EP3329318A1 - Dispositif de formation d'image et afficheur tête haute comprenant un tel dispositif - Google Patents

Dispositif de formation d'image et afficheur tête haute comprenant un tel dispositif

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EP3329318A1
EP3329318A1 EP16753611.9A EP16753611A EP3329318A1 EP 3329318 A1 EP3329318 A1 EP 3329318A1 EP 16753611 A EP16753611 A EP 16753611A EP 3329318 A1 EP3329318 A1 EP 3329318A1
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EP
European Patent Office
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diffuser
image forming
light beam
forming apparatus
head
Prior art date
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Pending
Application number
EP16753611.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Paul DEBA
Pierre Mermillod
Stéphane GACHE
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Valeo Comfort and Driving Assistance SAS
Original Assignee
Valeo Comfort and Driving Assistance SAS
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Publication date
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    • G02B26/10—Scanning systems

Definitions

  • the present invention relates to head-up displays for vehicles, in particular for motor vehicles.
  • It relates more particularly to an image forming device and a head-up display comprising such a device.
  • Some head-up displays use an image forming device comprising a diffuser and a scanning unit adapted to generate a light beam scanning an entrance face of the diffuser.
  • the light beam at the output of the diffuser thus forms an image, which can then be projected into the field of vision of the driver of the vehicle, for example by means of a folding mirror and a semi-transparent plate.
  • Attenuation means comprising an element adapted to impart a variable polarization to the light beam, such as liquid crystal means.
  • the present invention provides an image forming apparatus for a head-up display, comprising a diffuser, a scanning unit adapted to generate a light beam sweeping a face of the diffuser, and an element adapted to impart a variable bias to the light beam, characterized in that the diffuser comprises a polarizing element filtering the light passing through the diffuser.
  • the polarizing element allows, in combination with the imparting element a variable polarization, to obtain a variable attenuation of the light beam at the output of the diffuser.
  • the mechanical design of the assembly is simplified. Furthermore, because of the sweep, the average light intensity (per unit area) at the diffuser is reduced and the polarizing element therefore does not risk premature aging.
  • the polarizing element is a polarizing structure disposed on the swept face
  • the polarizing element is designed to impart a fixed linear polarization to the light passing through the diffuser
  • the diffuser comprises a diffusion structure on a face opposite to the scanned face
  • the diffusion structure comprises microlenses
  • the element designed to impart a variable polarization is a liquid crystal cell
  • a beam forming module comprises the liquid crystal cell and at least one light source
  • the scanning unit comprises a mobile mirror
  • the moving mirror receives a light beam generated by the beam forming module
  • a lens for example a field lens or F-Theta lens
  • F-Theta lens is interposed between the scanning unit and the diffuser.
  • the invention also provides a head-up display comprising an image-forming device as mentioned above, a combiner and a return optical system arranged to return a light beam generated by the image-forming device in the direction of the image. of the combiner.
  • FIG. 1 represents an example of head-up display according to the invention
  • FIG. 2 represents an example of an image forming device that can be used in the head-up display of FIG. 1;
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment of such an image forming device.
  • Figure 1 shows schematically the main elements of a head-up display 2 installed in a vehicle (here a motor vehicle).
  • Such a head-up display 2 comprises an imaging device 10 which generates a light beam representing an image to be displayed, a return optical system 4 and a combiner 6, formed here by a semitransparent plate.
  • the return optical system 4 returns the light beam generated by the image forming device 10 towards the combiner 6, which makes it possible to display a virtual image in the field of view of the driver.
  • the semi-transparent blade 6 is preferably disposed between the windshield 8 of the vehicle and the eyes of the driver. It may furthermore be envisaged that the optical return system 4 transmits the light beam generated by the image forming device 10 on the windshield 8, which then acts as a combiner (in which case the semi-circular blade transparent is omitted).
  • the optical return system 4 here comprises a simple folding mirror. Alternatively, it could include a plurality of mirrors and / or other optical elements.
  • FIG. 2 represents a first exemplary embodiment of the image forming device 10.
  • This imaging device 10 comprises a diffuser 12 and a scanning unit 14 which generates a light beam of variable direction so as to be able to scan the rear face of the diffuser 12.
  • the scanning unit 14 comprises a beam forming module 16 and a mobile mirror 18, for example made in the form of an electromechanical microsystem (or MEMS for "MicroElectroMechanical System”).
  • the beamforming module 166 typically comprises three monochromatic light sources, such as laser sources, whose respective (monochromatic) light beams are combined (e.g., using dichroic mirrors) to form the polychromatic light beam. (here laser) emitted at the output of the beam forming module 1 6.
  • monochromatic light sources such as laser sources, whose respective (monochromatic) light beams are combined (e.g., using dichroic mirrors) to form the polychromatic light beam. (here laser) emitted at the output of the beam forming module 1 6.
  • This light beam generated by the beam forming module 16 is directed towards the moving mirror 18, the orientation of which is controlled by a control module 30 so that the reflected light beam (by the moving mirror 18) sweeps the back of the diffuser 12.
  • the image forming device 10 also comprises a liquid crystal cell 20 which imparts to the light beam, scanning the rear face of the diffuser 12, a variable polarization as a function of a voltage V applied to the liquid crystal cell 20 by the control module 30.
  • the liquid crystal cell 20 is located within the beam forming module 1 6 so as to be traversed by the combined light beam (that is to say from the combination of monochromatic beams ).
  • the light beam emitted by the beam forming module 16 is here polarized with a variable polarization as a function of the voltage V applied to the liquid crystal cell 20.
  • the diffuser 12 comprises a polarizing structure 22, which imparts a linear polarization having a given direction to the light beam which passes through the diffuser 12, and a diffusion structure 24 which causes an angular spreading of the light beam (for example an angular spread of a light).
  • angle ⁇ 19 °).
  • the polarizing structure 22 is placed on the rear face of the diffuser 12 (swept face as already indicated by the polarized light beam emitted by the scanning unit 14) and the diffusion structure 24 is placed on the front face of the polarizer 12 (face which emits the image light beam to be displayed as explained above with reference to FIG. 1).
  • Such a diffuser 12 is therefore of the type to increase the size of the exit pupil (or EPE for "Exit Pupil Expandei").
  • the substrate 26 of the diffuser 12 is made of a transparent material
  • the polarizing structure 22 is for example made by means of a polarizing layer deposited on the substrate 26, such as a wire mesh (or "wire grid” according to the Anglo-Saxon name).
  • the diffusion structure 24 can itself be produced by a matrix of microlenses.
  • the (polychromatic) light beam emitted by the beam forming module 1 6 has a variable bias depending on the voltage applied to the liquid crystal cell 20.
  • the beam polarized by the liquid crystal cell 20 After reflection on the moving mirror 18, the beam polarized by the liquid crystal cell 20 passes through the diffuser, and therefore in particular the polarizing structure 22. As a function of the polarization imparted by the liquid crystal cell 20 (relative to the fixed linear polarization of the polarizing structure 22), the light beam at the output of the polarizing structure 22 will be more or less attenuated.
  • the arrangement of the polarizing structure 22 at the level of the diffuser 12 also makes it possible to limit the aging of this structure since each point of the diffuser 12 is illuminated by the light beam only a small proportion of the time (due to the scanning) and therefore receives a relatively low average light intensity (in comparison for example elements of the scanning unit 14).
  • the light beam emitted by the beam forming module 18 and reflected by the moving mirror 18 is collimated (in particular in the case of the use of laser sources) and the rear face of the diffuser 12, which receives this collimated beam , is particularly well adapted to accommodate the polarizing structure 22 (which deals more effectively with a collimated beam than a diffuse beam).
  • the angle of incidence of the light beam (reflected by the movable mirror 18) on the rear face of the diffuser 12 is variable depending on the point considered on the rear face of the diffuser 12, but fixed for a point given the rear face of the diffuser 12. It is therefore possible to deposit in each point of the rear face of the diffuser 12 (on the substrate 26) a portion of polarizing structure 22 adapted to the angle of incidence of the light beam in this point.
  • FIG. 3 represents an alternative embodiment of the image forming device which has just been described with reference to FIG. 2.
  • the image forming device 10 'shown in FIG. 3 comprises a scanning unit 14' and a diffuser 12 'identical to those of FIG. 2 and which will therefore not be described again.
  • the scanning unit 14 'thus comprises in particular a beam forming module 16' and a movable mirror 18 '.
  • the image forming device 10 'further comprises a lens 13' interposed between the scanning unit 14 'and the diffuser 12'.
  • the lens 13 ' is arranged so that its focus is located at the reflection site of the beam generated by the beam forming module 1 6' on the movable mirror 18 '.
  • the lens 13 ' is a plane lens. convex, here a field lens (or F-Theta lens). Alternatively, it could be a Fresnel lens.
  • variable orientation beam generated by the scanning unit 14 'thus sweeps an input face of the lens 13' and is transmitted at the output with a constant direction (corresponding to the optical axis of the lens) whatever the point concerned on the exit face of the lens 13 '.
  • the light beam thus arrives on the rear face of the diffuser 12 '(carrying the polarizing structure 22') with a constant incidence (for example a normal incidence at the rear face of the diffuser 12 '), whatever the point concerned on this face back.
  • a constant incidence for example a normal incidence at the rear face of the diffuser 12 '

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Abstract

Un dispositif de formation d'image pour afficheur tête haute, comprend un diffuseur (12), une unité de balayage (14) conçue pour générer un faisceau lumineux balayant une face du diffuseur (12), et un élément (20) conçu pour impartir une polarisation variable au faisceau lumineux. Le diffuseur (12) comporte un élément polarisant (22) filtrant la lumière traversant le diffuseur (12). Un afficheur tête haute comprenant un tel dispositif est également décrit.

Description

Dispositif de formation d'image et afficheur tête haute comprenant un tel dispositif DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne les afficheurs tête haute pour véhicules, en particulier pour véhicules automobiles.
Elle concerne plus particulièrement un dispositif de formation d'image et un afficheur tête haute comprenant un tel dispositif.
ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE
Certains afficheurs tête haute utilisent un dispositif de formation d'image comprenant un diffuseur et une unité de balayage conçue pour générer un faisceau lumineux balayant une face d'entrée du diffuseur.
Le faisceau lumineux en sortie du diffuseur forme ainsi une image, qui peut alors être projetée dans le champ de vision du conducteur du véhicule, par exemple au moyen d'un miroir de repliement et d'une lame semi-transparente.
Afin de pouvoir faire varier dans des proportions importantes la luminosité de l'image projetée (ce qui permet une adaptation de la luminosité aux conditions de roulage, typiquement diurnes ou nocturnes), il a déjà été proposé, par exemple dans le document FR 2 993 675, d'utiliser des moyens d'atténuation comprenant un élément conçu pour impartir une polarisation variable au faisceau lumineux, tel que des moyens à cristaux liquides.
OBJET DE L'INVENTION
Dans ce contexte, la présente invention propose un dispositif de formation d'image pour afficheur tête haute, comprenant un diffuseur, une unité de balayage conçue pour générer un faisceau lumineux balayant une face du diffuseur, et un élément conçu pour impartir une polarisation variable au faisceau lumineux, caractérisé en ce que le diffuseur comporte un élément polarisant filtrant la lumière traversant le diffuseur.
L'élément polarisant permet, en combinaison avec l'élément impartissant une polarisation variable, d'obtenir une atténuation variable du faisceau lumineux en sortie du diffuseur.
Grâce à l'intégration de l'élément polarisant au diffuseur, la conception mécanique de l'ensemble est simplifiée. Par ailleurs, du fait du balayage, l'intensité lumineuse moyenne (par unité de surface) au niveau du diffuseur est réduite et l'élément polarisant ne risque donc pas un vieillissement prématuré.
Selon d'autres caractéristiques optionnelles, et donc non limitatives : - l'élément polarisant est une structure polarisante disposée sur la face balayée ;
- l'élément polarisant est conçu pour impartir une polarisation linéaire fixe à la lumière traversant le diffuseur ;
- le diffuseur comprend une structure de diffusion sur une face opposée à la face balayée ;
- la structure de diffusion comprend des microlentilles ;
- l'élément conçu pour impartir une polarisation variable est une cellule à cristaux liquides ;
- un module de formation de faisceau comprend la cellule à cristaux liquides et au moins une source de lumière ;
- l'unité de balayage comprend un miroir mobile ;
- le miroir mobile reçoit un faisceau lumineux généré par le module de formation de faisceau ;
- une lentille (par exemple une lentille de champ ou lentille F-Theta) est interposée entre l'unité de balayage et le diffuseur.
L'invention propose également un afficheur tête haute comprenant un dispositif de formation d'image tel que mentionné ci-dessus, un combineur et un système optique de renvoi disposé de manière renvoyer un faisceau lumineux généré par le dispositif de formation d'image en direction du combineur.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'UN EXEMPLE DE RÉALISATION La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.
Sur les dessins annexés :
- la figure 1 représente un exemple d'afficheur tête haute conforme à l'invention ;
- la figure 2 représente un exemple de dispositif de formation d'image utilisable dans l'afficheur tête haute de la figure 1 ; et
- la figure 3 représente une variante de réalisation d'un tel dispositif de formation d'image.
La figure 1 représente schématiquement les éléments principaux d'un afficheur tête haute 2 installé dans un véhicule (ici un véhicule automobile).
Un tel afficheur tête haute 2 comprend un dispositif de formation d'image 10 qui génère un faisceau lumineux représentant une image à afficher, un système optique de renvoi 4 et un combineur 6, formé ici par une lame semi- transparente.
Le système optique de renvoi 4 renvoie le faisceau lumineux généré par le dispositif de formation d'image 10 en direction du combineur 6, ce qui permet d'afficher une image virtuelle dans le champ de vision du conducteur.
À cet égard, la lame semi-transparente 6 est de préférence disposée entre le pare-brise 8 du véhicule et les yeux du conducteur. On peut d'ailleurs prévoir en variante que le système optique de renvoi 4 transmette le faisceau lumineux généré par le dispositif de formation d'image 10 sur le pare-brise 8, qui joue alors le rôle de combineur (auquel cas la lame semi-transparente est omise).
Le système optique de renvoi 4 comprend ici un simple miroir de repliement. En variante, il pourrait comprendre une pluralité de miroirs et/ou d'autres éléments optiques.
La figure 2 représente un premier exemple de réalisation du dispositif de formation d'image 10.
Ce dispositif de formation d'image 10 comprend un diffuseur 12 et une unité de balayage 14 qui génère un faisceau lumineux de direction variable de manière à pouvoir balayer la face arrière du diffuseur 12.
L'unité de balayage 14 comprend un module de formation de faisceau 16 et un miroir mobile 18, par exemple réalisé sous forme d'un microsystème électromécanique (ou MEMS pour " MicroElectroMechanical System").
Le module de formation de faisceau 1 6 comprend typiquement trois sources de lumière monochromatiques, telles que des sources laser, dont les faisceaux lumineux respectifs (monochromatiques) sont combinés (par exemple à l'aide de miroirs dichroïques) afin de former le faisceau lumineux polychromatique (ici laser) émis en sortie du module de formation de faisceau 1 6.
Ce faisceau lumineux généré par le module de formation de faisceau 16 est dirigé vers le miroir mobile 18, dont l'orientation est commandée par un module de commande 30 de façon à ce que le faisceau lumineux réfléchi (par le miroir mobile 18) balaie la face arrière du diffuseur 12.
Le dispositif de formation d'image 10 comprend également une cellule à cristaux liquides 20 qui impartit au faisceau lumineux, balayant la face arrière du diffuseur 12, une polarisation variable en fonction d'une tension V appliquée à la cellule à cristaux liquides 20 par le module de commande 30.
Dans l'exemple décrit ici, la cellule à cristaux liquides 20 est située au sein du module de formation de faisceau 1 6 de manière à être traversée par le faisceau lumineux combiné (c'est-à-dire issu de la combinaison des faisceaux monochromatiques). Ainsi, le faisceau lumineux émis par le module de formation de faisceau 1 6 est ici polarisé avec une polarisation variable en fonction de la tension V appliquée à la cellule à cristaux liquides 20.
Le diffuseur 12 comporte une structure polarisante 22, qui impartit une polarisation linéaire ayant une direction donnée au faisceau lumineux qui traverse le diffuseur 12, et une structure de diffusion 24 qui provoque un étalement angulaire du faisceau lumineux (par exemple un étalement angulaire d'un angle a = 19 °).
Dans le mode de réalisation décrit ici, la structure polarisante 22 est placée sur la face arrière du diffuseur 12 (face balayée comme déjà indiqué par le faisceau lumineux polarisé émis par l'unité de balayage 14) et la structure de diffusion 24 est placée sur la face avant du polariseur 12 (face qui émet le faisceau lumineux formant image à afficher comme expliqué ci-dessus en référence à la figure 1 ). Un tel diffuseur 12 est donc du type à augmenter la taille de la pupille de sortie (ou EPE pour "Exit Pupil Expandei").
Le substrat 26 du diffuseur 12 est réalisé dans un matériau transparent
(ou translucide), par exemple en verre ou en polycarbonate. La structure polarisante 22 est par exemple réalisée au moyen d'une couche polarisante déposée sur le substrat 26, telle qu'un grillage métallique (ou "wire grid" selon l'appellation anglo-saxonne). La structure de diffusion 24 peut quant à elle être réalisée par une matrice de microlentilles.
On décrit à présent le fonctionnement du dispositif de formation d'image 10 qui vient d'être décrit.
Comme déjà indiqué, le faisceau lumineux (polychromatique) émis par le module de formation de faisceau 1 6 a une polarisation variable en fonction de la tension appliquée à la cellule à cristaux liquides 20.
Après réflexion sur le miroir mobile 18, le faisceau polarisé par la cellule à cristaux liquides 20 traverse le diffuseur, et donc notamment la structure polarisante 22. En fonction de la polarisation impartie par la cellule à cristaux liquides 20 (relativement à la polarisation linéaire fixe de la structure polarisante 22), le faisceau lumineux en sortie de la structure polarisante 22 sera plus ou moins atténué.
On peut ainsi facilement régler l'intensité du faisceau lumineux généré (au niveau du diffuseur 12) par le dispositif de formation d'image 10.
La disposition de la structure polarisante 22 au niveau du diffuseur 12 permet par ailleurs de limiter le vieillissement de cette structure puisque chaque point du diffuseur 12 n'est éclairé par le faisceau lumineux qu'une faible proportion du temps (du fait du balayage) et reçoit donc une intensité lumineuse moyenne relativement faible (en comparaison par exemple des éléments de l'unité de balayage 14).
Enfin, le faisceau lumineux émis par le module de formation de faisceau 18 et réfléchi par le miroir mobile 18 est collimaté (en particulier dans le cas de l'utilisation de sources laser) et la face arrière du diffuseur 12, qui reçoit ce faisceau collimaté, est particulièrement bien adaptée pour accueillir la structure polarisante 22 (qui traite plus efficacement un faisceau collimaté qu'un faisceau diffus).
On remarque à cet égard que l'angle d'incidence du faisceau lumineux (réfléchi par le miroir mobile 18) sur la face arrière du diffuseur 12 est variable en fonction du point considéré sur la face arrière du diffuseur 12, mais fixe pour un point donné de la face arrière du diffuseur 12. Il est donc envisageable de déposer en chaque point de la face arrière du diffuseur 12 (sur le substrat 26) une partie de structure polarisante 22 adaptée à l'angle d'incidence du faisceau lumineux en ce point.
La figure 3 représente une variante de réalisation du dispositif de formation d'image qui vient d'être décrit en référence à la figure 2.
Le dispositif de formation d'image 10' représenté en figure 3 comprend une unité de balayage 14' et un diffuseur 12' identiques à ceux de la figure 2 et qui ne seront donc pas décrits à nouveau. L'unité de balayage 14' comprend ainsi notamment un module de formation de faisceau 16' et un miroir mobile 18'.
Le dispositif de formation d'image 10' comprend en outre une lentille 13' interposée entre l'unité de balayage 14' et le diffuseur 12'.
La lentille 13' est disposée de sorte que son foyer soit situé au lieu de réflexion du faisceau généré par le module de formation de faisceau 1 6' sur le miroir mobile 18'. Dans l'exemple décrit, la lentille 13' est une lentille plan- convexe, ici une lentille de champ (ou lentille F-Theta). En variante, il pourrait s'agir d'une lentille de Fresnel.
Le faisceau d'orientation variable généré par l'unité de balayage 14' balaie donc une face d'entrée de la lentille 13' et est transmis en sortie avec une direction constante (correspondant à l'axe optique de la lentille) quel que soit le point concerné sur la face de sortie de la lentille 13'.
Le faisceau lumineux arrive ainsi sur la face arrière du diffuseur 12' (portant la structure polarisante 22') avec une incidence constante (par exemple une incidence normale à la face arrière du diffuseur 12'), quel que soit le point concerné sur cette face arrière.
Ceci permet d'utiliser une structure polarisante 22' uniforme sur l'ensemble de la face arrière du diffuseur 12' et d'obtenir un effet de polarisation constant (et par conséquent, en association avec la cellule à cristaux liquides 20', une atténuation constante) sur l'ensemble du diffuseur 12'.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif de formation d'image pour afficheur tête haute, comprenant : - un diffuseur (12 ; 12'),
- une unité de balayage (14 ; 14') conçue pour générer un faisceau lumineux balayant une face du diffuseur (12 ; 1 2'), et
- un élément (20 ; 20') conçu pour impartir une polarisation variable au faisceau lumineux ;
caractérisé en ce que le diffuseur (12 ; 12') comporte un élément polarisant (22 ; 22') filtrant la lumière traversant le diffuseur (12 ; 12').
2. Dispositif de formation d'image selon la revendication 1 , dans lequel l'élément polarisant (12 ; 12') est une structure polarisante disposée sur la face balayée.
3. Dispositif de formation d'image selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'élément polarisant (22 ; 22') est conçu pour impartir une polarisation linéaire fixe à la lumière traversant le diffuseur (12 ; 12').
4. Dispositif de formation d'image selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le diffuseur (12 ; 12') comprend une structure de diffusion (24) sur une face opposée à la face balayée.
5. Dispositif de formation d'image selon la revendication 4, dans lequel la structure de diffusion (24) comprend des microlentilles.
6. Dispositif de formation d'image selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'élément (20 ; 20') conçu pour impartir une polarisation variable est une cellule à cristaux liquides.
7. Dispositif de formation d'image selon la revendication 6, dans lequel un module de formation de faisceau (1 6 ; 1 6') comprend la cellule à cristaux liquides (20 ; 20') et au moins une source de lumière.
8. Dispositif de formation d'image selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel l'unité de balayage (14 ; 14') comprend un miroir mobile (18 ; 18').
9. Dispositif de formation d'image selon la revendication 8 prise dans la dépendance de la revendication 7, dans lequel le miroir mobile (18 ; 18') reçoit un faisceau lumineux généré par le module de formation de faisceau (1 6 ; 1 6').
10. Dispositif de formation d'image selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel une lentille (13') est interposée entre l'unité de balayage (14') et le diffuseur (12').
1 1 . Afficheur tête haute (2) comprenant un dispositif de formation d'image (10) selon l'une des revendications 1 à 10, un combineur (6) et un système optique de renvoi (4) disposé de manière renvoyer un faisceau lumineux généré par le dispositif de formation d'image (10) en direction du combineur (6).
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