CN117730272A - 图像生成设备和包括这种设备的平视显示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种图像生成设备，包括：第一光源(12)，所述第一光源(12)被配置为生成第一上游光束；第二光源(13)，所述第二光源(13)被配置为生成第二上游光束；以及可变透射率元件的阵列(16)，所述可变透射率元件的阵列(16)被配置为选择性地接收和传输所述第一上游光束并且选择性地接收和传输所述第二上游光束，以分别形成：形成第一图像的第一下游光束和形成第二图像的第二下游光束。

Description

图像生成设备和包括这种设备的平视显示器

技术领域

本发明涉及显示系统的技术领域，特别是图像投射系统的技术领域。

本发明更具体地涉及一种图像生成设备，特别适用于机动车辆的平视显示器。

背景技术

在上述领域中，平视显示器是在驾驶员的视野中显示驾驶辅助信息的设备。

为此，平视显示器包括图像生成设备，例如，联接到可变透射率元件的阵列的光源，例如，液晶显示器(LCD)，以及用于将该图像传输到部分透明条带的光学系统，例如，以便驾驶员可以在视线不偏离道路的情况下看到图像。一些平视显示器包括可变透射率元件的阵列，这些可变透射率元件允许同时生成两个图像，例如，这些图像在驾驶员的视野中以不同的距离出现。这对于增强现实平视显示器特别有用。

获取两张图像的技术很复杂，生产成本也很高。

发明内容

提出了一种克服上述问题的图像生成设备和平视显示器。

根据一个方面，提出了一种图像生成设备，其包括：第一光源，第一光源被配置为生成第一上游光束；第二光源，第二光源被配置为生成第二上游光束；以及可变透射率元件的阵列，可变透射率元件的阵列被配置为选择性地接收和传输第一上游光束并且选择性地接收和传输第二上游光束，以分别形成形成第一图像的第一下游光束和形成第二图像的第二下游光束。

在本发明的含义中，术语“上游”和“下游”是指沿着光源发射的光的传播路径的位置。因此，术语“下游”意味着沿着传播路径更接近光源，并且术语“上游”意味着沿着传播路径更远离光源。

本发明允许通过简单和经济的方法生成两个不同的图像。例如，在安装到机动车辆的平视显示器的设备的情况下，根据本发明的设备可以有利地用于生成第一常规图像和第二增强现实图像。然后，驾驶员将受益于改进的驾驶辅助界面。

根据一个实施例，可变透射率元件的阵列是薄膜晶体管液晶显示器。

液晶显示器是可变透射率元件的阵列的简单且廉价的实现。

根据一个实施例，可变透射率元件的阵列的下游面与至少部分透明板接触，该至少部分透明板被配置为限制可变透射率元件的阵列的发热。

限制可变透射率元件的阵列的发热有利地延长了其使用寿命。此外，安装散热器对于排放由来自两个光源的光束生成的热量特别有利。

根据一个实施例，该设备包括与部分透明板热联接的第一散热器。

根据一个实施例，第一光源和第二光源中的至少一个被配置为通过光学漫射器将其上游光束传输到可变透射率元件的阵列，该设备包括第二散热器，第二散热器被配置为释放限制在漫射器和可变透射率元件的阵列之间的热量。

根据一个实施例，第二散热器与可变透射率元件的阵列的上游面接触。

根据一个实施例，至少一个散热器联接到强制对流冷却模块。

根据一个实施例，部分透明板的下游面与热电冷却模块的冷面接触。

根据一个实施例，第一散热器与热电冷却模块的热面接触。

根据一个实施例，部分透明板的下游面与第一散热器接触。

根据一个实施例，第一光源和第二光源中的至少一个被配置为通过反射器将其上游光束传输到光学漫射器。

根据一个实施例，第一上游光束的传播方向和第二上游光束的传播方向形成0°和45°之间的角度。

根据一个实施例，第一下游光束被反射到第一凹面镜上，第二下游光束被反射到第二凹面镜上，其中第一凹面镜和第二凹面镜相对于彼此固定并固定到相同的支撑件上。

根据一个实施例，第一凹面镜和第二凹面镜中的至少一个是冷光镜。

本发明还涉及一种平视显示器，该平视显示器包括根据本发明的方面和前述实施例之一的设备以及用于朝向部分透明条带投射下游光束的系统。

当然，本发明的各种特征、替代实施例和实施例可以以各种组合相互关联，只要它们不是不兼容或相互排斥的。

附图说明

此外，本发明的各种其他特征将从参照附图提供的附图说明中显而易见，附图说明了本发明的非限制性实施例，其中：

图1示意性地示出了一种平视显示器，其包括根据本发明的一个实施例的图像生成设备；

图2是根据本发明的图像生成设备的示意性截面图；

图3是根据本发明的设备的折叠镜的示意图；

图4是根据本发明的设备的另外两个折叠镜的示意图；

图5是图4的折叠镜的剖视图；

图6是根据本发明的另一实施例的图像生成设备的示意性截面图；

图7是根据本发明的另一实施例的图像生成设备的示意性截面图；

图8是根据本发明的另一实施例的图像生成设备的示意性截面图。

应当注意，在这些附图中，各种替代实施例共有的结构和/或功能元件可以具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示意性地示出了平视显示器1的主要元件，该平视显示器1旨在例如安装到车辆，特别是机动车辆上。

图1中的显示器适于在车辆驾驶员的视野中创建两个虚拟图像2和3，以便驾驶员可以看到这些虚拟图像2、3及其包含的任何信息，而无需将目光移开。

为此，显示器1包括放置在驾驶员视野中的部分透明条带4、适于生成两个下游光束6和7的图像生成设备5以及适于朝向所述部分透明条带4反射由图像生成设备5生成的下游光束6、7的投射设备8、9、10。在这种情况下，显示器1被配置为使得两个虚拟图像2、3以不同的相应距离出现。例如，在这种情况下，第一虚拟图像2是常规图像并且出现在距驾驶员的第一距离处，并且第二虚拟图像是集成到面向车辆的环境中的增强现实图像，因此出现在距驾驶员大于第一距离的第二距离处。

在这种情况下，部分透明条带4与车辆的挡风玻璃重合。换句话说，车辆的挡风玻璃用作平视显示器1的部分透明条。这种配置特别适合投射增强现实图像。

作为替代实施例，部分透明条带可以是组合器，即与挡风玻璃分开并用于平视显示器的部分透明条带。这样的组合器将被放置在车辆的挡风玻璃和驾驶员的眼睛11之间，在下游光束6、7的路径中。

在这种情况下，图像投射设备5包括三个折叠镜8、9、10。第一折叠镜8和第二折叠镜9被布置成将图像生成设备5生成的第一下游光束5朝向部分透明条带3反射。第一折叠镜8和第三折叠镜10被布置成将图像生成设备5生产的第二下游光束7朝向部分透明条带3反射。折叠反射镜8、9和10有利地允许将图像生成设备5放置在不面向部分透明条带4的构造中，因此可以放置在任何合适的位置，通常在车辆仪表板下方。

例如，在这种情况下，第一折叠镜8是平面镜，第二折叠镜9和第三折叠镜10是弯曲镜，在这种情况下是凹面的，它们各自呈现的形状被优化以产生虚拟图像，该虚拟图像呈现适合于部分透明条带4的形状，在这种情况下是弯曲形状，以便以不失真的方式显示图像。此外，第二折叠镜9和第三折叠镜10具有放大由可变透射率元件的阵列生成的图像的功能。

根据其他实施例，图像生成设备5可以包括不同数量的反射镜和/或呈现不同形状的反射镜，以及其他光学元件，例如透镜。

图像生成设备5包括第一光源12和第二光源13，在这种情况下，发光二极管(LED)阵列被配置为分别生成第一上游光束14和第二上游光束15。图像生成设备5还包括可变透射率元件的阵列16，该阵列被配置为由上游光束14、15照明。

可变透射元件的阵列16被配置为选择性地透射第一上游光束14，以形成表示待通过部分透明条带4投射到驾驶员视野中的第一图像2的第一下游光束6，并选择性地透射第二上游光束15，以形成表示待通过部分透明条带4投射到驾驶员视野中的第二图像3的第二下游光束7。

平视显示器1还包括包含图像生成设备5和投射系统8、9、10的壳体17(通常不透明)，特别是为了保护这些元件免受任何外部攻击(灰尘、液体等)。

壳体17包括开口18，在这种情况下，下游光束6、7在被反射到折叠镜9和10上之后穿过开口18。

壳体17中的开口18由窗19(有时称为“盖窗”)封闭，窗19例如由厚度在0.25mm和0.75mm之间的聚碳酸酯型塑料片材制成。

图2是示出图像生成设备5的示意图，其比图1中更详细。特别地，图2示意性地示出了图像生成设备5的散热系统的横截面。

在该实施例中，第一光源12光学联接到第一光学漫射器20，并通过第一光学反射器21固定到光学漫射器20。类似地，第二光源13光学联接到第二光学漫射器22并通过第二光学反射器23固定到第二光学漫射器22。

第一光源12和第二光源13被定向成使得第一上游光束14的传播方向和第二下游光束15的传播方向形成0°和45°之间的角度，例如，大于0°的角度，在这种情况下为30°的角度。特别地，在这种情况下，第二上游光束15的传播方向正交于可变透射率元件的阵列16。

在这种情况下，可变透射率元件的阵列16是薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)，其包括液晶元件的阵列，液晶元件的阵列放置在形成可变透射率元件的阵列16的上游和下游面的两个偏振器(上游偏振器或输入偏振器和下游偏振器或输出偏振器，未示出)之间。在这种情况下，可变透射率元件的阵列由控制装置44控制。

在图2所示的实施例中，散热系统包括多个无源散热器24至29、部分透明的散热板30、热电冷却模块31或Peltier模块以及强制对流冷却模块32。

无源散热器24至29被配置为将图像生成设备5的操作温度保持在其功能热极限以下，在这种情况下低于110℃的温度。因此，每个无源散热器24至29的材料的导热率大于20W.m¹.K1，并且优选大于60W.m^-1.K^-1。例如，在这种情况下，无源散热片25至29由铝制成，其导热率为220W.m^-1.K^-1。散热器可以包括允许满足上述散热要求的任何其他材料，例如铝合金或镁合金。

为了改善散热并有效地保护无源散热器25至29免受腐蚀，在这种情况下，散热器24至29被阳极氧化层覆盖。

第一光源12固定到第一PCB型电子板33，还电连接到第一PCB型电子板33。电子板33例如包括例如由控制装置44控制的用于第一光源12的控制电路。

第一电子板33的后面，即与第一光源12所固定到的面相对的面，与第一无源散热器24接触。与光源8直接接触的第一无源散热器24的面是平坦的或基本上平坦的，并且相对的表面设有散热片，散热片允许增加第一无源散热器24的与空气接触的表面积，因此允许增加与外部的热交换。

为了改善光源和第一无源散热器24之间的热联接，特别是如果第一电子板33和第一无源散热器24之间的接触面之一不是完全平坦的并且具有例如大于0.1mm的水平差，则可以通过热界面材料，例如热粘合剂、热垫、相变材料等来实现联接。

例如，使用螺钉和/或粘合材料将第一光学反射器21的第一端固定到电子板33，以便包围第一光源12，其中第一光学漫射器20固定到第一反射器21的第二端。因此，来自第一光源12的所有光或至少该光的很大一部分被引导通过第一光学漫射器20。

第一光学反射器21被容纳在第二无源散热器25中，使得第一漫射器20，特别是第一漫射器20的周边区域被夹持在第一反射器21的第二端和第二无源散热器25之间。第一漫射器21的周边区域在光学上不是有用的，并且在这种情况下由第一上游光束14通过的中央光学有用区域限定。

在这种情况下，第二无源散热器25通过第一绝热支撑件34固定到第一电子板33，使得由第二无源散热器25散发的热量不被传递到第一电子板33。

第二无源散热器25的壁延伸至可变透射率元件的阵列16，以便在其上游面附近与可变透射率元件的阵列的周边区域接触。因此，第二无源散热器25有助于释放限制在第一漫射器20和可变透射率元件的阵列16之间的热量。

如上所述，第二光源13配备有通过第二绝热支撑件36固定到第二电子板35的第二光学反射器23，并且被配置为引导来自第二光源的所有光或至少该光的很大一部分通过第二光学漫射器22。第二电子板例如包括例如由控制装置44控制的用于控制第二光源13的电路。

第三无源散热器26的壁延伸至可变透射率元件的阵列16，以便在其上游面附近与可变透射率元件的阵列16的周边区域接触。因此，第二无源散热器26有助于释放限制在第二漫射器20和可变透射率元件的阵列16之间的热量。

第二电子板35的后表面与第四无源散热器27接触，在这种情况下是带翅片的散热器。在这种情况下，热界面材料还可用于改善第二电子板和第四散热器27之间的联接。第一无源散热器24和第四无源散热器27通过固定装置(在这种情况下为螺钉37)相互固定。

可变透射率元件的阵列16的下游面与部分透明板30接触。在这种情况下，部分透明板30被配置为从可变透射率元件的阵列16中排出热量。在这种情况下，部分透明板30的上游面与可变透射率元件的阵列16的下游面接触。特别地，在这种情况下，部分透明板30具有与可变透射率元件的阵列16相同的横向尺寸，并且其完全覆盖所述阵列。因此，部分透明板30热联接到可变透射率元件的阵列16。

在这种情况下，部分透明板30是陶瓷板，并且在该示例中具有大于5W.m^-1.K^-1，并且优选大于10W.m^-1.K^-1的导热率。

优选地，部分透明板21的厚度小于或等于1.1mm，甚至更优选地在0.5mm和0.9mm之间的范围内，在这种情况下为0.7mm。

在这种情况下，第五无源散热器28与部分透明板30的下游面的周边区域接触，与可变透射率元件的阵列16和部分透明板30的边缘接触，并与第二散热器25和第三散热器26的外表面的部分接触。在图2所示的配置中，部分透明板30和可变透射率元件的阵列16夹持在第二散热器25和第三散热器26(在可变透射率元件的阵列16的上游面附近)以及第五无源散热器28(在部分透明板16的下游面附近)之间。

因此，第二散热器25、第三散热器26和第五散热器28以及部分透明板30有助于释放由可变透射率元件的阵列16接收的热量。

应当注意，在这种情况下，与部分透明板30对应的可变透射率元件的阵列16的周边区域在光学上不是有用的，并且限定了上游光束14、15可选地选择性地穿过以便形成下游光束6和7的中心区域。

为了进一步改善热释放，无源散热器中的至少一个热联接到主动散热系统。

主动散热系统包括热电冷却模块31或Peltier模块，在这种情况下，其冷面例如通过热界面材料与第三无源散热器26的外表面接触，其热面与强制对流冷却模块32接触。

在本发明的含义中，热电模块的冷面是被配置为与待冷却元件接触的面，因此它吸收热量。热面是相反的面，它释放(或放走)热量。因此，在热电模块中，热量从冷面循环到热面。

在这种情况下，热电模块31被配置为使其冷面和热面之间的温差小于10℃，并且优选等于0℃。本领域技术人员将能够根据他们预期的应用在热电模块22的温差和功耗之间找到折衷方案。

强制对流冷却模块32包括第六无源散热器29，其一个面联接到热电模块31的热面，并且在与热电模块接触的面相对的一侧上具有多个散热片。

强制对流冷却模块还包括例如在这种情况下通过螺钉40机械连接到第六散热器29的轴流风扇39。例如，在这种情况下，风扇39的尺寸在25毫米x 25毫米和60毫米x 60毫米之间，并且其配置为使其旋转速度小于或等于每分钟400转。风扇39还可以被配置为具有小于或等于25dB的噪声水平。

热电冷却模块31和强制对流冷却模块32由控制装置44控制。

图3示出了第一折叠镜8的散热系统。在这种情况下，第一折叠镜是平面镜。例如，第一折叠镜8被配置为充当分色滤光器，并且特别是在这种情况下，第一折叠镜8被配置为透射到达其表面的太阳辐射的非偏振可见部分的所有红外辐射，以便反射太阳辐射的偏振可见部分，并且反射来自第一光源和第二光源的所有光。换句话说，第一个折叠镜8是冷光镜。

在这种情况下，这种反射镜是通过在反射镜的反射面上施加过滤涂层来获得的，例如CMF(冷光镜膜)粘合膜。

第一折叠镜8的后面，即在这种情况下施加CMF膜的反射面的相对的面，例如通过热界面材料与第七散热片41接触。

第二折叠镜9和第三折叠镜10在图4中示出，这是这两个反射镜的后视图，在图5中，这是这两个反射镜的轮廓视图。在这种情况下，第二折叠镜9和第三折叠镜10是凹面镜，例如，在这种情况下，每个都覆盖有CMF型粘合膜。第二折叠镜9和第三折叠镜10固定到联接到机械传动系统43的相同支撑件42上，机械传动系统43被配置为调节支撑件42的位置。机械传动系统43由控制装置44控制。

在这种情况下，第二折叠镜9和第三折叠镜具有相同的曲率半径，并且固定到支撑件42上，使得它们各自的曲率中心一致。第一折叠镜9的尺寸适于投射标准图像，第二折叠镜的尺寸适于投射增强现实图像。第二折叠镜10的尺寸大于第一折叠镜9的尺寸。

强制对流冷却模块32和热电冷却模块31结合实时温度测量进行控制，以适应风扇39的旋转速度以及热电冷却模块31的冷面和热面之间的标称温差。这有利地允许例如通过限制使用主动冷却系统的情况的数量来优化主动冷却系统的功耗。

例如，使用温度传感器或分布在图像生成设备5上的各个点上的多个传感器来测量温度。

例如，

-温度传感器安装在可变透射率元件的阵列的结构中，和/或红外传感器指向可变透射率元件的阵列16，并被配置为定位阵列的具有最大温度的区域；

-电子板33和35包括被配置成测量电子板和/或光源的温度的温度传感器；

-放置在壳体17中的传感器被配置为测量壳体17内的环境温度；

-安装在热电冷却模块31中的温度传感器允许测量冷面的温度。

根据其他实施例，只能存在这些传感器中的一些。

为了优化图像生成设备5的冷却和功耗，控制装置44被配置为根据从三个操作模式中选择的操作模式来操作。

根据第一操作模式，控制装置被配置为将热电冷却模块的冷面和热面之间的温差保持在预定值，与施加在图像生成设备5上的热负载无关。根据该第一操作模式，控制装置44被配置为调节强制对流冷却模块的风扇39的速度，该速度特别是作为温度传感器反馈的值和图像生成设备5的期望温度的函数。

根据第二操作模式，控制装置44被配置为保持风扇39的旋转速度恒定，并调节冷面和热电冷却模块31的热面之间的温差，该温差特别是作为温度传感器反馈的值和图像生成设备5的期望温度的函数。

根据第三操作模式，控制装置44被配置为调节热电冷却模块31的热面和冷面之间的温差以及风扇39的旋转速度二者，这二者特别是作为温度传感器反馈的值和图像生成设备5的期望温度的函数。

根据其他实施例，反射偏振器可以联接到第一光学漫射器20、第二光学漫射器21和/或可变透射率元件的阵列16。

例如，图6示出了一个实施例，其中第一反射偏振器45覆盖第一光学漫射器21的下游面，而第二反射偏振器46覆盖第二光学漫射器22的下游面。

图7示出了一个实施例，其中第三反射偏振器覆盖可变透射率元件的阵列16的上游面。

反射偏振器允许具有确定的偏振方向的光被透射，并且允许没有这种确定的偏振方向的光被反射。在这种情况下，所确定的偏振方向是平行于可变透射率元件的阵列的输入(或上游)偏振器的偏振的方向。因此，减小了由可变透射率元件的阵列吸收的光线的比例，从而限制了其发热。

根据本发明的另一个实施例，热电冷却模块热联接到可变透射率元件的阵列16。例如，如图8所示，第二热电冷却模块48被放置在部分透明板30和第五无源散热器28之间。在这种情况下，第二热电冷却模块48的冷面与部分透明板30的周边区域接触，其热面与第五无源散热器28接触。

在图7所示的实施例中，第二热电冷却模块48是例如矩形的，并沿着部分透明板30的边缘延伸。根据其他实施例，热电冷却模块沿着部分透明板30的几个边缘延伸。特别地，根据一些实施例，热电冷却模块可以是框架的形状。

在这种情况下，第五无源散热器28包括其外表面设有散热片的一部分。在这种情况下，该有散热片的部分联接到强制对流冷却模块32。

此外，在该实施例中，第五无源散热器28通过隔热部件49与无源散热器25和26相隔热。因此，从屏幕释放的热量不会被重新引导朝向这些散热器25和26。因此，冷却可变透射率元件的阵列16不会干扰壳体内部的冷却。

在所附权利要求的范围内，可以对本发明进行各种其他修改。

Claims (15)

1.一种图像生成设备，包括：第一光源(12)，所述第一光源(12)被配置为生成第一上游光束(14)；第二光源(13)，所述第二光源(13)被配置为生成第二上游光束(15)；以及可变透射率元件的阵列(16)，所述可变透射率元件的阵列(16)被配置为选择性地接收和传输所述第一上游光束(14)并且选择性地接收和传输所述第二上游光束(15)，以分别形成：形成第一图像(2)的第一下游光束(6)和形成第二图像(3)的第二下游光束(7)。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述可变透射率元件的阵列(16)是薄膜晶体管液晶显示器。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述可变透射率元件的阵列(16)的下游面与至少部分透明板(30)接触，所述至少部分透明板被配置为限制所述可变透射率元件的阵列(16)的发热。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，包括与所述部分透明板(30)热联接的第一散热器(28)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，所述第一光源和第二光源(12、13)中的至少一个被配置为通过光学漫射器(20、22)将其上游光束(14、15)传输到所述可变透射率元件的阵列(16)，所述设备包括第二散热器(25、26)，所述第二散热器被配置为释放限制在所述漫射器和所述可变透射率元件的阵列之间的热量。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中，所述第二散热器(25)与所述可变透射率元件的阵列(16)的上游面接触。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中，至少一个散热器联接到强制对流冷却模块(32)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其中，所述部分透明板(30)的下游面与热电冷却模块(31)的冷面接触。

9.根据从属于权利要求4的权利要求8所述的设备，其中，所述第一散热器(28)与所述热电模块(31)的热面接触。

10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述部分透明板(30)的所述下游面与所述第一散热器(28)接触。

11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述第一光源和第二光源(12、13)中的至少一个被配置为通过反射器(21、23)将其上游光束(14、15)传输到光学漫射器(20、22)。

12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述第一上游光束(14)的传播方向和所述第二上游光束(15)的传播方向形成在0°和45°之间的角度。

13.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述第一下游光束(6)被反射到第一凹面镜(9)上，并且所述第二下游光束(7)被反射到第二凹面镜(10)上，其中所述第一凹面镜(9)和所述第二凹面镜(10)相对于彼此固定并且固定到相同的支撑件(42)上。

14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述第一反射镜和第二反射镜(9、10)中的至少一个是冷光镜。

15.一种平视显示器，包括如权利要求1至14中任一项所述的设备和用于将下游光束朝向部分透明条带(4)投射的系统。