CN117203566A - 改善的紧凑型平视显示器 - Google Patents

Abstract

平视显示器系统包括偏振分束器、折叠反射镜、平视显示器反射镜以及被配置为发射画面光的画面生成单元。偏振分束器、折叠反射镜和平视显示器反射镜限定腔，并且画面生成单元被设置在该腔的外部。从画面生成单元发射的画面光在第一次被偏振分束器透射之后进入该腔，并且该画面光在第二次被偏振分束器透射之后离开该腔。

Description

改善的紧凑型平视显示器

发明内容

在本说明书的一些方面，提供了一种平视显示器系统，该平视显示器系统包括偏振分束器、折叠反射镜、平视显示器反射镜以及被配置为发射画面光的画面生成单元。偏振分束器、折叠反射镜和平视显示器反射镜被构造成限定腔。画面生成单元设置在腔的外部，使得从画面生成单元发射的画面光在第一次被偏振分束器透射之后进入腔，并且在第二次被偏振分束器透射之后离开腔。

在本说明书的一些方面，提供了一种用于向观察者显示图像的平视显示器，该平视显示器包括被配置为发射画面光的画面生成单元、至少一个反射镜和偏振分束器。由画面生成单元发射的画面光至少在被至少一个反射镜反射至少一次并且被偏振分束器透射两次之后显示给观察者。

附图说明

图1是根据本说明书的实施方案的紧凑型平视显示器系统的示意图；

图2是根据本说明书的另选实施方案的紧凑型平视显示器系统的示意图；

图3是在根据本说明书的实施方案的紧凑型平视显示器系统中使用的冷反射镜的侧视图；

图4A和图4B根据本说明书的实施方案限定用于紧凑型平视显示器的光路；并且

图5A和图5B根据本说明书的另选实施方案限定用于紧凑型平视显示器的光路。

具体实施方式

在以下说明中参考附图，该附图形成本发明的一部分并且其中以举例说明的方式示出各种实施方案。附图未必按比例绘制。应当理解，在不脱离本说明书的范围或实质的情况下，可设想并进行其他实施方案。因此，以下具体实施方式不应被视为具有限制意义。

在汽车市场中存在对平视显示器(HUD)的日益增长的需求，但是附加能力(例如，增强现实特征)的引入已经实现HUD的物理体积的稳定增长。可以通过设计紧凑的HUD来减小HUD所占用的体积，在紧凑的HUD中，使用被配置为创建具有适当焦距但占用较少物理体积的光路的偏振膜和反射镜来折叠光路。然而，此类设计可能具有眩光和阳光反射的问题，部分是由于这些折叠系统中所需的主HUD反射镜和/或偏振分束器的取向和放置，这可能导致入射阳光沿着光路被反射回来并干扰挡风玻璃上显示的虚像。

根据本说明书的一些方面，提供了一种减少或消除虚像中的阳光反射的平视显示器。在一些实施方案中，这可以通过将系统内的部件配置为提供对沿着光路的太阳光反射没有贡献的表面角度来实现。在一些实施方案中，画面生成单元(例如，用于创建虚像的显示器)的位置在平视显示器系统中被移位以便在偏振分束器上实现高倾斜角，同时仍允许系统中的物理体积的最小使用。这种配置还有助于通过改变光路的路线以使得由画面生成单元发射的光的路径不同于反射的阳光的出射路径来消除来自主HUD反射镜的反射。

根据本说明书的一些方面，平视显示器系统可包括偏振分束器、折叠反射镜、平视显示器反射镜以及被配置为发射画面光的画面生成单元。在一些实施方案中，偏振分束器、折叠反射镜和平视显示器反射镜被构造成限定腔(即，由偏振分束器、折叠反射镜和平视显示器反射镜的平面大致界定的空间)。在一些实施方案中，画面生成单元(例如，LCD或OLED显示器)设置在腔的外部，使得从画面生成单元发射的画面光在第一次被偏振分束器透射之后进入腔，并且在第二次被偏振分束器透射之后离开腔。换句话说，在一些实施方案中，画面生成单元可以设置成使得其发射的画面光穿过偏振分束器进入腔，根据需要在腔内部反射以产生期望的光路(例如，从折叠反射镜、偏振分束器和平视显示器反射镜反射至少一次)，并且在其离开腔时第二次穿过偏振分束器以显示给观察者(例如，车辆的操作者)。

在一些实施方案中，折叠反射镜可以透射在约700nm至约2500nm范围内的至少一种波长的法向入射的光(即，红外光)的至少40％、或至少45％、或至少50％或至少60％。即，在一些实施方案中，折叠反射镜可被配置为“冷反射镜”，从而允许红外波长中的光的至少一部分穿过反射镜。这些红外波长在人类可见范围之外，并且不能用于向观察者显示信息，但可能会给系统增加不需要的热量。允许红外光的至少一部分被折叠反射镜透射允许热量进入平视显示器系统的外部(例如，外部壳体)，在那里热量可以被更有效地消散。

在一些实施方案中，偏振分束器可以是反射偏振器。在一些实施方案中，反射偏振器可反射第一偏振类型(例如，线性P偏振类型)的入射光的至少50％、或至少55％、或至少60％、或至少65％或至少70％，并且可透射第二偏振类型(例如，线性S偏振类型)的入射光的至少50％、或至少55％、或至少60％、或至少65％或至少70％。在一些实施方案中，偏振分束器还可以包括四分之一波片。在此类实施方案中，四分之一波片可以设置在偏振分束器上或附近，并且基本上平行于偏振分束器。在一些实施方案中，代替包括四分之一波片的偏振分束器，折叠反射镜和平视显示器反射镜中的每一者可以包括四分之一波片。

在一些实施方案中，折叠反射镜和平视显示器反射镜中的至少一者可以是弯曲的。在一些实施方案中，例如，平视显示器反射镜或折叠反射镜可具有凹表面，从而产生画面光的放大效果。在一些实施方案中，平视显示器反射镜和折叠反射镜中的一者可以是凸形的，并且平视显示器反射镜和折叠反射镜中的另一者可以是凹形的。

在一些实施方案中，平视显示器系统还可包括眩光陷波器，其中眩光陷波器设置成使得画面光的至少一部分在形成供观察者观看的虚像之前被眩光陷波器透射。在一些实施方案中，眩光陷波器可以包括多个间隔开的、基本上平行的板条，这些板条沿着第一方向延伸并且沿着不同的第二方向布置。在此类实施方案中，平行板条可以允许光以某些角度(例如，在大体上平行于板条或大体上平行于第一方向的15度锥形内)透射并且至少部分地阻挡这些角度外(例如，在15度锥形外)的光的方式定向。在一些实施方案中，平视显示器系统还可以包括百叶窗层，该百叶窗层与眩光陷波器分离，但是设置成使得画面光的至少一部分在被眩光陷波器透射之前穿过百叶窗层。在一些实施方案中，百叶窗层可以包括多个间隔开的、基本上平行的板条，这些板条沿着第一方向延伸并且沿着不同的第二方向布置。

在一些实施方案中，眩光陷波器可以是多层光学膜。在一些实施方案中，偏振分束器、折叠反射镜和平视显示器反射镜中的至少一者可以是多层光学膜。

在本说明书的一些方面，用于向观察者显示图像的平视显示器包括被配置为发射画面光的画面生成单元、至少一个反射镜和偏振分束器。在一些实施方案中，由画面生成单元发射的画面光可以至少在被至少一个反射镜反射至少一次并且被偏振分束器透射两次之后显示给观察者。

在一些实施方案中，至少一个反射镜可以包括折叠反射镜和平视显示器反射镜。在一些实施方案中，至少一个反射镜可以透射在约700nm至约2500nm范围内的至少一种波长的法向入射的光(即，红外光)的至少40％、或至少45％、或至少50％或至少60％。即，在一些实施方案中，至少一个折叠反射镜可被配置为“冷反射镜”，从而允许红外波长中的光的至少一部分穿过反射镜。

在一些实施方案中，偏振分束器可以是反射偏振器。在一些实施方案中，反射偏振器可反射第一偏振类型(例如，线性P偏振类型)的入射光的至少50％、或至少55％、或至少60％、或至少65％或至少70％，并且可透射第二偏振类型(例如，线性S偏振类型)的入射光的至少50％、或至少55％、或至少60％、或至少65％或至少70％。在一些实施方案中，偏振分束器还可以包括四分之一波片。在此类实施方案中，四分之一波片可以设置在偏振分束器上或附近，并且基本上平行于偏振分束器。

在一些实施方案中，代替包括四分之一波片的偏振分束器，至少一个反射镜可以包括四分之一波片。在一些实施方案中，至少一个反射镜可以是弯曲的。在一些实施方案中，例如，至少一个反射镜可以具有凹表面。

在一些实施方案中，平视显示器系统还可包括眩光陷波器，其中眩光陷波器设置成使得画面光的至少一部分在形成供观察者观看的虚像之前被眩光陷波器透射。在一些实施方案中，眩光陷波器可以包括多个间隔开的、基本上平行的板条，这些板条沿着第一方向延伸并且沿着不同的第二方向布置。在此类实施方案中，平行板条可以允许光以某些角度(例如，在大体上平行于板条或大体上平行于第一方向的15度锥形内)透射并且至少部分地阻挡这些角度外(例如，在15度锥形外)的光的方式定向。

在一些实施方案中，平视显示器系统还可以包括百叶窗层，该百叶窗层与眩光陷波器分离，但是设置成使得画面光的至少一部分在被眩光陷波器透射之前穿过百叶窗层。在一些实施方案中，百叶窗层可以包括多个间隔开的、基本上平行的板条，这些板条沿着第一方向延伸并且沿着不同的第二方向布置。

在一些实施方案中，眩光陷波器可以是多层光学膜。在一些实施方案中，偏振分束器和至少一个反射镜中的至少一者可以是多层光学膜。

现在转向附图，图1是根据本说明书的紧凑型平视显示器系统的示意图。在一些实施方案中，平视显示器(HUD)系统100可以包括画面生成单元(PGU)10、偏振分束器(PBS)20、折叠反射镜30和HUD反射镜40。在一些实施方案中，PBS20、折叠反射镜30和HUD反射镜40限定腔200，使得PGU 10设置在腔的外部。在一些实施方案中，例如，PGU 10设置在PBS20的与面向腔200的PBS20的一侧相对的一侧上。在此类实施方案中，光路60被配置为使得由PGU10发射的画面光首先穿过PBS20进入腔200，从折叠反射镜30反射一次，被PBS20反射，被HUD反射镜40反射，并且最终通过PBS20从腔200透射出去，被挡风玻璃80反射，以供观察者观看。

在一些实施方案中，PBS20是反射偏振器，其被配置成基本上透射(即，允许穿过)第一偏振类型(例如，线性S偏振)的光并且基本上反射第二偏振类型(例如，线性P偏振)的光。在一些实施方案中，PBS20还可以包括四分之一波片(QWP)70，使得穿过QWP 70的画面光可以从第一偏振类型改变为不同的偏振类型。例如，根据线性偏振类型的方向(即，旋向性)，穿过QWP 70的线性S偏振类型的光可以被转换为圆偏振类型，并且穿过QWP 70的圆偏振类型的光可以被转换为线性S或线性P偏振类型。关于在光路60中使用QWP 70的额外细节在本文别处讨论。

在一些实施方案中，HUD显示器系统100还可包括眩光陷波器50。在一些实施方案中，眩光陷波器50可以包括多个间隔开的、基本上平行的板条，这些板条沿着第一方向延伸并且沿着不同的第二方向布置。在一些实施方案中，眩光陷波器50可以包括单独的百叶窗层，其中间隔开的、基本上平行的板条被可选地添加为与眩光陷波器50分开的层。即，在一些实施方案中，平行板条可以与眩光陷波器成一整体，并且在其他实施方案中，平行板条可以是设置在眩光陷波器50上或与眩光陷波器相邻的单独层的一部分。

图2是根据本说明书的紧凑型平视显示器系统的另选实施方案的示意图。图2中具有与图1的元件相同的附图标记的元件被假定为具有与图1的相似编号的部件类似的功能，除非本文中另外具体描述。图2的紧凑型HUD系统100a与图1的紧凑型HUD系统100的不同之处主要在于四分之一波片70(设置在图1中的PBS20上)被设置在折叠反射镜30上的第一QWP70a和设置在HUD反射镜40上的第二QWP 70b所取代。图2所示的所有其他元件基本上与图1中的对应元件相同，并且不需要进一步解释。HUD系统100a的整体功能与图1的HUD系统100的整体功能大致相同；即，PGU 10设置在由PBS20、折叠反射镜30和HUD反射镜40形成的腔200的外部，并且由PGU 10发射的画面光必须经由PBS20进入腔200并且也由PBS20透射出腔200。HUD系统100和HUD系统100a之间的差别主要在于画面光在沿着光路60行进时偏振类型如何变化。光路中的这些差异在图4A至图4B以及图5A至图5B中在本文其他地方讨论。应注意，图1和图2的实施方案是示例性实施方案，并且不旨在以任何方式限制。部件的其他布置(包括任何四分之一波片的定位)可在本描述的意图内。

如本文别处所述，本发明的紧凑型平视显示器系统可利用内置于系统中的其他能力，诸如一个或多个冷反射镜。冷反射镜可以基本上反射第一波长范围(例如，人可见波长范围)中的至少一些波长并且基本上透射第二波长范围(例如，红外范围)中的至少一些波长。这允许系统将红外波长的至少一些部分传输到热量可以更容易消散的位置(例如，围绕HUD的壳体的壁或热减轻系统)，该红外波长的至少一些部分不能对为观察者投影的可见图像做出贡献，但是可以向系统添加热量。图3提供了在紧凑型平视显示器系统(诸如图1的HUD系统100或图2的HUD系统100a)中使用的冷反射镜的侧视图。在这种情况下，在图3中示出了反射镜(诸如图1的折叠反射镜30)。光90(其可以包括来自画面生成单元的光或环境光，诸如通过沿着返回到HUD中的光路进入系统的阳光)入射到反射镜30上。第一波长范围(例如，包含介于400nm和650nm之间的波长的可见光范围)内的光90v的至少一部分可以基本上从反射镜30反射回来。此外，第二波长范围(例如，包含介于700nm和2500nm之间的波长的红外范围)内的光的至少一部分90ir可以基本上被反射镜30透射。在一些实施方案中，反射镜30可透射红外光90ir的至少40％、或至少50％、或至少60％或更多。

在一些实施方案中，由画面生成单元发射的画面光可以被偏振，并且光路(诸如光路60，图1)可以通过操纵画面光的偏振来创建，使得它从一些表面反射并且由其他表面透射。而且，如果画面光的偏振类型在其沿着光路行进时被HUD系统内的元件修改，则画面光可以通过其先前被反射的表面透射，并且反之亦然。图4A和图4B限定了紧凑型平视显示器的光路，描述了偏振类型在其穿过系统时如何被修改。图5A和图5B限定了用于紧凑型平视显示器的另选实施方案的类似光路。

从图4A和图4B开始，示出了诸如图1的HUD系统100的紧凑型HUD系统的光路60。画面生成单元10发射偏振光60s。请注意，对于本文所述的实施方案，后缀“s”(例如，光60s)应用于指示具有线性S偏振类型的光(也称为S偏振光)，后缀“p”应用于指示具有线性P偏振类型的光(P偏振光)，并且后缀“c”应用于指示具有圆偏振类型的光。然而，在不偏离本说明书的意图的情况下，可以使用除了在图4A至图4B以及图5A至图5B中示出的那些偏振类型方案之外的其他偏振类型方案。

光60s撞击在PBS20上并且基本上被透射(即，PBS20被配置为基本上透射S偏振光)。然后光60s穿过QWP 70，其将光转换成圆偏振光60c。光60c撞击在折叠反射镜30上，导致圆偏振的旋向性反转。光60c然后往回穿过QWP 70(参照图4B了解额外细节)，在此处，在被PBS20反射并且往回透射穿过QWP 70之前，光首先被短暂地从圆偏振光60c转换成线性偏振P偏振光，从而将其转换回圆偏振光60c。(请注意，图4B中示出了PBS20和QWP 70之间的间隙，以更清楚地示出偏振类型的偏移；然而，实际上，可能没有间隙)。最后，圆偏振光60c基本上被反射离开HUD反射镜40并且最后一次穿过QWP 70，被转换成S偏振光，该S偏振光被允许穿过PBS20以显示在挡风玻璃(未示出)上用于观看。如本文别处所述，在一些实施方案中，光路60(即，透射光60s)也可在投射到挡风玻璃上之前穿过眩光陷波器50。

最后，转向图5A和图5B，其使用设置在反射镜30和40上的QWP 70a和70b(而不是PBS20上的单个QWP 70)来实现类似结果。在图5A中，画面生成单元10发射偏振光60s。光60s撞击在PBS20上并且基本上被透射。光60s横穿腔200并穿过设置在折叠反射镜30上的QWP70a。(有关光路60的该部分的更多细节，参见图5B)。光60s被转换成圆偏振光60c，从折叠反射镜30反射，并且往回穿过QWP 70a，在此处，光被转换成P偏振光60p。P偏振光60p被PBS20反射并且被重定向到HUD反射镜40。在撞击在HUD反射镜40上之前，光60p穿过第二QWP 70b，被转换成圆偏振光60c并从HUD反射镜40反射。光60c第二次往回穿过QWP 70b并且被转换成S偏振光，该S偏振光被允许基本上由PBS20透射以投射到挡风玻璃(未示出)上用于观看。

如本文别处所述，图4A至图4B以及图5A至图5B的实施方案中所示的偏振方案并非旨在为限制性的，并且可以使用其他偏振方案来创建折叠光路。例如，图4A和图5A的PGU 10可以发射具有P偏振线性偏振类型而不是S偏振类型的光，并且PBS20可以被配置为透射P偏振光并且反射S偏振类型。在此类实施方案中，光路60将仍然遵循与图4A和图5A所示的路径相同的路径，其中在整个系统中仅偏振类型在不同的反射点和透射点处改变。给定图4A和图5A所示的HUD显示器系统的布置，如果PGU 10发射P偏振光，则画面光将在穿过眩光陷波器50之前也作为P偏振光穿过PBS离开腔。在这种情况下，可能需要向挡风玻璃添加弱的P偏振反射偏振器，以允许用户最佳地观看投影图像。还应当注意，HUD显示器系统中的圆偏振类型的“旋向性”(即，圆偏振是左旋的还是右旋的)由四分之一波片相对于光穿过时的光路的角度/旋转来确定，并且这在配置用于折叠光路的系统时也必须考虑。

诸如“约”的术语将在本领域普通技术人员在本说明书中使用和描述的上下文中理解。如果本领域普通技术人员在本说明书中使用和描述的上下文中对“约”应用于表达特征大小、数量和物理特性的量的使用不清楚，则“约”将被理解为是指在指定值的10％以内。给定为约指定值的量可精确地为指定值。例如，如果本领域普通技术人员在本说明书中使用和描述的上下文中对其不清楚，则具有约1的值的量是指该量具有介于0.9和1.1之间的值，并且该值可为1。

本领域普通技术人员将在本说明书中使用和描述的上下文中理解术语诸如“大致”。如果本领域普通技术人员在本说明书中使用和描述的上下文中对“大致相等”的使用不清楚，则“大致相等”将指约大致为如上所述的约的情况。如果本领域普通技术人员在本说明书中使用和描述的上下文中对“大致平行”的使用不清楚，则“大致平行”将指在平行的30度以内。在一些实施方案中，描述为彼此大致平行的方向或表面可以在平行的20度以内或10度以内，或者可以是平行的或标称平行的。如果本领域普通技术人员在本说明书中使用和描述的上下文中对“大致对准”的使用不清楚，则“大致对准”将指在对准对象的宽度的20％以内对准。在一些实施方案中，描述为大致对准的对象可在对准对象的宽度的10％以内或5％以内对准。

上述所有引用的参考文献、专利和专利申请以一致的方式全文据此以引用方式并入本文。在并入的参考文献部分与本申请之间存在不一致或矛盾的情况下，应以前述说明中的信息为准。

除非另外指出，否则针对附图中元件的描述应被理解为同样适用于其它附图中的对应元件。虽然本文已经例示并描述了具体实施方案，但本领域的普通技术人员将会知道，在不脱离本公开范围的情况下，可用多种另选的和/或等同形式的具体实施来代替所示出和所描述的具体实施方案。本申请旨在涵盖本文所讨论的具体实施方案的任何改型或变型。因此，本公开旨在仅受权利要求及其等同形式的限制。

Claims (22)

1.一种平视显示器系统，包括：

偏振分束器；

折叠反射镜；

平视显示器反射镜；和

画面生成单元，所述画面生成单元被配置为发射画面光；

其中所述偏振分束器、所述折叠反射镜和所述平视显示器反射镜限定腔，所述画面生成单元设置在所述腔外部，使得从所述画面生成单元发射的所述画面光在第一次被所述偏振分束器透射之后进入所述腔，并且在第二次被所述偏振分束器透射之后离开所述腔。

2.根据权利要求1所述的平视显示器系统，其中所述折叠反射镜透射在约700nm至约2500nm范围内的至少一种波长的法向入射的光的至少40％。

3.根据权利要求1所述的平视显示器系统，其中所述偏振分束器包括反射偏振器。

4.根据权利要求3所述的平视显示器系统，其中所述偏振分束器还包括四分之一波片。

5.根据权利要求3所述的平视显示器系统，其中所述反射偏振器透射具有第一偏振态的入射光的至少60％并且反射具有正交的第二偏振态的所述入射光的至少60％。

6.根据权利要求1所述的平视显示器系统，其中所述折叠反射镜和所述平视显示器反射镜中的至少一者是弯曲的。

7.根据权利要求1所述的平视显示器系统，还包括眩光陷波器，所述眩光陷波器设置成使得所述画面光的至少一部分在形成供观察者观看的虚像之前被所述眩光陷波器透射。

8.根据权利要求7所述的平视显示器系统，其中所述眩光陷波器包括沿着第一方向延伸并且沿着不同的第二方向布置的多个间隔开的、基本上平行的板条。

9.根据权利要求7所述的平视显示器系统，还包括百叶窗层，所述百叶窗层设置成使得所述画面光的所述一部分在被所述眩光陷波器透射之前穿过所述百叶窗层，所述百叶窗层包括沿着第一方向延伸并且沿着不同的第二方向布置的多个间隔开的、基本上平行的板条。

10.根据权利要求1所述的平视显示器系统，其中所述折叠反射镜和所述平视显示器反射镜中的每一者还包括四分之一波片。

11.根据权利要求1所述的平视显示器系统，其中所述偏振分束器、所述折叠反射镜和所述平视显示器反射镜中的至少一者是多层光学膜。

12.一种用于向观察者显示图像的平视显示器，包括：

画面生成单元，所述画面生成单元被配置为发射画面光；

至少一个反射镜；和

偏振分束器；

使得由所述画面生成单元发射的所述画面光至少在被所述至少一个反射镜反射至少一次并且被所述偏振分束器透射两次之后显示给所述观察者。

13.根据权利要求12所述的平视显示器，其中所述至少一个反射镜透射在约700nm至约2500nm的第二波长范围内的至少一种波长的法向入射的光的至少40％。

14.根据权利要求12所述的平视显示器，其中所述偏振分束器包括反射偏振器。

15.根据权利要求14所述的平视显示器，其中所述偏振分束器还包括四分之一波片。

16.根据权利要求14所述的平视显示器，其中所述反射偏振器透射具有第一偏振态的入射光的至少60％并且反射具有正交的第二偏振态的所述入射光的至少60％。

17.根据权利要求12所述的平视显示器，其中所述至少一个反射镜是弯曲的。

18.根据权利要求12所述的平视显示器，还包括眩光陷波器，所述眩光陷波器设置成使得所述画面光的至少一部分在形成供所述观察者观看的虚像之前被所述眩光陷波器透射。

19.根据权利要求18所述的平视显示器，其中所述眩光陷波器包括沿着第一方向延伸并且沿着不同的第二方向布置的多个间隔开的、基本上平行的板条。

20.根据权利要求18所述的平视显示器，还包括百叶窗层，所述百叶窗层设置成使得所述画面光的所述一部分在被所述眩光陷波器透射之前穿过所述百叶窗层，所述百叶窗层包括沿着第一方向延伸并且沿着不同的第二方向布置的多个间隔开的、基本上平行的板条。

21.根据权利要求12所述的平视显示器，其中所述至少一个反射镜还包括四分之一波片。

22.根据权利要求12所述的平视显示器，其中所述偏振分束器和所述至少一个反射镜中的至少一者是多层光学膜。