CN117331223A - 用于车辆的具有对太阳负荷的改进的耐受性的平视显示器 - Google Patents

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A·克里希纳
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Abstract

本发明涉及用于车辆的具有对太阳负荷的改进的耐受性的平视显示器。一种用于车辆中的具有对太阳负荷的改进的耐受性的平视显示器(LCD)，包括图像生成设备、LCD组件、光学结合组件和折叠镜，具有特定的设计对策以对抗由来自日光的热对LCD造成的损害。这些包括作为光学结合组件的部件的OB玻璃和冷镜膜(CMF)、作为LCD组件的部件的热镜涂层和偏振膜、以及在折叠镜上的冷镜涂层。当日光进入HUD时，冷镜涂层仅将可见光朝着LCD反射。热镜涂层将红外和紫外波长的光反射离开LCD。偏振膜截除p偏振光。OB玻璃和CMF增加HUD的比热。HUD由此减少了太阳负荷，否则太阳负荷将由于热应力而损害LCD。

Description

用于车辆的具有对太阳负荷的改进的耐受性的平视显示器
技术领域
本公开一般涉及平视显示器(HUD)领域。更具体地，本公开涉及用于车辆中的具有对太阳负荷的改进的耐受性的HUD。
背景技术
在现有技术中，在车辆中使用平视显示器(HUD)是已知的。HUD是一种将图像直接投影到用户的视野中以便交叠背景场景而不干扰用户对背景场景的观看的装置。在汽车中，这通常意味着包含在图像中的信息以半透明的方式被投影到车辆的风挡的一部分上，使得车辆驾驶员能够快速且容易地获取信息，例如但不限于速度、导航辅助、发动机性能和操作条件，而不会将驾驶员的注意力从道路上移开。
通常，HUD利用图像生成设备和一组透镜在液晶显示器(LCD)上生成背光图像。然后，背光被反射离开或透射通过多个透镜和/或反射镜，以在风挡或其它类似的反射表面上限定放大图像。随着HUD变得越来越流行，消费者要求HUD中的更大视场和更大像距。实现这些像距和视场要求的一种方式是将投影在风挡上的图像放大到LCD上的图像的至少十五倍。
然而，在某些太阳配置下，日光可以沿着与来自图像生成设备的光行进的路径相反的路径行进。基于太阳和车辆的位置，日光可以反射或透射离开或通过多个反射镜和/或透镜以聚焦在LCD上。来自日光的热量然后可能损害LCD。实验结果已经表明，LCD表面温度增加到大于117℃(或242.6°F)可以导致LCD功能的暂时或永久退化。当日光沿HUD图像路径逆向反射时，日光的放大使得LCD表面温度更可能上升到这些水平，因此图像放大使得LCD更容易受到这种类型的损害。
因此，存在对解决现有技术中的上述问题的利用LCD技术的具有对来自日光的热量的改进的耐受性的HUD的未满足的需求。
发明内容
本公开提供了一种用于车辆中的改进的平视显示器(HUD)，包括液晶显示器(LCD)，其中该设计提供了对LCD免受由来自日光的热所引起的损害的更大的保护。本公开优选地包括图像生成设备、LCD组件、光学结合组件和折叠镜。
在优选实施例中，图像生成设备包括发光二极管(LED)阵列和散热器。
LCD组件优选地包括LCD和具有前侧和背侧的热镜玻璃，其中热镜涂层覆盖热镜玻璃的前侧，并且偏振膜覆盖热镜玻璃的背侧。热镜涂层将红外(IR)和紫外(UV)波长的光反射离开LCD，并且偏振膜从日光中截除p偏振光。入射的日光是非偏振的，这意味着是线性或圆形偏振光的非相干组合，并且因此具有随机的、时间相关的和快速偏移的偏振。通过去除一个偏振场，即通过滤除p偏振能量，偏振膜将由日光传送的热能的总量截除一半。
在优选实施例中，光学结合组件包括光学结合粘合剂，以将光学结合(“OB”)玻璃片结合到LCD的背侧。该OB玻璃片优选地与冷镜膜(CMF)叠层，该冷镜膜进一步使光偏振并截除p偏振光。总之，光学结合组件增加了LCD的比热，并且有助于减少由于日光引起的温度升高。
优选实施例还包括在LCD和风挡之间的折叠镜。优选地，在折叠镜上施加冷镜涂层，其仅将可见光谱的光朝着LCD反射。
总之，折叠镜上的冷镜涂层、LCD上的热镜涂层和偏振膜、以及具有结合到LCD的CMF的光学结合组件减少了通过日光传输到LCD的热量。此外，在启动车辆时，空气调节平均花费三分钟以将HUD温度降低到正常温度，优选地大约25摄氏度，在该点处，损害LCD的风险较低。本文所公开的对抗措施的添加将日光将LCD表面加热到117℃所需的时间量增加到超过四分钟，借此减少由于日光的强度或太阳负荷而导致LCD损害的风险。
本发明的优选实施例包括：
一种用于车辆中的具有改进的抗日载荷性能的平视显示器(HUD)，所述HUD包括：
液晶显示器(LCD)组件；
光学结合组件；以及
图像生成设备；
其中，LCD组件包括LCD和热镜玻璃；
其中热镜玻璃包括热镜涂层和偏振膜；以及
其中所述光学结合组件包括结合到所述LCD的光学结合(OB)玻璃片、以及冷镜膜(CMF)。
附图说明
通过结合附图参考以下具体实施例的详细描述，将更全面地理解本发明，其中：
图1是示出根据现有技术的典型平视显示器(HUD)的部件以及日光可以行进以聚焦在LCD上的路径的示意图。
图2是示出根据本公开的实施例提供的具有对太阳负荷的改进的耐受性的HUD的透视图。
图3是示出根据本公开的实施例提供的图2的HUD的部件的示意图。
图4是示出根据本公开的实施例提供的图2的HUD的部件的分解示意图。
图5是根据本公开的实施例提供的图2的HUD的图像生成设备的透视图。
图6是根据本公开的实施例提供的图5的图像生成设备内的图像阵列的分解图。
图7是根据本公开的实施例提供的LCD组件的分解图。
图8是根据本公开的实施例提供的光学结合组件的分解图。
图9是根据本公开的实施例提供的LCD表面在暴露于日光下时的表面温度随时间的图形表示。
具体实施方式
本发明的实施例一般涉及用于车辆中的具有对太阳负荷的改进的耐受性的平视显示器(HUD)。本公开详细描述了具体实施例，应当理解，本发明可以容许不同形式的实施例，并且本公开被认为是本发明原理的例示，而不是要将本发明限制于本文所述的内容。
如图1一般地所示，根据现有技术，HUD 10通常包括图像生成设备12、液晶显示器(LCD)14、以及多个反射镜和/或透镜20、22、24，以在风挡16或其他反射表面上显示图像，供用户18观看。多个反射镜和/或透镜通常可以包括折叠镜20、凹面镜22和眩光陷波器24。图像生成设备12可以包括发光二极管(LED)阵列26和散热器28。通常，HUD通过直接与车辆连接的结构壳体部件安装在车辆内。HUD的部件通常安装在这些结构壳体部件的内部。
如图1进一步所示，从图像生成设备12中的LED阵列26发射的光通常作为背光30透射，以在LCD 14上限定图像。从那里，背光30被反射离开，和/或沿着光路透射通过多个反射镜和/或透镜20、22、24，以在风挡16上产生图像。通过这个过程，来自LCD 14的图像被放大，使得在风挡16上反射的图像大于在LCD 14上透射的图像。消费者的需求经常要求在风挡16上反射的图像比LCD 14上的图像大十五倍以上。
然而，图1也示出了日光32可以逆行地沿着该光路行进，通过/离开所述多个反射镜和/或透镜20、22、24以聚焦在LCD 14上。来自图像生成设备12的背光30和日光32两者携带热量。此外，沿着光路透射的日光32被多个透镜和/或反射镜20、22、24放大，产生聚焦的日光束34并放大传输到LCD 14的热量。
根据本公开的实施例，本公开提供了具有对日光强度或太阳负荷的改进的耐受性的HUD 40。图2是示出HUD 40的透视图，其包括眩光陷波器42、凹面镜46、折叠镜48、热镜玻璃64、LCD 58和图像生成设备80。在一些实施例中，图像生成设备80包括图像阵列81。在优选实施例中，图像生成设备80包括图像阵列81和散热器84。LCD 58优选地是LCD组件60和光学结合组件70两者的构件，如图3和4所示，并且如下进一步所述。或者，本公开预期使用数字光处理投影仪、基于激光的投影仪、全息引擎或其他不使用LCD 58的成像阵列。然而，本公开的优选实施例使用基于LCD的HUD组件。
如图3和4所示，穿过眩光陷波器42的日光44可以在被传输到LCD组件60之前被折叠镜48反射掉。在一些实施例中，日光44在被折叠镜48反射之前被凹面镜46反射掉。虽然优选实施例包括折叠镜48和凹面镜46两者，但可以预期的是，在一些实施例中，HUD 40包括折叠镜48但不包括凹面镜46，在其他实施例中HUD 40包括凹面镜46但不包括折叠镜48，并且在其它实施例中，HUD 40既不包括折叠镜48也不包括凹面镜。为了减少由日光44传输到LCD组件60的热量，冷镜涂层50优选地被施加到折叠镜48的表面。折叠镜48具有侧面48a和48b，并且在优选实施例中，冷镜涂层50被施加到侧面48a。或者，冷镜涂层可以代替折叠镜48地被涂敷到其它光学组件(如凹面镜46)的光学器件面对侧上。该冷镜涂层50仅将可见光谱光54朝着LCD组件60反射，而携带热量的红外(IR)光52透射通过折叠镜48并且不被重新导向LCD组件60。
如图3和4进一步所示，LCD组件60至少包括LCD 58。在其它实施例中，LCD组件60包括LCD 58和热镜玻璃64。在一些实施例中，热镜涂层62被施加到热镜玻璃64。在其它实施例中，偏振膜66被施加到热镜玻璃64。在优选实施例中，LCD组件60包括LCD 58和热镜玻璃64，其中热镜涂层62和偏振膜66被施加到热镜玻璃64。热镜涂层62进一步将IR 52和紫外(UV)56波长的光反射离开LCD 58，进一步减少由穿过热镜涂层62的可见光谱光54携带的热量。通过包含光学结合组件70，LCD 58的温度被进一步调节。在一些实施例中，光学结合组件70包括光学结合(OB)玻璃片74。在一些实施例中，OB玻璃片74与冷镜膜(CMF)叠层。在其它实施例中，将OB玻璃片74结合到LCD 58。将OB玻璃片74结合到LCD 58增加了LCD的热质量，从而增加了HUD 40组件的比热。在优选实施例中，OB玻璃片74被结合到LCD 58并且还与冷镜膜(CMF)76叠层。以协作的方式，折叠镜48上的冷镜涂层50、具有热镜涂层62和偏振膜66的LCD组件60、以及具有OB玻璃片74和CMF 76的光学结合组件70减少了由日光44传输到LCD58的热量。此外，光学结合组件70增加了LCD 58的比热，从而减少了温度升高。这些特征允许来自图像生成设备80的背光68的透射和反射，同时还过滤日光44以减少热传递。
为了在车辆停下并停放在直射日光下时保护LCD 58，HUD 40优选地被包围在结构壳体内，该结构壳体隐藏HUD 40的部件以免暴露于直射日光。此外，当HUD 40断电时，凹面镜46优选地旋转，从而防止日光被朝着LCD 58反射。
图5是图像生成设备80的透视图。图6是示出图像阵列82的部件的示意图。如图5和6两者所示，图像阵列81优选地包括LED阵列82和多个透镜83。在一些实施例中，多个透镜83包括聚光透镜86和至少一个双凸透镜88。一些实施例利用第一双凸透镜88a和第二双凸透镜88b。聚光透镜86优选地使背光68准直，而双凸透镜88a、88b对背光68进行成形或将背光68引向光学结合组件70。
图7是LCD组件60的分解图，示出了光透射通过热镜玻璃64和偏振膜66。具体地，LCD组件60透射来自图像生成设备80(未示出)的背光68，同时过滤携带热量的不必要波长的日光44。在优选实施例中，热镜涂层62被施加到热镜玻璃64的前侧64a，并且偏振膜66优选地被施加到热镜玻璃64的背侧64b。这种取向优化了HUD的尺寸和成本。然而，可以预期的是，热镜涂层62和偏振膜66可以被施加在热镜玻璃64上的其他位置，并且可以不覆盖整个前侧64a和/或背侧64b。此外，可以预期，偏振膜66可以施加到HUD 40的其他部件。
如图7进一步所示，LCD组件60上的热镜涂层62将IR 52和UV 56波长的光反射离开LCD 58。IR 52和UV 56波长两者携带热量，并且这些波长在它们撞击LCD 58之前的反射减少了从日光44传输的热量。因此，只有可见光54穿过热镜涂层62。在优选实施例中示例性的热镜涂层62由日本的Murakami制造。然而，可以使用并且本公开预期其他热镜涂层。
图7还示出了叠层到热镜玻璃64的偏振膜66。非偏振或未偏振的光65在其行进时在360度方向上振荡。热镜玻璃64的背面上的偏振膜66对光进行滤波，使得光仅在期望的方向上振荡。在一些实施例中，偏振膜66包括具有在特定方向上布置的格子(lattice)的精细滤光器。这允许在平行于格子的方向上振荡的光的波长通过，同时拦截在不同方向上振荡的光。在一些实施例中，非偏振日光65照射到热镜玻璃64，并且在被玻璃64的背面64b上的偏振膜66偏振67之前作为非偏振光65透射通过热镜玻璃64。在优选实施例中，偏振膜66滤除p偏振光。通过截除p偏振光，偏振膜66减少了入射热能，有效地将传输到LCD 58的总能量减少了50％。因此，偏振膜66减少了由日光传输到LCD 58的热量，同时还允许来自LCD 58和图像生成设备80的背光68在被透射和/或反射以在风挡42上反射图像之前透射通过热镜玻璃64。
在优选实施例中，偏振膜66可以在高温条件下长时间段地耐用，同时保持其优选功能。优选的偏振膜66是由Utah的Moxtek公司在ProFluxTM下制造的，其由在玻璃晶片上具有细缝的铝膜形成。然而，可以使用使基于光的反射偏振的其它偏振膜，例如在明尼苏达州的3MTM下制造的自动反射偏振器。
图8是光学结合组件70的分解图，包括叠层有冷镜膜(CMF)76的OB玻璃片74，其优选地通过光学结合粘合剂72结合到LCD 58。CMF 76优选地用作偏振器，其从入射波长的光中截除或去除p偏振光。在一些实施例中，CMF限定标称61μm的厚度。这些规格的CMF由3MTM制造。CMF还可以限定从CMF的边缘的≤2.0mm的脱层。在一些实施例中，CMF还限定至少1.65的有效透射率。此外，CMF的一些实施例限定0.008的Δx的0°色移和0.008的Δy的0°色移，其中Δ是在没有增强膜的情况下相对于背光而言的。CMF也可以限定优选的0.015的Δx的60°色移和0.015的Δy的60°色移。在一些实施例中，CMF限定雾度为最大值1.5％，并且可以限定总透射率为最小值43％。此外，在一些实施例中，CMF优选地限定具有最小50％的反射率。然而，可以预期的是，本领域技术人员可以利用限定不同的厚度、脱层、有效透射率、色移、雾度、透射率和/或反射率的CMF，而不脱离本发明的精神和范围。
光学结合粘合剂72可以限定光学透明树脂(OCR散布树脂)。或者，光学结合粘合剂72可限定光学透明粘合剂(OCA)施加片。然而，本领域技术人员已知的其它光学结合粘合剂和方法也在本公开的预期之内。OB玻璃片74可限定30-40mm的宽度和70-90mm宽的长度。在优选实施例中，OB玻璃片74为81.38mm×36.91mm，以对应3.54英寸的LCD 58。
总之，光学结合组件70和LCD组件60增加了LCD 58的比热，并减少了来自日光44的温度上升。在优选实施例中，LCD 58是薄膜晶体管或TFT。TFT LCD具有优选的像素间距，像素之间具有小的间隙，从而产生无混叠的平滑图像。这导致LCD 58具有高分辨率和良好的对比度。然而，在一些实施例中，LCD 58可以替代地限定真空荧光显示器(VFD)或其它类型的LCD显示器。
为了优化热量减少，同时便于转换和放大背光图像，光学结合组件70在LCD 58和图像生成设备80之间粘接到LCD 58。在一些实施例中，光学结合组件70距离图像生成设备80 40-100mm。在优选实施例中，光学结合组件70距离图像生成设备80 60mm。
LCD组件60优选地位于光学结合组件70和折叠镜48之间。在优选实施例中，热镜涂层62覆盖热镜玻璃64的前侧64a，并且偏振膜66覆盖热镜玻璃64的背侧64b，使得偏振膜66在一侧与LCD 58齐平，而在另一侧与热镜玻璃64齐平。在这种配置中，热镜玻璃64的前侧64a(热镜涂层62粘附在其上)面对折叠镜48，使得热镜涂层62在热镜玻璃64和折叠镜48之间。在一些实施例中，LCD组件60距离折叠镜48 50-150mm。在优选实施例中，LCD组件60距离折叠镜48 98mm。然而，通过本公开可以预期LCD组件的其它取向。
在一些实施例中，折叠镜48是平面镜。在其它实施例中，折叠镜48是非球面镜。本公开还设想了其他镜曲率。
除了减少来自日光44的热量之外，OB玻璃片74和CMF 76还减少内部HUD的热量产生。通常，基于LCD的HUD中的图像生成设备80产生并非无关紧要的热量，减少了LCD 58的总的太阳耐久时间。玻璃片74和CMF 76的使用减少了由图像生成设备80产生的热量，从而增加了LCD 58的总的耐久时间。
通过在折叠镜48上添加冷镜涂层50、在LCD组件60上添加热镜涂层62和偏振膜66、以及添加光学结合组件70的OB玻璃片74和CMF 76(统称为“设计对策”)，增加了日光44将LCD 58加热到损害温度所花费的时间量。实验结果表明117℃的表面温度可引起LCD 58功能的暂时或永久劣化。利用如本公开中阐述的设计对策的优选实施例将到达LCD 58的日光的总能量减少75.4％。
图9是证明本公开的设计对策的添加将LCD 58表面达到117℃的温度所花费的时间量增加到超过四分钟的曲线图。本公开的HUD 40适合的车辆中的典型空调单元平均需要三分钟，以将相关车辆的内部温度降低到正常室温。因此，由本文所公开的设计对策提供的LCD 58温度升高的四分钟延迟足以防止LCD 58温度升高和导致的损害。
虽然通过上述示例性实施例描述了本发明，但是在不脱离这里公开的发明构思的情况下，可以对所示实施例进行修改和变化。例如，尽管在本发明的范围内，可以结合公开的实施例叙述特定的参数值，例如尺寸、材料、添加剂和涂层，但是所有参数的值可以在宽范围内变化以适合不同的应用。
如本文所用，包括在权利要求中，与项目列表结合使用的术语“和/或”是指列表中的一个或多个项目，即列表中的至少一个项目，但不一定是列表中的所有项目。如本文所用，包括在权利要求中，与项目列表结合使用的术语“或”是指列表中的一个或多个项目，即列表中的至少一个项目，但不一定是列表中的所有项目。“或”不表示“异或”。
尽管可以参考流程图和/或框图来描述实施例的各方面，但是每个块的全部或一部分或者块的组合的功能、操作、决定等可以被组合、分离成单独的操作或者以其他顺序执行。
所公开的方面或其部分可以以上面未列出和/或未明确要求保护的方式组合。此外，本文公开的实施例可以在缺少本文未具体公开的任何元件的情况下适当地实施。因此，本发明不应被视为限于所公开的实施例。

Claims (20)

1.一种用于车辆中的具有对太阳负荷的改进的耐受性的平视显示器(HUD)，所述HUD包括：
液晶显示器(LCD)组件；
光学结合组件；以及
图像生成设备；
其中，LCD组件包括LCD和热镜玻璃；
其中热镜玻璃包括热镜涂层和偏振膜；以及
其中所述光学结合组件包括结合到所述LCD的光学结合(OB)玻璃片、以及冷镜膜(CMF)。
2.如权利要求1所述的HUD，其中所述光学结合组件可操作地连接到所述图像生成设备，被配置成接收由所述图像生成设备产生的背光，并被配置成将背光透射到所述LCD组件。
3.如权利要求2所述的HUD，其中所述OB玻璃片被配置成增加所述LCD的热质量并增加所述HUD的比热。
4.如权利要求2所述的HUD，其中所述LCD组件可操作地连接到所述光学结合组件，并被配置成从所述光学结合组件接收所述背光。
5.如权利要求4所述的HUD，其中所述热镜涂层覆盖所述热镜玻璃的前侧，被配置成将日光的红外(IR)和紫外(UV)波长反射离开所述LCD，并且被配置成允许所述背光从所述LCD透射通过所述热镜玻璃。
6.如权利要求4所述的HUD，其中所述偏振膜覆盖所述热镜玻璃的背面，并且被配置成从反射到所述LCD上的日光中截除p偏振光，从而减少反射到所述LCD上的日光的热量。
7.如权利要求4所述的HUD，附加地包括折叠镜，其中所述折叠镜与所述LCD组件可操作地连接，被配置成从所述LCD组件接收背光，并且被配置成将背光透射到诸如风挡之类的合适的反射表面。
8.如权利要求7所述的HUD，附加地包括凹面镜，其中所述折叠镜与所述LCD组件可操作地连接，被配置成从所述LCD组件接收背光，并且被配置成将背光透射到所述凹面镜，并由此透射到诸如风挡之类的合适的反射表面。
9.如权利要求7所述的HUD，附加地包括被施加到所述折叠镜的冷镜涂层，其中所述冷镜涂层被配置成仅将可见光谱的光朝向所述LCD组件反射，并且被配置成使红外光透射通过所述折叠镜并远离所述LCD。
10.如权利要求1所述的HUD，其中所述图像生成设备包括图像阵列和散热器。
11.如权利要求10所述的HUD，其中所述图像阵列包括LED阵列和多个透镜。
12.如权利要求11所述的HUD，其中所述多个透镜包括至少一个聚光透镜和至少一个双凸透镜。
13.如权利要求1所述的HUD，其中所述LCD包括薄膜晶体管(TFT)。
14.如权利要求1所述的HUD，其中所述折叠镜是平面镜。
15.如权利要求1所述的HUD，其中所述折叠镜是非球面镜。
16.如权利要求1所述的HUD，附加地包括眩光陷波器。
17.如权利要求1所述的HUD，其中所述CMF限定至少1.65的有效透射率。
18.根据权利要求1所述的HUD，其中所述CMF限定0.008的Δx的色移0°和0.008的Δy的色移0°，其中Δ是相对于没有增强膜的背光而言的。
19.根据权利要求1所述的HUD，其中所述CMF限定0.015的Δx的色移60°以及0.015的Δy的色移60°。
20.根据权利要求1所述的HUD，其中所述CMF限定最大值为1.5％的雾度、最小值为43％的总透射率以及最小值为50％的反射率。
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