(未详细示出)中实现着色。纯示例性地，在图2a中还示意性示出用于矩阵背光装置17的适合的热接触部31、壳体底座32和适合的冷却部33(在此纯示例性地通过多个冷却肋片示意性示出)。
此外，成像单元16包括二维准直阵列19，该二维准直阵列具有设置在相应的光源17a和透射性的显示器显示层18之间的准直器19a，所述准直器在该示例中构造为准直透镜。在光源17a的六边形布置中，设置在光源上方的准直器19a例如可以表面覆盖的形式设计为六边形准直透镜。光源17a在该示例中以机械可变的距离D在子光束La的光束传播方向上与位于光源上方的准直器19a间隔开设置，该距离例如可相应于准直器的焦距f，以便获得完全准直的子光束La。在个别情况下，由每个光源17a发出的发散的子光束La根据相应适合的预定辐射特性被准直成大致平行的子光束La，这些子光束具有围绕适合的预定传播方向的例如约+/-5°的预定小张角(即总共大约10°)，所述预定传播方向尤其是可沿矩阵背光装置17的表面因光源而异。如图2a所示，用于照射眼动范围12的各子光束La的各个辐射特性或传播方向可偏离相对于显示器表面5的垂直定向。
此外，在该示例中，为了增加显示器表面5中或眼动范围12中或虚拟显示图像V(参见图1a)中的光均匀性，可选地在光源17a和准直器19a之间和/或在准直器19a和透射性的显示器显示层18之间的光路中设置上文提到类型的漫散器20，所述漫散器在此例如具有围绕子光束La的传播方向径向对称的透射功能。
借助成像单元16的在图2a中所示的光学结构——所述光学结构具有在矩阵背光装置17和透射性的显示器显示层18之间设置的准直器19a和漫散器20——可在显示器表面5中产生具有用于投影光的适合辐射特性的矢量场，以便将从挡风玻璃3反射到用户的投影光束L限制在眼动范围12的区域内并且也尽可能均匀地照射该区域。为此优化的辐射特性可通过视场显示设备1的整体系统的光学设计来优化，即考虑了在棱镜Pn和挡风玻璃3处的反射。
图3以示意性透视图示出本文所述类型的视场显示设备1的成像单元16，所述成像单元具有代替图1a的反射抑制偏转装置6的示例，该反射抑制偏转装置的棱镜结构具有总共六个棱镜Pn＝P1，P2，...，P6，而不是十个，各棱镜分别具有不同大小的三角形横截面A。在图3中，棱镜底面10、棱镜高度和因此反射面7的高度例如朝向挡风玻璃3逐渐增加。因此，即使车辆2仪表板的上侧15的区段比图1a中更多地向挡风玻璃3倾斜，上棱镜边缘9也可对准一条通往用户眼睛的线。在将视场显示设备1集成到车辆2中时，通过将上棱镜边缘9对准一条通向用户眼睛的线，例如可实现反射抑制偏转装置6的光出射面11对于用户的不可见性。在其它方面，图1a的情况也适用于具有根据图3的反射抑制偏转装置6的视场显示设备1。
如图3所示，其上设置有反射抑制偏转装置6的成像单元16与开头提到的具有安装在仪表板4内部的投影光学器件的传统HUD结构相比具有整体上明显更扁平的结构。这可显著扩大视场显示设备1的视场，例如也竖直地明显超越地平线。因此，尤其是可为驾驶员和其他乘员提供模拟接触显示，尤其是具有真正接触模拟的3D效果(立体增强现实)。图3纯示例性地示出成像单元16连同设置在其上的反射抑制偏转装置6在车辆2(参见图1a)中在仪表板4区域中的典型车辆支撑结构34上的一种可能布置。
图4a至4c分别以透视图示出本文所述类型(例如类似于图1a)的视场显示设备1或其成像单元16的高度简化模型示例，用以解释说明反射抑制偏转装置6的偏转效果，反射抑制偏转装置的反射面7在该模型中由两个具有三角形横截面A的棱镜P1和P2的背离观看者或用户的后侧面形成。
具有显示器表面5的成像单元16在该模型示例中构造为面状屏幕，所述面状屏幕产生期望的显示内容，在该示例中在图4a所示的蝴蝶的二维图像，该图像由从面状屏幕发出的投影光束L(参见图1a)传输。在通过设置在显示器表面5上的反射抑制偏转装置6时，投影光束L在棱镜P1和P2的在内侧反射的后侧面的反射面7上被偏转，以便例如如图1a所示到达机动车的挡风玻璃3并由所述挡风玻璃反射到用户的眼睛。
如图4b所示，投影光束L通过棱镜P1和P2的放置或平放在显示器表面5上的棱镜底面10耦合到棱镜P1和P2中并从它们的光出射面11射出，而反射面7的背面14构造成光吸收性的，以抑制环境光的干扰反射。如图4c所示，耦合输入到反射抑制偏转装置6中的投影光束L基本上没有亮度损失地并且在如图4a那样适合地控制显示器表面5的情况下也没有形状损失地离开棱镜的光出射面11。
图5a和5b分别以透视图示出本文所述类型(例如根据图1a)的视场显示设备1或其成像单元16的另一种高度简化的模型示例，用以说明在使用本文所述类型的反射抑制偏转装置6时显示器表面5中可见和不可见条纹的产生。与图4a-4c类似，在此具有显示器表面5的成像单元也构造为面状屏幕，所述面状屏幕产生期望的显示内容，在该实例中是图5a中所示的蝴蝶的二维图像。设置在显示器表面5上的反射抑制偏转装置6在本模型示例中类似于图4b-4c也由放置在面状屏幕上的，以其长边相互连接的棱镜Pn形成，为简单起见，在此仅示出在该示例中总共五个可能的棱镜P1至P5中的两个。
如图5a和5b特别示出，在显示器表面5中延伸有与棱镜Pn的反射面7平行的条纹21，这些条纹通过投影光在在此最多五个相同棱镜Pn＝P1，...，P5的反射面7上的偏转而对于视场显示设备1的用户可见。在其之间是对于视场显示设备1的用户不可见的条纹22。
不可见条纹22因此可在显示器表面5中保持为黑色。
附图标记列表
1 视场显示设备
2 车辆
3 挡风玻璃
4 仪表板
5 显示器表面
6 反射抑制偏转装置
7 反射抑制偏转装置的反射面
9 上棱镜边缘
10 棱镜底面
11 光出射面
12 眼动范围
14 吸收光的背面
15 仪表板的上侧
16 成像单元
17 矩阵背光装置
17a 矩阵背光装置的各个光源
18 透射性的显示器显示层
19 准直阵列
19a 准直器
20 光学漫散器
21 可见条纹
22 不可见条纹
30 矩阵背光装置的电路板
31 热接触部
32 壳体底座
33 冷却部
34 支撑结构
L 投影光束
La 子光束
Pn 第n个棱镜
V 虚拟显示图像
x 反射面或棱镜的延伸方向
A 垂直于延伸方向的棱镜横截面
α0 反射面的倾斜角

Claims (11)

1.视场显示设备(1)、尤其是用于车辆(2)中的视场显示设备，所述视场显示设备包括：
-用于产生具有显示内容的投影光束(L)的成像单元(16)，该成像单元包括透射性的显示器显示层(18)、构造用于对透射性的显示器显示层进行背光照明的矩阵背光装置(17)和准直阵列(19)，所述显示器显示层具有多个面状分布的能选择性控制的显示元件，所述矩阵背光装置具有多个沿透射性的显示器显示层(18)——尤其是基本上均匀地——分布的能选择性控制的光源(17a)，所述准直阵列具有设置在相应光源(17a)和所述透射性的显示器显示层(18)之间的准直器(19a)；和
-在由成像单元(16)产生的投影光束(L)的光路中的构造用于使投影光束向用户反射的投影屏幕，所述投影屏幕被设置成，使得在投影屏幕后方在用户的视场中产生虚拟显示图像(V)，
-每个准直器(19a)构造用于根据预定辐射特性来集中由相配光源(17a)发出的子光束(La)，以用于将向用户反射的投影光束(L)限制在针对用户的眼睛所预定的空间区域(12)。
2.根据权利要求1所述的视场显示设备(1)，其中，每个光源(17a)设置在相配光学准直器(19a)的焦点或焦平面中或附近，使得由光源发出的发散的子光束(La)根据相应的预定辐射特性被准直成大致平行的子光束(La)，各子光束具有例如约+/-5°的预定小张角和尤其是因光源(17a)而异的传播方向。
3.根据权利要求1或2所述的视场显示设备(1)，
-所述视场显示设备的准直器(19a)能相对于光源(17a)运动，尤其是整个准直阵列(19)构造成能相对于矩阵背光装置(17)的设置有光源(17a)的平面或表面横向移动，并且
-所述视场显示设备还包括控制单元，该控制单元构造用于—例如通过沿矩阵背光装置(17)横向移动准直阵列(19)—使准直器(19a)和因此使投影光束的预定辐射特性跟踪当前用户位置、例如通过眼睛跟踪确定的当前用户位置，尤其是眼睛位置或视线方向。
4.根据前述权利要求中任一项所述的视场显示设备(1)，其中，在所述矩阵背光装置(17)和准直阵列(19)之间的距离(D)能在光束传播方向上进行机械调整以改变预定辐射特性，使得尤其是在设置用于单个用户的私人模式和设置用于多个用户的共同模式之间进行切换，在所述私人模式中仅设置用于单个用户眼睛的预定空间区域被投影光束(L)照射，在所述共同模式中设置用于所述多个用户的眼睛的预定空间区域被投影光束(L)照射。
5.根据前述权利要求中任一项所述的视场显示设备(1)，
-在所述视场显示设备中，矩阵背光装置(17)的各光源(17a)能彼此独立地调光，例如通过使用电位计和/或通过在不能被人眼识别为单个图像的例如通常τ<20ms的周期内具有特定明暗时间比Vhd的时间脉冲来调光，并且
-所述视场显示设备还包括控制单元，该控制单元构造用于根据预定修正函数H1(x，y)在表面中彼此独立地对矩阵背光装置(17)的各光源(17a)进行调光，以便增加虚拟显示图像(V)中的亮度均匀性和/或受情况而定地调整矩阵背光装置(17)的亮度，和/或
-所述视场显示设备还包括控制单元，该控制单元构造用于在生成待显示的显示内容时根据预定修正函数H2(x，y)在表面中彼此独立地考虑透射性的显示器显示层(18)的显示元件的亮度值，以便增加虚拟显示图像(V)中的亮度均匀性。
6.根据前述权利要求中任一项所述的视场显示设备(1)，所述视场显示设备的成像单元(16)还具有用于增加虚拟显示图像(V)中的亮度均匀性的光学漫射器(20)，所述光学漫射器分别在一个光源(17a)的子光束(La)的光路中——尤其是关于子光束的传播方向对称地——设置在光源(17a)和相配准直器(19a)之间和/或在准直器(19a)和透射性的显示器显示层(18)之间并且优选具有围绕子光束(La)的相应传播方向径向对称的漫射和/或透射特性。
7.根据前述权利要求中任一项所述的视场显示设备(1)，所述视场显示设备还具有设置在所述成像单元(16)上的、尤其是直接设置在成像单元的由透射性的显示器显示层(18)连同其可能的其它功能层和保护层形成的显示器表面(5)上的反射抑制装置，所述反射抑制装置尤其是能构造成具有一个或多个沿透射性的显示器显示层(18)相对于该透射性的显示器显示层以预定锐角(α0)延伸的平面反射面(7)的偏转装置(6)，所述反射面(7)构造和设置用于将生成的投影光束(L)偏转到投影屏幕上，以便在投影屏幕后方在用户的视场中生成虚拟显示图像(V)，并且所述反射面在其背面(14)上构造成光吸收性的，以抑制干扰反射；和/或
所述视场显示设备(1)在所述显示器表面(5)和投影屏幕之间的投影光束(L)的光路中还具有另外的光学偏转元件，这些另外的光学偏转元件导致仅显示器表面(5)的预定局部区段能够对虚拟显示图像(V)做出贡献。
8.根据权利要求7所述的视场显示设备(1)，其中，面状的透射性的显示器显示层(18)仅在所述局部区段中和/或在分配给反射抑制偏转装置(6)的各个反射面(7)的彼此间隔开的条纹(21)中具有显示元件，从这些条纹(21)或局部区段发出的投影光通过在反射面(7)和/或所述另外的光学偏转元件处的偏转而落到投影屏幕上，和/或
视场显示设备的面状的矩阵背光装置(17)仅在所述局部区段和/或在分配给反射抑制偏转装置(6)的各个反射面(7)的彼此间隔开的条纹(21)中具有光源(17a)，从这些条纹(21)或局部区段发出的投影光通过在反射面(7)和/或所述另外的光学偏转元件处的偏转而落到投影屏幕上。
9.根据权利要求7或8所述的视场显示设备(1)，其中，所述反射抑制偏转装置(6)的反射面(7)中的至少一个反射面由设置在成像单元(16)上的棱镜(Pn)的一个侧面形成，所述棱镜例如具有三角形、四边形、尤其是梯形、或五边形横截面(A)。
10.根据结合权利要求5的权利要求7至9中任一项所述的视场显示设备(1)，在所述视场显示设备中，相应提到的控制单元还能构造用于增加虚拟显示图像(V)中在虚拟显示图像的图像区段中的亮度均匀性，这些图像区段在反射面(7)的边缘区域中或在反射抑制偏转装置(6)的各个反射面(7)之间的过渡处被偏转。
11.车辆(2)，尤其是机动车，包括：
-挡风玻璃(3)和设置在挡风玻璃下方的仪表板(4)，以及
-根据前述权利要求中任一项所述的视场显示设备(1)，所述视场显示设备的投影屏幕由挡风玻璃(3)形成并且所述视场显示设备的成像单元(16)和/或设置在成像单元上的反射抑制装置设置在仪表板(4)的上侧(15)上或中、尤其是与仪表板的上侧齐平，用于在车辆乘员、尤其是驾驶员透过挡风玻璃(3)观看时将虚拟显示图像(V)显示到其视场中。
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