CN118140170A - 在平视显示器中通过透射的凹面镜减少结构空间 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种紧凑的投影单元，所述投影单元用于视野显示装置，所述视野显示装置用于在车辆中使用，所述投影单元包括：‑构成用于产生具有期望的显示内容的光射束的成像单元；‑设置在所产生的光射束的光路中的折叠镜；以及‑在由所述折叠镜反射的光射束的光路中这样设置和构成的凹面镜，使得所述光射束以预先确定的形状和方向离开所述投影单元，以便随后由设置在用户的视野中的部分透明的反射玻璃反射至所述用户的眼框并且由此为所述用户在所述反射玻璃后面以虚拟图像形式示出所述显示内容；‑其中，所述凹面镜设置在所述成像单元和所述折叠镜之间的光路中并且至少部分地透射从所述成像单元出发的光射束，所述光射束入射到所述凹面镜的背侧上。

Description

在平视显示器中通过透射的凹面镜减少结构空间

技术领域

本发明涉及一种用于机动车或其他陆上、空中或水上运输工具的视野显示装置，所述视野显示装置也以名称平视显示器(HUD)已知。这样的装置构成用于通过在部分透明的反射玻璃、例如车辆的前窗玻璃、后窗玻璃或侧窗玻璃或特意为此设置的设置在用户的视野中的复合玻璃上的反射产生渐显到用户的视野中的虚拟图像。本发明特别是针对一种投影单元以及一种以此装备的车辆，所述投影单元构成用于输出具有期望的显示内容的适合的光射束。

背景技术

利用平视显示器在机动车中例如将速度说明和其他有用的导航和车辆操作提示亦或娱乐内容以虚拟图像的形式叠加于由驾驶员或其他乘客观察的在车辆前的实际环境图像。如在图1中示意性绘出的，为此以传统的镜结构方式的视野显示装置(HUD)200具有安放在车辆1的仪表板4的上侧之下的投影单元500。该投影单元包含成像单元600、例如显示器，以用于产生具有希望的显示内容的光射束L。此外，所述投影单元500具有成像和投影光学系统，以便将光射束L以合适的形状和方向投射到车辆1的前窗玻璃3上，借此可以以希望的大小、距离和质量从车辆1中的对于用户眼睛确定的空间区域、即眼框E看到所述虚拟图像(未示出)。

在此，用于在车辆1上的平视显示器200和其投影单元500的结构空间非常宝贵。因此在已知的HUD结构中尝试，通过光学的光路的巧妙的折叠产生尽可能紧凑的系统。为此所述成像和投影光学系统在光射束L的光路中典型地具有用于节省空间地折叠光路的折叠镜700并且此外具有凹面镜800，所述凹面镜例如用于图像放大和/或补偿前窗玻璃曲率。如在图1中示出的，光路的任何折叠当然必须总是回避凹面镜800，以便不获得图像裁剪。然而借此从未实现最小可能的结构空间体积。

发明内容

本发明的任务是，给出一种用于视野显示装置的备选的或关于结构空间、图像质量和/或其他方面改善的投影单元，所述视野显示装置特别是适合用于在车辆中使用。

该任务通过一种按照权利要求1的紧凑的投影单元以及通过按照并列权利要求的包含该投影单元的视野显示装置和以此装备的车辆解决。在从属权利要求中给出其他的构造形式。所有在权利要求和对于投影单元的后续说明中所述的进一步的特征和作用也适用于视野显示装置和车辆，并且反之亦然。

按照第一方面，设有一种用于视野显示装置的紧凑的、即关于结构空间优化的投影单元，所述视野显示装置特别是可以在车辆中使用。所述视野显示装置例如可以作为平视显示器(HUD)构成。所述车辆可以是机动车，但也可以是任意其他陆上、空中或水上运输工具。

所述投影单元首先具有构成用于产生具有期望的显示内容的光射束的成像单元(Picture Generating Unit、PGU)，所述成像单元例如可以作为液晶屏幕(LCD、liquidcrystal display)或不同类型的显示器或更多地构成。

在由所述成像单元产生的光射束的光路中为了折叠所述光路设置有折叠镜，所述折叠镜在最简单的情况中可以实施为平面镜。但所述折叠镜也可以弯曲，即，其可以一般地是具有凸形的或凹形的镜面的自由形状镜，以便满足附加的图像校正和/或光束成形功能。

在由折叠镜反射的光射束的光路中，所述投影单元此外包括这样设置和构成的凹面镜，使得所述光射束以此以预先确定的形状和方向离开所述投影单元，以便随后由设置在用户的视野中的至少部分地透明的反射玻璃反射至所述用户的眼框并且由此为所述用户在所述反射玻璃后面以虚拟图像形式示出所述显示内容。所述反射玻璃例如可以通过车辆的前窗玻璃的区段或通过额外在其之前设置的复合玻璃形成。亦即所述反射玻璃是进一步在下面给出的视野显示装置的组成部分，然而不是强制地也是投影单元的组成部分，所述投影单元例如在利用车辆前窗玻璃作为反射玻璃时也可以在没有所述反射玻璃的情况下制造和销售。然而在额外设置的复合玻璃的情况中，该复合玻璃可以以已知的方式也集成在投影单元中。通常将二维或三维的空间区域理解为视野显示装置的眼框，所述虚拟图像从所述空间区域不受限制地可见。

在此，所述凹面镜设置在所述成像单元和所述折叠镜之间的光路中并且对于从所述成像单元出发的光射束至少部分透射地构成，所述光射束入射到所述凹面镜的背侧上。换句话说，所述光射束在其从成像单元至折叠镜的路径上穿过所述凹面镜的背侧地经过所述凹面镜。

本发明的想法因此在于，所述凹面镜对于在背侧入射的从所述成像单元出发的光而言透射地构造。由此能够实现，将成像单元定位在凹面镜的后面并且以这种方式优化、即双重地利用对于折叠的光路的可用的结构空间，而不会在横截面中对所述光射束剪裁。

投影单元的该构造通过投影单元的允许大约25-35％的体积减少的较紧凑的结构方式能够实现相对于图1的常规的镜HUD而明显的结构空间减少。所述凹面镜在此还(特别是通过按照接着给出的实施形式的相应的涂层)同时用作用于成像单元(例如显示器)的热保护措施，因为由此在相应的实施形式中，入射的日光的50％不可以到达显示器上。借此总体上显著简化具有较大的图像的HUD的集成。

存在通过特别地选择在凹面镜和/或折叠镜上的反射特性、例如借助合适的光学涂层而特别简单和/或特别高效地构造该光学系统的无数的可能性。接着纯示例性地给出对此的两种不同的变型，在这些变型中，第一变型特别简单实现并且第二变型在视野显示装置的功率消耗方面特别高效：

按照第一实施形式，所述凹面镜在其凹形弯曲的前侧上这样具有50％R涂层，使得所述凹面镜在背侧对从成像单元入射的光的大约50％透射并且在前侧对由所述折叠镜反射的光的大约50％反射。借此在穿过所述光学系统之后得出大约0.5*0.5＝0.25的整体效率，这相当于25％。

按照第二实施形式，所述成像单元构成用于产生线性p偏振(或s偏振)光，而所述凹面镜在其凹形弯曲的前侧上设有涂层，所述涂层具有用于s偏振(或p偏振)的光的大约100％的反射系数、即100％Rs涂层(或100％Rp涂层)。借此能够实现，所述凹面镜在背侧几乎无损耗地透射从所述成像单元入射的光。

然而在该变型中，所述折叠镜必须同样获得光学活性的涂层，借此所述光在凹面镜上也尽可能有效地反射。折叠镜的涂层因而是λ/4层，其特别是不仅在角度范围中而且在波长谱中可以尽可能宽带地构造。因此光在穿过该涂层时延迟2*0.25λ＝0.5λ，即，线性偏振光从p旋转到s(或从s旋转到p)。借此现在这样调节光的线性偏振，使得在凹面镜上的前面提及的前侧的涂层尽可能高效地反射该线性偏振。因此可以在该实施形式中实现所述光学系统的超过80％的整体效率。能够通过在凹面镜的(例如凸形的)背侧上的防反射涂层还进一步提高该效率。

因为投影到机动车的前窗玻璃上的光的入射角在常见的HUD配置中处于布鲁斯特角附近，所以在从空气至玻璃或塑料的前窗玻璃的分界面上主要反射s偏振光(即，线性偏振光，所述偏振光的偏振方向垂直于前窗玻璃的典型地垂直的入射平面，亦即平行于前窗玻璃并且通常是水平的)。出于这个原因，许多已知的视野显示装置的投影单元也设计用于s偏振光的优选的发射。

用于在折叠镜上的尽可能高的反射效率，所述λ/4层理想地在相应于成像单元的光谱范围中、例如在具有大约380-780nm的宽的波长范围的宽带的光源中尽可能宽带地构造。相同的内容相应适用于光射束在折叠镜上的相关的入射角范围。

按照另一方面，所述视野显示装置设置用于在车辆中使用。所述视野显示装置除了在这里陈述类型的投影单元之外也具有设置在由投影单元输出的光射束的光路中的至少部分透明的反射玻璃，所述反射玻璃特别是可以构成为车辆的前窗玻璃的部分面区段或额外地在此之前设置的复合玻璃。在此所述反射玻璃这样设置和构成在用户的视野中，使得所述反射琉璃将光射束反射至对于用户预先确定的眼框，由此为所述用户在反射玻璃后面以虚拟图像形式能示出所述显示内容并且在视野显示装置的运行中也示出所述显示内容。

按照另一方面，设有车辆、特别是机动车或任意其他陆上、空中或水上运输工具。在这里使用的空间的取向概念如“之上”、“之下”、“前”、“侧向”、“水平”、“垂直”等在此涉及车辆的包括彼此垂直的纵轴、横轴和竖轴的通常的固定于车辆的笛卡尔坐标系。

所述车辆装备有在这里陈述类型的视野显示装置，所述视野显示装置的投影单元例如可以直接这样安装在车辆的仪表板的上侧之下，使得光射束从投影单元投射到在仪表板上方设置的前窗玻璃或在驾驶员或其他乘客的视野中定位的复合玻璃上。

附图说明

以下借助在附图中示出的示例进一步解释本发明的上述方面及其实施形式和特别的构造方案。所述附图理解为基本光学构造原理的纯示意的示图、亦即不理解为忠于比例的。分别在竖直的纵剖视图中示出：

图1示出按照现有技术的在机动车中的常规的镜HUD，所述镜HUD包括借助折叠镜和凹面镜折叠的光路；

图2示出在机动车中的在这里陈述类型的视野显示装置的实施例，所述视野显示装置包括在成像单元和折叠镜之间的光路中的部分透明的凹面镜；

图3示出图2的视野显示装置的实施例，所述视野显示装置包括在凹面镜的凹形弯曲的前侧上的50％R涂层；以及

图4示出图2的视野显示装置的备选于图3的实施例，所述视野显示装置包括在凹面镜的凹形弯曲的前侧上的100％Rs涂层。

具体实施方式

开头详细说明过的图1为了比较示出在车辆1中(在该示例中在机动车中)的以所谓的镜HUD形式的常规的视野显示装置200，而在图2中以类似于图1的强烈简化的示意纵剖视图示出包括在这里陈述类型的视野显示装置2的机动车的实施例。

机动车在图2中只通过其前窗玻璃3表示。在其下面在未进一步示出的仪表板4中设置视野显示装置2的投影单元5。纯示例性地涉及平视显示器(HUD)。前窗玻璃3在该示例中用作视野显示装置2的部分透明的反射玻璃，借此为驾驶员或其他乘客在车辆外侧在前窗玻璃3前示出虚拟图像(未示出)。

投影单元5包含构成用于产生具有期望的显示内容的光射束L(简称为“光”)的成像单元6(也称为Picture Generating Unit、PGU，在该示例中为LCD)。从成像单元6出发的光射束L简化地通过其中心光束表示，所述光射束将显示内容传输至用户(在这里为驾驶员，未示出)的在机动车中相对于前窗玻璃3处于预先确定的位置上的眼框E，所述中心光束大致从成像单元6的中心引导至眼框E的中心。

类似于图1，也在图2中在产生的光射束L的光路中设置折叠镜7并且与该折叠镜相对置地设置凹面镜8。在此，凹面镜8的朝向折叠镜7的凹形弯曲的前侧也在这里这样构成，使得光射束L通过在其上的反射以适合的形状和方向离开投影单元5，以便随后从前窗玻璃3反射至眼框E。

但相反于图1，在图2中所述凹面镜8对于由成像单元6产生的光L至少部分透射地构造。借此如在图2中绘出的，可以将成像单元6定位在凹面镜8后面，从而在该位置上双重并且借此优化地利用用于光路的可用的结构空间。

存在多种可能性，通过特别地选择在凹面镜8和/或折叠镜7上的反射特性、例如借助合适的光学涂层特别简单和/或特别高效地构造在图2中绘出的光学系统。以下借助图3和4为此给出两个不同的示例，在这些示例中，第一示例可以特别简单地实现并且第二示例可以在视野显示装置2的功率消耗方面特别高效：

这样图3示出按照本发明的前面提及的第一实施形式的图2的视野显示装置2的实施例。在这里凹面镜8在其凹形弯曲的前侧上这样具有50％R涂层9，使得所述凹面镜在背侧对从成像单元6入射的光L的大约50％透射并且在前侧对由折叠镜7反射的光L的大约50％反射。借此在穿过光学系统之后产生大约0.5*0.5＝0.25的整体效率，这相当于25％。此外为了避免重复而参阅图2的上述说明。

图4示出按照本发明的前面提及的第二实施形式的图2的视野显示装置2的备选于图3的实施例。在这里成像单元6构成用于产生p偏振光Lp，而凹面镜8在其凹形弯曲的前侧上配设有涂层，所述涂层具有用于s偏振光的大约100％的反射系数，亦即具有100％Rs涂层10。成像单元6的光Lp因此可以(除了可能的菲涅尔损耗之外，所述菲涅尔损耗例如可以通过凹面镜8的适合地选择的背侧的几何结构和/或防反射涂层减少或甚至除去)在没有衰减的情况下穿过凹面镜8并且到达折叠镜7。

然而在该变型中，折叠镜7必须同样获得光学作用涂层，借此光射束随后在凹面镜8上也尽可能有效地反射。折叠镜7的涂层因而是λ/4层11，其特别是不仅在角度谱中而且在波长谱中可以尽可能宽带地构造。因此光Lp在穿过该λ/4层11时延迟2*0.25λ＝0.5λ，亦即线性偏振光从p旋转到s。借此现在这样调节光Ls的线性偏振，使得在凹面镜8上的前侧的100％Rs涂层10尽可能高效地反射该光。因此可以在该实施形式中实现所述光学系统的超过80％的整体效率。例如能够通过在凹面镜8的在图4中纯示例性地凸形的背侧上的以上提到的防反射涂层还进一步提高该效率。此外为了避免重复而参阅图2的上述说明。

如果投影到车辆1的前窗玻璃3上的光L的入射角在图2至4中(也如在按照图1的常见的HUD配置中)处于布鲁斯特角附近，则在从空气至玻璃或塑料的前窗玻璃3的分界面上主要反射s偏振光(亦即线性偏振光，所述偏振光的偏振方向垂直于前窗玻璃3的在图中示出的垂直的入射平面，亦即平行于前窗玻璃3并且通常是水平的)。出于这个原因可以特别有利的是，投影单元5例如按照图4的原理设计用于发射s偏振光Ls。但在车辆1中的另外的几何情况中，光射束的分别不同地选择的线性偏振(亦即整体上p代替s和s代替p)也可以在本发明的范围中构成可行的或甚至特别有利的解决方案。

总体上能够在图2-4中通过投影单元5的较紧凑的结构方式相比于按照图1的常规的HUD结构方式取得明显的结构空间减少(大约25-35％的体积减少)。凹面镜8以其涂层9或10同时用作用于成像单元6的热保护措施，其方式为入射的日光的大约50％由此无法到达成像单元6的显示器上。借此简化具有较大的图像的HUD的集成。

附图标记列表

1 车辆

2 视野显示装置

3 前窗玻璃

4 仪表板

5 投影单元

6 成像单元

7 折叠镜

8 凹面镜

9 50％R涂层

10 100％Rs涂层

11 λ/4层

L 光射束，也简称为“光”

Lp 具有p偏振光的光射束

Ls 具有s偏振光的光射束

E 眼框

Claims (7)

1.紧凑的投影单元(5)，所述投影单元用于视野显示装置(2)，所述视野显示装置用于在车辆(1)中使用，所述投影单元包括：

-构成用于产生具有期望的显示内容的光射束(L；Lp)的成像单元(6)；

-设置在所产生的光射束(L；Lp)的光路中的折叠镜(7)；以及

-在由所述折叠镜(7)反射的光射束(L；Ls)的光路中设置和构成的凹面镜(8)，使得所述光射束(L；Ls)以预先确定的形状和方向离开所述投影单元(5)，以便随后由设置在用户的视野中的部分透明的反射玻璃反射至所述用户的眼框(E)并且由此为所述用户在所述反射玻璃后面以虚拟图像形式示出所述显示内容；

-其中，所述凹面镜(8)设置在所述成像单元(6)和所述折叠镜(7)之间的光路中并且至少部分地透射从所述成像单元(6)出发的光射束(L；Lp)，所述光射束入射到所述凹面镜的背侧上。

2.按照权利要求1所述的投影单元(5)，其中

-所述凹面镜(8)在其朝向所述折叠镜(7)的凹形弯曲的前侧上具有50％R涂层(9)，使得所述凹面镜在背侧对从所述成像单元(6)入射的光(L)的大约50％透射并且在前侧对由所述折叠镜(7)反射的光(L)的大约50％反射。

3.按照权利要求1所述的投影单元(5)，其中

-所述成像单元(6)构成用于产生p偏振光(Lp)；

-所述凹面镜(8)在其朝向所述折叠镜(7)的凹形弯曲的前侧上具有涂层(10)，所述涂层具有用于s偏振光的大约100％的反射系数，使得所述凹面镜在背侧几乎无损耗地透射从所述成像单元(6)入射的光(Lp)；并且

-所述折叠镜(7)在其朝向所述凹面镜(8)的镜侧上具有λ/4层(11)，从而所述凹面镜(8)在前侧几乎无损耗地反射从所述折叠镜(7)入射的光(Ls)。

4.按照权利要求1所述的投影单元(5)，其中

-所述成像单元(6)构成用于产生s偏振光；

-所述凹面镜(8)在其朝向所述折叠镜(7)的凹形弯曲的前侧上具有涂层，所述涂层具有用于p偏振光的大约100％的反射系数，使得所述凹面镜在背侧几乎无损耗地透射从所述成像单元(6)入射的光；并且

-所述折叠镜(7)具有λ/4层(11)，从而所述凹面镜(8)在前侧几乎无损耗地反射从所述折叠镜(7)入射的光。

5.按照上述权利要求之一所述的投影单元(5)，其中

-所述凹面镜(8)在其朝向所述成像单元(6)的背侧上具有防反射涂层。

6.视野显示装置(2)，用于在车辆(1)中使用，所述视野显示装置包括：

-按照上述权利要求之一所述的投影单元(5)；以及

-设置在由所述投影单元(5)输出的光射束(L；Ls)的光路中的至少部分透明的反射玻璃；

-其中，所述反射玻璃设置和构成在用户的视野中，使得所述反射玻璃将所述光射束(L；Ls)反射至对于所述用户预先确定的眼框(E)，由此能在所述反射玻璃后面的虚拟投影面中以虚拟图像的形式为所述用户示出所述显示内容。

7.车辆(1)、特别是机动车，所述车辆包括车辆自身的笛卡尔坐标系的彼此垂直的纵轴、横轴和竖轴，所述车辆包括：

-前窗玻璃(3)和设置在所述前窗玻璃下面的仪表板(4)；以及

-按照权利要求6所述的视野显示装置(2)，所述视野显示装置的投影单元(5)设置在所述仪表板(4)的内部或所述仪表板的上侧上，并且所述视野显示装置的反射玻璃构成为所述前窗玻璃(3)的区段或构成为在车辆内侧设置在前窗玻璃之前的复合玻璃。