CN116266015A - 带折叠镜的平视显示器图像生成单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运输工具的平视显示器，具有用于产生图像的成像单元和用于通过镜单元投影该图像的光学单元。成像单元(1)具有折叠镜，折叠镜相对于从光源入射到该折叠镜上的光的传播方向以迎角布置在光源与由该光源透射的显示元件之间。折叠镜具有微观结构，这些微观结构具有第一镜面，这些第一镜面以与折叠镜的迎角不同的第一角度布置，这些微观结构以形成间隙的方式彼此间隔开，第二表面以第二角度布置在这些间隙中。偏振器将第一偏振的光引导至显示元件，将第二偏振的光引导到这些间隙中。相位延退器将被引导到这些间隙中的光的偏振转换成第一偏振。被引导到间隙中的光在通过这些间隙之后被引向显示元件的方向。

Description

带折叠镜的平视显示器图像生成单元

技术领域

本发明涉及一种平视显示器，该平视显示器具有带折叠镜的图像生成单元。

背景技术

平视显示器(还被称为HUD)被理解为如下显示系统，在该显示系统中，观察者可以保持其视线方向，这是由于待展示的内容被显示到其视野内。这样的系统由于其复杂性和成本而最初主要用于航空领域，但是这些系统现在还被大规模地用于汽车领域。

平视显示器通常由成像单元或图像生成单元(Picture Generating Unit，PGU)、光学单元和镜单元构成。成像单元产生图像并且为此使用至少一个显示元件。如今大多数平视显示器使用基于LCD的显示器(LCD：Liquid Crystal Display，液晶显示器)来产生图像。光学单元将图像引导到镜单元上。镜单元是部分反射的透光片。因此，观察者看到由成像单元展示的作为虚像的内容并且同时看到该片后的真实世界。在汽车领域中，挡风玻璃通常用作镜单元，在进行展示时必须考虑到其弯曲的形状。通过光学单元和镜单元的共同作用，虚像是由成像单元生成的图像的放大图。

从DE 41 02 678 A1披露了一种用于运输工具的平视显示器，该平视显示器具有：用于产生图像的成像单元、用于通过镜单元将图像投影到虚拟像平面上的光学单元、以及其入射角与出射角不相等的折叠镜。例如借助于全息摄影构件(借助于衍射光栅或菲涅尔反射镜)来实现这种特性。

US 5,313,326A、WO 2014/041689 A、US 2015/0362221 A1和US2018/252917A1同样示出了一种平视显示器，在这些平视显示器中使用其入射角与出射角不相等的折叠镜。

在这些已知的平视显示器中，其入射角与出射角不相等的折叠镜布置在成像路径上。在该处，具有这种特性的折叠镜可能对图像质量和/或杂散光敏感性有不利影响。

从US 2010/0195022 A1披露了一种用于液晶显示器的背光系统，其中光导的边缘设有多个反射表面，这些反射表面将紧密聚焦的激光束扩展为宽的光束。激光源的使用是在平视显示器中、然而主要是在使用微镜单元(所谓的DMD，digital micromirror device，数字微镜装置)的情况下已知的，这些微镜单元所需的光束的截面非常小、张开角度较小。

从US 2019/0212560 A1披露了一种平视显示器，其中光学元件具有带微观结构的反射镜，这些微观结构将光投射到显示元件上。被视为不利的是：对显示元件的照亮并不均匀，这种照亮具有暗条带。

从US 2020/0033600 A1披露了一种平视显示器，其中液晶显示元件应借助于偏振转换器尽可能多地使用由光源生成的非偏振光。

因此期望一种相比于已知的平视显示器经改进的平视显示器。

发明内容

根据本发明的平视显示器在权利要求1中给出。该平视显示器具有用于产生图像的成像单元和用于通过镜单元投影该图像的光学单元。成像单元具有折叠镜。折叠镜相对于从光源入射到其上的光的传播方向以某一迎角布置在该光源与由该光源透射的显示元件之间。迎角优选地小于45°，这能够实现较扁平的结构空间。折叠镜具有微观结构。这些微观结构具有第一镜面，这些第一镜面以与折叠镜的迎角不同的第一角度布置，并且这些微观结构以形成间隙的方式彼此间隔开。第二表面以第二角度布置在这些间隙中。偏振器将第一偏振的光引导至显示元件，并且将第二偏振的光引导到这些间隙中。相位延退器将被引导到这些间隙中的光的偏振转换成第一偏振。被引导到间隙中的光在通过这些间隙之后被引向显示元件的方向。这所具有的优点是：实现偏振循环，并且从间隙露出的光也传递至显示元件。在正常情况下，当显示元件是调制线偏振光的显示元件时，仅使用由光源生成的偏振方向中的一个偏振方向。例如在液晶显示器(LCD)中就是这种情况。根据本发明，借助于偏振器和相位延退器以充分利用折叠镜的间隙的方式将通常没有被使用的偏振转换为显示元件所需的偏振并且将其引导给该显示元件。被引导到间隙中并且通过这些间隙的光具有与由镜面偏振的光相同的偏振。因此，以无间隙的方式用单一偏振的光来照亮显示元件。在理想情况下，这还节省了额外的均匀化措施。这样的理想情况例如对于特定的占空比而存在。在真实系统中例如还借助散射体使条带结构分散。这样的散射于是还用于照亮眼盒(eyebox)。

根据一个改进方案，第一镜面彼此之间具有不同的第一角度/具有另外的第一角度。在这种情况下，具有相同的第一角度的第一镜面组还可以具有在一组与下一组之间不同的第一角度。然而，每个第一镜面尤其具有与相应其他的第一镜面不同的第一角度。这具有当折叠镜为弯曲的折叠镜(还被称为柱镜)时的作用。在此从宏观上看，折叠镜并不是弯曲的，而是具有微观结构的第一镜面和第二表面被布置成使得折叠镜像柱镜那样起作用。通过这种方式实现散开的辐射或散光，这是在平视显示器的某些情况下所期望的。

有利地，第一镜面被设计为反射偏振器，并且间隙被设计为使偏振方向旋转90°的相位延退器。这样的相位延退器还被称为λ/2片或半波片。这个根据本发明的变体所具有的优点是：将在镜面上反射光和用光填充镜面之间的间隙的这些功能集成到可以被单独地预先制造和测试的单一构件中。这还简化了装配。

根据本发明，折叠镜具有彼此平行的两个界面，这两个界面具有相同的、彼此偏置地布置的微观结构。尤其当间隙和镜面在到光的传播方向的投影中具有相同的延伸尺寸时，该设计方案是有利的。于是，偏移量有利地与该延伸尺寸一样大或者是其整数倍。在此还有利的是，可以在一个过程中制造折叠镜，并且然后省去宏观结构彼此之间的调整。

根据一个改进方案，折叠镜具有彼此平行的两个界面，其中上界面具有第一镜面并且下界面具有第一镜面。有利地，下界面的第一镜面彼此之间具有不同的第二角度。例如这由此可以实现：存在多组第一镜面，其中一组镜面相应地具有相同的第二角度，然而第二角度在组与组之间是不同的。在一个优选的变体中，下界面的各个第一镜面具有与相应另外的第一镜面不同的第二角度。这具有如下优点，即借助于下界面的第一镜面还实现散开的辐射或散光。下界面的各个第一镜面具有一定的角度(其被称为第二角度)，并且该角度的值介于上界面的相邻两个第一镜面的角度的值之间。上界面的第一镜面的角度被称为第一角度。在此还有利的是，可以在一个过程中制造折叠镜，并且然后省去宏观结构彼此之间的调整。

根据本发明的一个变体，偏振器被设计为反射偏振器并且被布置在折叠镜与显示元件之间。根据该变体，相位延退器是将线偏振转换成圆偏振并且被光穿过两次的相位延退器。这样的相位延退器也被称为λ/4片或四分之一波片。因此，在此对λ/2相位延退器的作用进行划分并且将延迟分配给两次通过。该变体的相位延退器布置在折叠镜与偏振器之间。这所具有的优点是：构件可被设计成平面式的，由此可以使用大批量制造的成本有效的构件。

有利地，将如下显示元件的耦入侧的偏振器用作偏振器，该显示元件(例如是液晶显示元件)需要偏振的耦入光。这节省构件并且还由于有待使光通过的界面的数量较少而伴随较低的光输出损耗和较小的干扰。

有利地，根据该变体的偏振器和相位延退器还一件式地被设计为反射圆偏振器。

有利地，反射偏振器相对于从折叠镜触发、射到该反射偏振器的光的传播方向以与90°不同的角度倾斜，并且这些反射性的第二表面与反射偏振器平行地布置。这具有的优点是：由反射偏振器反射的光(光没有发散或几乎没有发散)不是被反射回到第一镜面上，而是在适当地选择角度和距离的情况下被反射回到间隙中的第二反射表面之一上。由第二反射表面使光平行于由第一镜面反射的光朝向偏振器的方向被反射，在借助于相位延退器调节偏振方向之后，从该偏振器将光传送出。因此，两种偏振的非常大部分的光得到利用，并且这些间隙几乎不会引起暗区。显示元件非常均匀地被照亮。

根据本发明的一个变体，折叠镜是具有楔形截面的透明体的一部分，其中楔形基面是朝向光源的光入射面，这些微观结构布置在该楔形的较大的侧面中的一个侧面上，并且该楔形的另外的较大的侧面是朝向显示元件的光出射面。这具有的优点是：透明体是大体积构件，该构件与非常薄的构件相比更不易受影响，这简化了制造过程中的操作。透明体例如在较大的模具中被浇铸并且随后在光出射面上被提供以偏振器功能和相位延退器功能(例如被提供以对应的涂层)。这是经过验证的制造方法，这些制造方法提供可靠的结果。

有利地设有反射性的第二表面，它们相应地成对地形成逆反射器。这样的布置针对于角度倾斜而言是牢固的。即使在折叠镜没有精确地与待入射的光对准的情况下，所述折叠镜的反射方式也是使得出射光平行于入射光延伸。

有利地，第一镜面彼此之间具有不同的角度。如上文提到的，这可以以分组的方式实现。根据一个优选的变体，各个第一镜面具有不同的第一角度，并且反射偏振器具有第一偏振器表面和第二偏振器表面，它们相应地成对地形成逆反射器。因此，在反射偏振器处发生反射的情况下使由第一镜面散开的光被反射180°，而这与光以多大角度射到反射偏振器上无关。当第二表面同样被设计为逆反射器时，在第二表面上的反射也以180°进行。因此，在所述两次反射之后维持由第一镜面引起的角度散开，然后在其偏振方面被旋转了的光以与在首次射到反射偏振器上时就已被偏振成使其可以通过该反射偏振器的光相同的角度通过该反射偏振器。在此还实现了散开的辐射或散光，这是在平视显示器的某些情况下所期望的。

同样有利地，折叠镜和显示元件彼此平行地定向。因此，从折叠镜出发、射到显示元件上的光束经过等长的路径距离。因此实现了显示元件的均匀照亮，因为在这种情况下不会出现由路径距离差异而引起的偏差。

当通常在平视显示器中其特性为入射角和出射角(从宏观上看)不相等的折叠镜被定向成与所述平视显示器的显示元件平行时，也会出现这一优点。

附图说明

本发明的其他特征将结合附图从以下描述和所附权利要求中变得显而易见。

图1示意性地示出了根据现有技术的用于机动车辆的平视显示器；

图2示意性地示出了平视显示器的成像单元；

图3示意性地示出了根据本发明的平视显示器的成像单元；

图4示意性地示出了平视显示器的折叠镜；

图5示意性地示出了第一实施方式的一部分；

图6示意性地示出了第二实施方式的一部分；

图7示意性地示出了第三实施方式的一部分；

图8示出了针对第一实施方式的变体；

图9示出了另外的实施方式；

图10示出了具有弯曲的折叠镜的第一实施方式；

图11示出了具有弯曲的折叠镜的第二实施方式。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的原理，下面借助附图更加详细地阐述本发明的实施方式。相同的附图标记在附图中用于相同的或起相同作用的元件，并且不必针对每个附图重新进行描述。应理解的是：本发明并不限于所展示的实施方式，并且在不脱离本发明的、如在所附权利要求中所限定的保护范围的情况下，所描述的特征还可以被组合或修改。

图1示出了根据现有技术的用于机动车辆的平视显示器的原理简图。平视显示器具有成像单元1、光学单元2和镜单元3。射束SB1从显示元件11发出，该射束被第一反射镜21反射到弯曲的反射镜22上，该弯曲的反射镜使该射束朝向镜单元3的方向反射。镜单元3在此被展示为机动车辆的挡风玻璃31。射束SB2从该处朝向观察者的眼睛61的方向传递。

观察者看到虚像VB，该虚像处于在机动车辆外部的引擎盖上方或者甚至位于机动车辆前方。通过光学单元2和镜单元3的共同作用，虚像VB是由显示元件11显示的图像的放大图。在此象征性地展示速度极限、当前车速以及导航指令。只要眼睛61处于矩形所指示的眼盒62之内，虚像的所有元素就均可以被眼睛61看到。如果眼睛61处于眼盒62之外，那么虚像VB对于观察者而言只能部分地被看到或者甚至无法被看到。眼盒62越大，观察者在选择其就座位置时所受的限制就越小。

弯曲的反射镜22的曲率与挡风玻璃31的曲率相匹配并且确保整个眼盒62上的像畸变稳定。弯曲的反射镜22借助于支承件221被可旋转地支承。弯曲的反射镜22的由此可被实现的旋转能够使眼盒62移位并且因此能够使眼盒62的位置与眼睛61的位置相匹配。第一反射镜21用于使得在显示元件11与弯曲的反射镜22之间射束SB1所经过的路径较长并且同时光学单元2仍然很紧凑。藉由透明盖板23使光学单元2与周围环境隔离。因此保护光学单元2的光学元件例如不受车辆内部空间内的灰尘影响。遮光件24用于可靠地吸收被反射到盖板23的界面上的光，从而不会引起观察者眩目。除了太阳光SL之外，其他杂散光源64的光也可能传递至显示元件11。

图2示意性地示出了平视显示器的成像单元1。示出了光源12，该光源的光被准直仪13准直。经准直后的光束在像平面上具有垂直于其传播方向ABR1的高度h。光束被以相对于传播方向ABR1成角度α＝45°布置的反射镜14反射并且沿其以相对于传播方向ABR1成90°的角度定向的传播方向ABR2透射过显示元件11，从该显示元件处开始，光束作为射束SB1入射到在此未展示的光学单元2。显示元件11不是与传播方向ABR2垂直地布置的，而是以与90°不同的角度(该角度在此被展示为特别明显地与90°相异)布置的。

图3示意性地示出了根据本发明的平视显示器的成像单元。示出了根据本发明的折叠镜15，该折叠镜是以β<45°的角度布置的。由于所述折叠镜的入射角与出射角不相等的特性，与前述图示相比，从光源12出发、射到所述折叠镜上的光以及沿传播方向ABR2朝向显示元件11的方向被所述折叠镜反射的光的原则上的传播方向ABR1没有发生任何变化。然而，与前述图示相比，光源12和准直仪13的延伸尺寸、以及经准直的光束的高度h'是更小的。因此实现节省结构空间。该图示中的高度h'小于前述图示中的高度h。这不仅意味着组件的空间需求更小，而且还意味着照明单元(在此是光源12)仅需产生更平坦的光束，由此还使得光源12更紧凑。同样重要的结构空间优点是基于，在保持显示器区域内的期望角度的同时可以更自由地定位光源。此外，在该实现方式中，较小的光源节省空间，例如该光源作为发光二极管。

为了清楚起见，在图示中，显示元件11与折叠镜15之间的距离被展示得大于实际距离。在该图示中，根据本发明所实现的结构空间节省主要可以从高度h'方面看出，即该高度小于前述图示的高度h。显示元件11的照亮区域看起来也比在前述图示中的更小，这同样情况并非如此，而是由于示意性图示所致。

图4示意性地示出了平视显示器的折叠镜15。折叠镜15具有第一界面151(入射到该第一界面上的光被反射)和第二界面152。可以看到，折叠镜15在其第一界面151(反射表面)上具有多个微观结构16，各个微观结构本身均满足已知的规则，即入射角与出射角相等。从宏观上看，以对微观结构16取平均的方式，第一界面151和第二界面152彼此平行。微观结构16具有第一镜面161，这些第一镜面在所示出的实施例中相对于传播方向ABR1和传播方向ABR2成45°的角度。在传播方向ABR1上，相应两个镜面161之间存在间隙163。镜面161在间隙163处通过适合的第二表面162相互连接。

从宏观上观察，折叠镜15的入射角θ1大于其出射角θ2，该入射角和该出射角分别相对于界面151、152上的垂线被标示出。在所示出的实施例中，θ1＝90°-β并且θ2＝β。示出了沿传播方向ABR1的入射射束ESB，该入射射束在折叠镜15上发生反射之后作为出射射束ASB沿传播方向ASR2离开折叠镜15。

经预先准直的光源(其可能由彼此并排布置的多个单光源、所谓的阵列构成)要么直接照射到显示元件(在下文中被称为显示器)后方的漫射体上，要么预先通过折叠镜被转向。在这些光源的情况下，从宏观上看，入射角＝出射角。这导致结构空间冲突。在阵列单元之间的拐角或边缘处可能出现特别严重的颜色偏差和亮度偏差。通常使用发光二极管(LED)作为光源。LED光的与显示器偏振器不相配的偏振方向被显示器阻挡并丢失。这需要额外的部件或在显示器中发生并使该显示器变热。折叠镜倾斜某一角度使得照明光的角度改变双倍的角度。

这样的解决方案具有如下缺点：结构空间需求增大(这限制了图像大小)，要求阵列具有相对较高的单元数量，颜色和亮度不均匀，以及由于偏振分量损耗而导致效率损耗。期望并且根据本发明示出了针对可以与给定的结构空间要求相一致的图像生成单元的改进方案。

本发明的核心构思在于被精细分级的折叠镜15，从宏观上看该折叠镜不同于入射角＝出射角的常规反射镜14的(参见图4)并且能够借助在下文中描述的改进方案实现偏振循环。通过这种方式获得的特性和自由度提供了一整套可行设计方案，其优点不止于节省结构空间。

由此，一方面得到特别节省空间的可行方案，以将图像生成单元1的光路折叠到结构空间中。通过将光分布划分成彼此被拉开的条带而使光分布得到扩展。由此可以缩小原本的照明单元。这有助于避免图像区域内出现阵列边界并且改善均匀性。根据本发明的实施变体允许对公差不敏感的设计并且允许通过偏振循环来提高效率。

图5示意性地示出了根据本发明的第一实施方式的一部分。示出了如下折叠镜15，其上界面151具有微观结构16，而其下界面152并不具有特别的、就本发明而言的基本光学特性或几何特性。微观结构16具有第一镜面161，这些第一镜面相对于入射光的传播方向ABR1成45°的角度。在第一镜面161之间存在间隙163，在这些间隙中布置有第二表面162，第二表面同样被设计为反射表面。第二表面162与入射光的传播方向ABR1平行地定向。在折叠镜15的上方布置有相位延退器18和偏振器17。在本实施例中，相位延退器18具有四分之一波片的特性，也就是说，该相位延退器将线偏振的耦入光转换为圆偏振的耦出光，并且反之亦然。偏振器17是反射偏振器，其允许具有第一偏振方向的线偏振光通过并且反射与之垂直的偏振光。

由光源12生成并且经准直仪13准直的非偏振光L1从左侧沿传播方向ABR1射到折叠镜15上。在此，为了清楚起见，仅示例性地标示出一道光束。非偏振光L1被镜面161反射。非偏振光作为非偏振光L2沿传播方向ABR2传递至相位延退器18、通过该相位延退器并且作为非偏振光L3离开该相位延退器。非偏振光射到反射偏振器17上，该反射偏振器允许s偏振光L4s通过(传送)并且使p偏振光L4p被投射返回(反射)。为了清楚起见，这在该图示中以向右偏移的方式示意性展示。p偏振光L4p通过相位延退器18并且作为圆偏振光L5z离开相位延退器。该圆偏振光射到反射性的第二表面162上并且作为圆偏振光L6z被这些反射性的第二表面再次反射到相位延退器18。圆偏振光通过该相位延退器并且作为s偏振光L7s离开该相位延退器。该s偏振光通过反射偏振器17，这是因为s偏振光现在具有如下偏振方向，该反射偏振器不是反射、而是传送该偏振方向。因此，另外的s偏振光L8s朝显示元件11的方向传递。

在该图示中，相应描述的光Lxn(x＝1,2,...；n＝p/z/s/_)是与相应的传播方向ABR1、ABR2平行地标示的，并且在偏振器17处或在反射性的第二表面162处发生的反射是以侧向偏移的方式绘制的。后者表明：光在正常情况下不是由理想的平行光线形成、而是由至少稍微发散的光线形成。这些光线很大一部分被偏振器17倾斜反射，从而使其传递至反射性的第二表面162上并且在该处被再次反射。附加地或替代性地，第一镜面161能够设有这样的弧度，即该弧度使由第一镜面反射的光L2已经比射到其上的光L1更发散。其他的可行方案在于，使偏振器成波形或倾斜。在倾斜的情况下，有利地调整镜面162的斜度，以使角度偏差最小化。利用这些措施中的一个或多个措施，由偏振器17传送的光L4s的一部分已经填补了在朝向显示元件11传递的光中的由于间隙163而引起的暗区的一部分。另一方面，光L8s也传递至所述暗区中。该光比原本入射的光L1更多地传递至显示元件11并且具有更均匀的亮度特征曲线。显示元件11以一定的距离处于偏振器17的上方并且在此并未被标示出。根据在更下文中描述的变体可以有利地设计所标记的区域F8。

图6示意性地示出了第二实施方式的一部分。在此，折叠镜15是透明体19的一部分。透明体19具有楔形截面，这在此以截面示出。该楔形的顶端(位于该图示右侧)被截断并且因此并未示出。楔形基面191是朝向光源的光入射面的楔形基面。微观结构16布置在该楔形的较大的侧面192之一上。该楔形的其他较大的侧面193形成朝向显示元件11的光出射面。

在未在这里展示的实施方式中，微观结构16、偏振器17和相位延退器18的布置方式与前述图示中所示出的一样。在这里所示出的实施方式中，第一反射镜面161(如前所述地)被布置成相对于传播方向ABR1、ABR2成45°的角度。然而，反射性的第二表面162并不是与传播方向ABR1平行地布置，而是相对于该传播方向成锐角地倾斜。反射性的第二表面以如下方式倾斜，即：使得它们不会在从左侧入射的光L1通向这些第一镜面161之一的路径上阻挡光，而是(在光的传播方向上看)从一个第一镜面161向下一个第一镜面倾斜。楔形的透明体19的其他较大的侧面193具有与反射性的第二表面162相同的斜度。这可以从侧面193的法线193N与传播方向ABR2之间的锐角看出。偏振器(在此被设计为反射性的圆偏振器172且其中组合了相位延退器18的功能)布置在侧面193上并且因此具有相同的斜度。较大的第一侧面192设有反射镜涂层。

由光源12生成并且经准直仪13准直的非偏振光L1从左侧沿传播方向ABR1射到折叠镜15上。在此，为了清楚起见，仅示例性地标示出几道光束。非偏振光L1被镜面161反射。该非偏振光作为非偏振光L2沿传播方向ABR2传递至反射性的圆偏振器172。该反射性的圆偏振器传送s偏振光L4s并且反射圆偏振光L5z。由于在侧面193上的垂线相对于传播方向ABR2略微倾斜，因此圆偏振光L5z相对于传播方向ABR2以与0°不同的角度传播。该圆偏振光射到反射性的第二表面162上并且作为圆偏振光L6z被这些反射性的第二表面再次反射到相位延退器18。由于反射性的第二表面162的倾斜布置，现在圆偏振光再次平行于传播方向ABR2传播。圆偏振光射到反射性的圆偏振器172上并且由该反射性的圆偏振器传送。因此，另外的s偏振光L8s朝显示元件11的方向传递。

因此该图示也是针对本发明变体的示例，其中反射偏振器172相对于从折叠镜15出发、射到反射偏振器上的光L2的传播方向ABR2以与90°不同的角度倾斜，并且反射性的第二表面162与反射偏振器172平行地布置。

图7示意性地示出了第三实施方式的一部分。在此，折叠镜15具有第一界面151和第二界面152，这二者彼此平行地布置并且具有彼此偏移地布置的微观结构16、16'。在所展示的实施例中，偏移量被选择成使得第一界面151的第一镜面161和第二界面152的第一镜面161'在从光源12发出的光L1的传播方向ABR1上彼此相继。第一界面151的第一镜面161和第二界面152的第二表面162'、以及第一界面151的第二表面162和第二界面152的第一镜面161'在与该传播方向垂直的传播方向ABR2上彼此相继。第一界面151的镜面161被设计为反射偏振器17。第一界面151的第二表面162被设计为使偏振方向旋转90°的相位延退器18。第二界面152的第一镜面161'被设计为不影响偏振的反射镜。第一镜面161、161'被布置成既相对于从光源12发出的光L1的传播方向ABR1、又相对于朝向显示元件11延伸的光的传播方向ABR2成45°的角度。第二表面162、162'被布置成与从光源12发出的光L1的传播方向ABR1平行。

由光源12生成并且经准直仪13准直的非偏振光L1从左侧沿传播方向ABR1射到折叠镜15上。在此，为了清楚起见，仅示例性地标示出一道光束。非偏振光L1被镜面161反射作为s偏振光L2s并且被传送作为p偏振光L2p。s偏振光L2s沿传播方向ABR2朝显示元件11的方向传递。p偏振光L2p被第二界面152的第一镜面161'反射并且作为p偏振光L3p从内部传递至第一界面151的第二表面162。由于这些第二表面被设计为使偏振旋转90°的相位延退器18，因此它们传送射到其上的光，光作为s偏振光L4s沿传播方向ABR2在间隙163的区域中离开这些第二表面。因此，另外的s偏振光L4s朝显示元件11的方向传递。

图8以有利的变体示出了在图5中标记的区域F8。在此设有两个反射性的第二表面1621、1622来代替单一的表面，这两个反射性的第二表面被布置成相对于彼此成直角。因此其被用作逆反射器。在此，入射光L5z在任何情况下均被反射成使得出射光L6z与其平行地定向。在图5中示出的变体中入射光和出射光只有在入射光正好成直角地射到反射表面162上时才彼此平行，而在逆反射器的情况下即使出现角度偏差情况也是如此。

图9示出了成像单元1，如类似于图3所描述的。然而，在此，显示元件11是以与折叠镜15相同的角度β布置的。折叠镜15和显示元件11因此彼此平行地定向。因此，从折叠镜15出发、射到显示元件11上的光束具有等长的路径距离。因此，实现了显示元件11的均匀照亮，因为在这种情况下不会出现由路径差异而引起的偏差。这在使用平面的显示元件11的情况下是尤其有利的，该显示元件例如由单一的平面发光元件或者由如下LED阵列构成，即在该LED阵列中，多个LED被布置成分布在一个表面上。当通常在平视显示器中其特性为入射角和出射角(从宏观上看)不相等的折叠镜被定向成与所述平视显示器的显示元件平行时，也会出现这一优点。

图10示意性地示出了具有弯曲的折叠镜15的第一实施方式的一部分。在此从宏观上看，折叠镜15并不是弯曲的，而是微观结构16被布置成使得折叠镜15像柱镜那样起作用。折叠镜15具有彼此平行的两个界面151、152。上界面151是入射光L1首先到达的界面。上界面151具有第一镜面161-i，其中i＝1,2,3,...，在此展示的实施例中示出了这些第一镜面中的镜面161-1、161-2和161-3。上界面151具有第二表面162-i，其中i＝1,2,3,...，在此展示的实施例中示出了这些第二表面中的第二表面162-1、162-2和162-3。这些第二表面位于镜面161-i之间的间隙163处。下界面152是(被传送穿过上界面151的)光L2p射到其上的那些界面。下界面152具有镜面161'-1、161'-2和161'-3。

在所示出的第一镜面161-i中，第一镜面161-1相对于传播方向ABR1成第一角度δ1，第一镜面161-2相对于传播方向ABR1成第一角度δ2，并且第一镜面161-3相对于传播方向ABR1成第一角度δ3。在此，第一角度δ1、δ2和δ3彼此略有不同。因此，各个第一镜面161-i具有不同的第一角度δi。下界面152的第一镜面161'-1具有相对于传播方向ABR1的第二角度φ1。第一镜面161'-2具有相对于传播方向ABR1的第二角度φ2。第一镜面161'-3具有相对于传播方向ABR1的第二角度φ3。因此，下界面152的第一镜面161'-i中的各个第一镜面分别具有与相应另外的第一镜面161'-i不同的第二角度φi。第一角度δi和第二角度φi在所示出的实施例中从左向右递减。成立的是：δ1<φ1<δ2<φ2<δ3<φ3。因此，每个第二角度φi的值介于相邻的两个第一镜面161-i的第一角度δi的值之间。向上离开折叠镜15的光束Lxs因此均匀地散开。第二表面162-i、162-i'被布置成与从光源12发出的光L1的传播方向ABR1平行。

上界面151的镜面161-i被设计为反射偏振器17。第一界面151的第二表面162-i被设计为使偏振方向旋转90°的相位延退器18。下界面152的第一镜面161'-i被设计为不影响偏振的反射镜。

由光源12生成并且经准直仪13准直的非偏振光L1从左侧沿传播方向ABR1射到折叠镜15上。在此，为了清楚起见，仅示例性地标示出几道光束。非偏振光L1、L5被镜面161-i反射作为s偏振光L2s、L6s并且被传送作为p偏振光L2p、L6p。s偏振光L2s、L6s向上朝显示元件11的方向传递。p偏振光L2p、L6p被第二界面152的第一镜面161'-1、161'-2反射并且作为p偏振光L3p、L7p从内部传递至第一界面151的第二表面162-i。由于这些第二表面被设计为使偏振旋转90°的相位延退器18，因此它们传送射到其上的光，光作为s偏振光L4s、L8s在该图示中向上在间隙163的区域中离开这些第二表面。因此，另外的s偏振光L4s、L8s朝显示元件11的方向传递。清楚的是，朝向显示元件11的方向延伸的光Lxs由散开的光束构成。

图11示意性地示出了具有弯曲的折叠镜15的第二实施方式的一部分。在此从宏观上看，折叠镜15也不是弯曲的，而是微观结构16被布置成使得折叠镜15像柱镜那样起作用。折叠镜15的上界面151具有微观结构16，并且其下界面152并不具有特别的、就本发明而言的基本光学特性或几何特性。微观结构16具有第一镜面161-i，这些第一镜面中的镜面161-1至161-5被示出。这些第一镜面161-i中的每个第一镜面均相对于入射光的传播方向ABR1具有第一角度δi，该第一角度不同于其他的第一角度δi。在第一镜面161-i之间存在间隙163，在这些间隙中布置有第二表面162，第二表面同样被设计为反射表面。作为第二表面162，替代于相应单一的表面，设有两个反射性的第二表面1621、1622，这两个反射性的第二表面相对于彼此成直角地布置。因此其被用作逆反射器。在折叠镜15的上方布置有相位延退器18和偏振器17。在本实施例中，相位延退器18具有四分之一波片的特性，也就是说，该相位延退器将线偏振的耦入光转换为圆偏振的耦出光，并且反之亦然。偏振器17是反射偏振器，其允许具有第一偏振方向的线偏振光通过并且反射与之垂直的偏振光。替代于单一的表面，偏振器具有成对地布置的多个偏振器表面1701、1702，这些偏振器表面相对于彼此成直角地布置。因此其被用作逆反射器。

由光源12生成并且经准直仪13准直的非偏振光L1从左侧沿传播方向ABR1射到折叠镜15上。在此，为了清楚起见，仅示例性地标示出几道光束。非偏振光L1被镜面161-3反射。非偏振光向上作为非偏振光L2传递至相位延退器18、通过该相位延退器并且作为非偏振光L3离开该相位延退器。非偏振光射到被设计为逆反射器的反射偏振器17上，该反射偏振器允许s偏振光L4s通过(传送)并且使p偏振光L4p被投射返回(反射)。p偏振光L4p通过相位延退器18并且作为圆偏振光L5z离开相位延退器。圆偏振光射到同样被设计为逆反射器的反射性的第二表面162之一上并且作为圆偏振光L6z被这些反射性的第二表面再次反射至相位延退器18。圆偏振光通过该相位延退器并且作为s偏振光L7s离开该相位延退器。该s偏振光通过反射偏振器17，这是因为s偏振光现在具有如下偏振方向，该反射偏振器不是反射、而是传送该偏振方向。因此，另外的s偏振光L8s朝显示元件11的方向传递。

根据在此未详细阐述的另外的变体，如针对图6所描述的那样设置有透明体19，该透明体设有相对应的微观结构。在那里，反射偏振器17和相位延退器18的功能在如下圆偏振器172中实现，该圆偏振器借助于第一偏振器表面和第二偏振器表面1701和1702被设计为逆反射器。

换言之，本发明涉及一种这样的平视显示器，该平视显示器具有提高效率、节省成本和结构空间的成像单元1，该成像单元具有折叠镜15，其中从宏观上看入射角和出射角不相等。这样的单元还被称为“blazed-mirror-PGU(闪耀反射镜PGU)”(PGU：PictureGenerating Unit，成像单元)。本发明涉及平视显示器(HUD)领域和另外的显示器系统，这些显示器系统使用具有特定偏振的、被定向的光，例如是基于液晶显示元件。当前大多数基于LED的TFT-HUD(TFT：Thin Film Transistor，薄膜晶体管，液晶显示器的变体)针对照明光的偏振分量具有几乎完全的光输出损耗。这种光输出损耗通常在外部的偏振滤光器中实现，以便减小显示元件11的变热。在市场上以及在文献资料中存在再利用部分“错误”偏振的光的第一系统。这些提高效率的系统要求有额外的部件以及因此额外的结构空间和成本。常规系统需要更多能量，有关这一点越来越多地被考虑到(例如电动车辆的行驶里程)。尤其随着图像大小的不断增大而使得热负载对系统/部件而言越来越关键。期望以下各项或其组合：提高效率、减小结构空间或在结构空间保持不变的同时增大虚像、降低成本、均匀照亮。根据本发明来实现其中的至少一项。

在使用入射角与出射角不相等的折叠镜(闪耀反射镜)的情况下，从显示元件11的角度看产生不发出任何光的条带。根据本发明利用这些区域、即间隙163来再利用具有不期望的偏振分量的光，其方式为改变光的偏振状态并且再次将光引导至显示元件11并且由此使光可被用于对显示元件11进行背光照射。由此，HUD更便宜并且能量需求、结构空间需求和/或冷却需求更低并且照亮更均匀。本发明还可以更普遍地被用于具有更窄视角、对效率敏感、被背光照射的其他显示元件。本发明还可以被用于投影系统，例如基于DMD技术(DMD：Digital Micromirror Device，数字微镜装置，即装置的光偏转是基于数字控制的一个或多个微镜)或LCos技术(LCoS：Liquid Crystal on Silicon，硅基液晶，即光调制是基于安装在硅载体上的液晶)。这于是涉及如下显示单元，该显示单元具有用于产生图像的成像单元1，其中该成像单元具有折叠镜，折叠镜相对于从光源入射到其上的光的传播方向以某一迎角布置在该光源与由该光源透射的显示元件之间，折叠镜具有微观结构，其中这些微观结构具有第一镜面，这些第一镜面以与折叠镜的迎角不同的第一角度布置，并且这些微观结构以形成间隙的方式彼此间隔开，其中第二表面以第二角度布置在这些间隙中，偏振器将第一偏振的光引导至显示元件，并且将第二偏振的光引导到这些间隙中；相位延退器将被引导到这些间隙中的光的偏振转换成第一偏振，并且被引导到间隙中的光在通过这些间隙之后被引向显示元件的方向。根据本发明的一个变体，具有不期望的偏振的光被显示器下方的反射性的圆偏振器172投射返回折叠镜15，光在该处被反射到之前的死区(即间隙163)中、然后被圆偏振器172转变成有效方向并且因此被再利用。

根据一个变体，针对显示元件的倾斜来优化折叠镜(还被称为闪耀反射镜)以其布置的角度。有利的实施方式在于，使闪耀反射镜尽可能地平行于显示元件定向。然后，以最大程度均匀的方式使其结构分散。在当前使用的、具有LED阵列的成像单元中，在LED距布置在显示元件下方的散射元件的距离方面部分地存在明显的相对差异，这是因为显示元件是倾斜的。这致使LED阵列的可见程度不同。利用折叠镜和显示元件平行定向的方案来显著降低这种不期望的效应。显示元件距折叠镜的相同的距离意味着较小的相对路径差异。

散光功能(即，传递至显示元件11的光散开)根据本发明的变体如下地实现。反射从左侧入射的光的表面161-i的角度δi逐渐改变其角度值。因此，从狭义上看不再存在折叠镜15，而是如此设计的折叠镜15是在某一方向上弯曲的。即，存在所谓的闪耀柱镜。该闪耀柱镜应被平缓地削面、即设有平坦的镜面161-i，例如在图11中示出的。在该处，在折叠镜15上发生反射之后必须处理不再垂直于反射偏振器17射出的光。被反射的光束可能会因此彼此分离。因此在图11的实施例中提出，将两个反射结构设计为逆反射器，从而使循环后的光也具有向相应位置的期望辐射方向。

Claims (12)

1.一种用于运输工具的平视显示器，该平视显示器具有：

-用于产生图像的成像单元(1)；

-用于借助于镜单元(3)投影该图像的光学单元(2)；

其中

-该成像单元(1)具有折叠镜(15)，

-该折叠镜(15)相对于从光源(11)入射到该折叠镜上的光(L1)的传播方向(ABR1)以迎角(β)布置在该光源(12)与由该光源透射的显示元件(11)之间，

-该折叠镜(15)具有微观结构(16)，

--其中，这些微观结构(16)具有第一镜面(161，161-i，161'，161'-i)，这些第一镜面以与该折叠镜(15)的迎角(β)不同的第一角度布置；并且这些微观结构以形成间隙(163)的方式彼此间隔开，

--其中，第二表面(162，162-i，162'，162'-i)以第二角度布置在这些间隙(163)中；

-偏振器(17，172)将第一偏振的光引导至该显示元件(11)，并且将第二偏振的光引导到这些间隙(163)中，

-相位延退器(18)将被引导到这些间隙(163)中的光(L2p，L4p)的偏振转换成该第一偏振，并且

-被引导到这些间隙(163)中的光在通过这些间隙(163)之后被引向显示元件(11)的方向。

2.根据权利要求1所述的平视显示器，其中，这些第一镜面(161-i)彼此之间具有不同的第一角度(δi)。

3.根据权利要求1或2所述的平视显示器，其中，这些第一镜面(161，161-i)被设计为反射偏振器(17)，这些间隙(163)被设计为使偏振方向旋转90°的相位延退器(18)。

4.根据权利要求3所述的平视显示器，其中，该折叠镜(15)具有彼此平行的两个界面(151，152)，这两个界面具有相同的、彼此偏置地布置的微观结构(16，16')。

5.根据权利要求2和3所述的平视显示器，其中

-该折叠镜(15)具有彼此平行的两个界面(151，152)，其中该上界面(151)具有第一镜面(161-i)，该下界面(152)具有第一镜面(161'-i)，

-该下界面(152)的第一镜面(161'-i)彼此之间具有不同的第二角度(φi)，并且

-每个第二角度(φi)的值介于相邻的两个第一镜面(161-i)的第一角度(δi)的值之间。

6.根据权利要求1所述的平视显示器，其中

-该偏振器(17)被设计为反射偏振器(17)并且布置在折叠镜(15)与显示元件(11)之间，

-该相位延退器(18)被设计为将线偏振转换成圆偏振的相位延退器(18)，并且布置在折叠镜(15)与偏振器(17)之间。

7.根据权利要求6所述的平视显示器，其中，这些反射性的第二表面(1621，1622)相应地成对地形成逆反射器。

8.根据权利要求7所述的平视显示器，其中

-这些第一镜面(161-i)彼此之间具有不同的第一角度(δi)，并且

-该反射偏振器(17)具有第一偏振器表面(1701)和第二偏振器表面(1702)，它们相应地成对地形成逆反射器。

9.根据权利要求5所述的平视显示器，其中，该反射偏振器(17)相对于从该折叠镜(15)出发、射到该反射偏振器上的光(L2)的传播方向(ABR2)以与90°不同的角度倾斜，并且这些反射性的第二表面(162)与该反射偏振器(17)平行地布置。

10.根据权利要求6至9之一所述的平视显示器，其中，该折叠镜(15)是具有楔形截面的透明体(19)的一部分，楔形基面(191)是朝向该光源(12)的光入射面，这些微观结构(16)布置在这些较大的侧面(192)中的一个侧面上，并且该另外的较大的侧面(193)是朝向该显示元件(11)的光出射面。

11.根据前述权利要求之一所述的平视显示器，其中，该折叠镜(15)和该显示元件(11)彼此平行地定向。

12.一种用于运输工具的平视显示器，该平视显示器具有：

-用于产生图像的成像单元(1)；

-用于借助于镜单元(3)投影该图像的光学单元(2)；

其中

-该成像单元(1)具有折叠镜(15)，

-该折叠镜(15)相对于从光源(11)入射到该折叠镜上的光(L1)的传播方向(ABR1)以迎角(β)布置在该光源(12)与由该光源透射的显示元件(11)之间，

-该折叠镜(15)具有微观结构(16)，这些微观结构具有第一镜面(161，161-i，161')，这些第一镜面以与该折叠镜(15)的迎角(β)不同的第一角度布置，

其中折叠镜(15)和显示元件(11)彼此平行地定向。

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