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CN108351521A - 紧凑的平视显示器 - Google Patents

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CN108351521A CN201680053249.6A CN201680053249A CN108351521A CN 108351521 A CN108351521 A CN 108351521A CN 201680053249 A CN201680053249 A CN 201680053249A CN 108351521 A CN108351521 A CN 108351521A
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M.伊尔齐克
P.梅尔米罗德
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Abstract

本发明涉及一种紧凑的平视显示器(1)，特别用于机动车辆，显示器包括：用于在显示表面(2)上显示图像(7)的图像生成器(9)；半反射光学元件(3)，典型地为挡风玻璃，与图像生成器(9)相距一距离地布置，以便在光学元件(3)的第一侧上形成来自图像生成器(9)的图像(7)的虚拟图像(4)，所述虚拟图像(4)从位于光学元件(3)的第二侧上的观察窗(5)可见。紧凑的平视显示器(1)包括光学部件(10)，典型地为五棱镜，用于延长穿过该光学部件而从图像生成器(9)到光学元件(3)的图像(7)的光路，所述光学部件(10)包括图像输入面(14)和图像输出面(17)以及第一反射表面(15)和第二反射表面(16)。第一反射表面(15)将来自输入表面(14)的图像朝向第二反射表面(16)反射，并且第二反射表面(16)将来自第一反射表面(15)的图像(7)朝向输出表面(17)反射，输入表面(14)还与图像生成器(9)的显示表面(2)基本上接触。图像生成器(9)和光学部件(10)一起移动。

Description

紧凑的平视显示器
技术领域
本发明涉及一种紧凑的平视显示器，特别是用于机动车辆的紧凑的平视显示器。
背景技术
平视显示器的功能一般而言是例如在航空器飞行员的视野中叠放信息以辅助驾驶、导航或实现任务。因此，飞行员能够在阅读由他/她的机载仪器提供的信息的同时观察他/她的环境。今天，这些显示器也被用在汽车领域。
这样的设备包括图像生成器和配置为形成生成器的图像的虚拟图像的半反射光学元件。虚拟图像叠放在驾驶员或飞行员的视野中的环境上。也可以使用车辆的挡风玻璃作为形成虚拟图像的半反射光学元件。这种设备的技术特征尤其涉及光学元件相对于道路和相对于驾驶员的位置以及图像在光学元件上的入射角度，以便显着地避免失真的问题。
汽车工业中已知的图像生成器包括一个或多个光源和接收来自光源的光束的像素化矩阵。矩阵透射或反射印制借助于像素形成的图像的光束。每个像素被单独控制，并且可以具有被称为“打开”的位置或者被称为“关闭”的位置，在打开位置中入射光参与图像，在关闭位置中入射光不参与显示的图像。因此，依赖于打开像素组成图像。激光扫描也可以用作形成图像的手段。
存在各种类型的矩阵，特别是TFT(“薄膜晶体管”)类型的晶体管的矩阵，其以光透射模式操作，换句话说，来自光源的光束穿过布置在光源和光学元件之间的矩阵。LCOS(“硅上液晶”)类型的矩阵和DMD(“数字微镜器件”)类型的微镜的矩阵也是已知的，其通过将光束朝向光学元件反射来操作。
观察者通过光学元件看到虚拟图像，虚拟图像出现在光学元件的一侧，而观察者位于光学元件的另一侧。另外，观察者的眼睛必须位于观察窗内，通常被称为“眼框”。观察窗的位置由虚拟图像相对于光学元件的位置定义。因此，在该观看窗之外，不能看到虚拟图像。
为了简化，一般而言，显示器以如下方式布置在车辆内：图像生成器设置在仪表板内，具有将图像朝向半反射光学元件反射的反射镜。光学元件以这样的方式布置在靠近挡风玻璃的仪表板上，以使得其在驾驶员的视野内。
然而，图像生成器必须设置在离光学元件的最小距离处以使虚拟图像足够大，一方面，矩阵的大小是有限的，另一方面，虚拟图像必须出现在距驾驶员约两米处。图像直到光学元件的光路因此具有最小的长度。显示器的这种布置因此在仪表板的厚度内占据相当大的空间。
发明内容
因此，本发明旨在获得紧凑的平视显示器，其保持具有足够长度的图像的光路，并且不需要图像生成器的放大或光学元件的修改。
为此，本发明涉及一种平视显示器，特别是用于机动车辆的平视显示器，该平视显示器包括：配置为在显示表面上显示图像的图像生成器；半反射光学元件，与图像生成器相距一距离地布置，并且配置为在光学元件的第一侧上形成图像生成器的图像的虚拟图像，虚拟图像从位于光学元件的第二侧上的眼框可见。
显示器的显著之处在于其包括光学部件，该光学部件配置为延长穿过该光学部件而从图像生成器到光学元件的图像的光路，光学部件包括用于图像的至少一个入射面和一个出射面、以及第一反射面和第二反射面，第一反射面配置为将来自入射面的图像朝向第二反射面反射，并且第二反射面配置为将来自第一反射面的图像朝向出射面反射，入射面还与图像生成器的显示表面基本上接触。
因此，借助于光学部件，图像生成器和半反射光学元件之间的图像的光路通过穿过该光学部件而被延长。反射面反射图像，使得光学元件内部的光路相对于通过光学元件的直接通路增加一倍以上。
因此，本发明允许获得更紧凑的显示器，因为图像生成器和半反射光学元件之间的距离更短，该缩短通过允许显示器保存光路所需长度的光学部件来补偿。
此外，取决于光学元件及其入射面及其出射面的布置，光路可以在出口处相对于其在入射到光学部件中的取向而被不同地取向。因此，图像生成器不一定必须放置在半反射光学元件的轴线上。
根据本发明的可以一起或分开采用的各种实施例：
-面以下列方式在光学部件的周边上侧向排列：第一反射面，入射面，出射面和第二反射面，
-图像生成器和光学部件一起移动，
-图像生成器和光学部件通过光学粘合剂而被组装，
-光学部件是包括附加侧面的五棱镜，
-附加面位于第一和第二反射面之间，
-显示器包括机械器件，机械器件被配置为移动光学部件以垂直地调节观察窗，
-机械器件配置为移动光学部件以便横向地调节观察窗，
-出射面形成用于关闭显示器的窗口，
-出射面具有凸形或凹形的形状，
-光学元件是半反射板，
-光学元件是车辆挡风玻璃的一部分，
-图像生成器包括被设计为发射光束的至少一个光源以及配置为使用光束形成虚拟图像的像素化矩阵，
-像素化矩阵是薄膜晶体管的矩阵，
-像素化矩阵是微镜的矩阵，
-显示器包括至少一个反射镜，所述至少一个反射镜布置为将从光学部件出射的图像生成器的图像朝向光学元件反射。
附图说明
参考以下附图，通过仅以示例的方式给出并且不意于限制本发明的描述，将更好地理解本发明，附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的显示器的一个实施例；
图2示意性地示出了具有所示图像的光路的五棱镜的横截面图；
图3示意性地示出了具有弯曲的出射面的五棱镜的横截面图。
具体实施方式
图1示出了例如用于机动车辆的平视显示器1的操作。显示器1包括图像生成器9，其配置为在显示表面2上显示图像7，如在图2中更详细地看到的。图像生成器9例如包括被设计为发射光束的至少一个光源11以及配置为使用光束形成图像7的像素化矩阵12。光源11例如是设置在生成器的一部分中的发光二极管。生成器在其出射面上包括例如TFT型的像素化矩阵12。因此，二极管朝向矩阵12发射光束，该矩阵12在图像生成器9的显示表面2上以透射模式形成图像7。图像生成器9例如配置为形成大致矩形的图像。
在图1中，显示器1还包括半反射光学元件3，半反射光学元件3与图像生成器相距一距离地布置，并配置为使得显示表面2的图像7的虚拟图像4出现在光学元件3的第一侧上。如果观察者6在虚拟图像4被放置在光学元件3的另一侧上的同时看着光学元件3，则虚拟图像4对于他/她是可见的。如从图1中可以看到的，图像7通过光学元件3的表面的一部分8在观察者6的方向上被反射。图像7的路径由箭头19、20表示。光学元件3由此形成图像7的虚拟图像4，其在距光学元件3一距离处出现在第一侧上。
观察者6必须位于光学元件3的第二侧，并且如果他/她的眼睛在位于光学元件3的第二侧上的观察窗5(也称为术语“眼框”)的内部，则他/她可以看到虚拟图像4。观察窗5的尺寸由反射图像7的、光学元件3的表面的部分8的尺寸和形状限定。
光学元件3因此允许观察者6既看到虚拟图像4又通过光学元件3观看。对于位于光学元件3的第二侧上的观察者，虚拟图像4在他/她的视野内叠放在通过光学元件3看到的环境上。这里，光学元件3是半反射板。
在车辆中使用的并且在图中未示出的显示器的另一个实施例中，挡风玻璃的一部分被用作半反射光学元件。为此，显示器的其余部分以能够将挡风玻璃用作半反射光学元件的方式布置在仪表板内。在这种情况下，反射镜可以布置在图像的光路中，以便将图像朝向挡风玻璃的部分反射。
在图中未示出的一个变型中，光学元件具有赋予其光功率的曲线，以便使虚拟图像出现在离光学元件一距离处，并因此被适当地叠放在出现在观察者的视野中的环境上。光功率是确定光学系统使光聚焦或发散的能力的物理特性。它等于眼睛在系统出口处看到图像的角度与对象的大小之间的比率。因此，光功率允许调节虚拟图像的大小。
根据本发明，显示器1包括光学部件10，光学部件10配置为延长穿过该光学部件10而从图像生成器9到光学元件3的图像7的光路。这里，光学部件10是五棱镜。五棱镜包括包含在两个平行端面之间的五个侧面。在附图中，以横截面图示出了五棱镜10，横截面平行于端面，使得其侧面14至18由段表示。正交坐标系(O，x，y，z)示出端面，横截面在平面内(yOz)中，侧面沿Ox方向延伸。
如图2所示，五棱镜10包括用于图像7的入射面14和出射面17，以及第一反射面15和第二反射面16。五棱镜的入射面14与图像生成器9的显示表面2基本上接触，以避免光学损失。五棱镜10的侧面在其周边上以如下方式排列：第二反射面16，入射面14，出射面17和第一反射面15。换句话说，它们是按照这个顺序相邻的。五棱镜具有设置在第一反射面15和第二反射面16之间的附加面18。
五棱镜10的形状、特别是侧面相对于彼此的取向进一步被优化，以最小化五棱镜占据的空间。
显示器的图像7通过入射面14被第一反射面15朝向第二反射面16反射。五棱镜10内的图像7的路径由表示图像的两端的箭头19和20示出。第二反射面16随后将由第一反射面15反射的图像7朝向出射面17反射。
为了调节观察窗5的位置，显示器1包括配置为移动五棱镜10的机械器件13。如箭头21所示，机械器件13例如通过使五棱镜10围绕至少一个轴线旋转而作用在五棱镜10上。棱镜的移动改变由半反射板3接收到的图像的出射方向，并且改变在观察者6的方向上反射图像7的表面的部分8。因此，如果机械器件13允许五棱镜10在两个方向上移动，则可以例如垂直地(沿着轴线Oz)调节观察窗5，而且也可以横向地(沿着轴线Ox)调节观察窗5。
此外，图像生成器9和五棱镜一起移动，使得图像生成器9的图像7总是相对于五棱镜10的入射面14正确地取向，并且使得移动不会损害图像传输的质量。图像生成器9例如通过具有合适的折射率的光学粘合剂固定到五棱镜10，并且光学粘合剂还允许限制虚假反射。
在图3所示的一个实施例中，五棱镜的出射面17形成用于关闭显示器的窗口。关闭窗口特别用于保护显示器的某些元件不受外部影响。因此，当根据本发明的显示器布置在车辆中时，图像生成器9和五棱镜10被插入到仪表板的内部。仪表盘有孔，使得通过五棱镜10传递的图像到达半反射板。在已知的设备中，特定的关闭窗口关闭该孔。在该实施例中，五棱镜通过其出射面17直接关闭该孔。
为了满足关闭窗口所需的机械约束，出射面17具有凸形或凹形，如图3所示。事实上，关闭窗口需要显着的机械强度。另外，如果需要的话，这些曲率还可以具有用于图像的光学校正功能。

Claims (13)

1.一种紧凑的平视显示器(1)，特别是用于机动车辆的紧凑的平视显示器，包括：
图像生成器(9)，其被配置为在显示表面(2)上显示图像(7)，
半反射光学元件(3)，其与图像生成器(9)相距一距离地布置，并且被配置为在光学元件(3)的第一侧上形成图像生成器(9)的图像(7)的虚拟图像(4)，虚拟图像(4)从位于光学元件(3)的第二侧上的观察窗(5)可见，
其特征在于，所述显示器(1)包括光学部件(10)，所述光学部件(10)被配置为延长穿过所述光学部件(10)而从图像生成器(9)到光学元件(3)的图像(7)的光路，光学部件(10)包括用于图像的至少一个入射面(14)和一个出射面(17)、以及第一反射面(15)和第二反射面(16)，第一反射面(15)被配置为将来自入射面(14)的图像朝向第二反射面(16)反射，并且第二反射面(16)被配置为将来自第一反射面(15)的图像(7)朝向出射面(17)反射，入射面(14)还与图像生成器(9)的显示表面(2)基本上接触。
2.根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，所述光学部件(10)被配置为使得面以下列方式在光学元件的周边上侧向排列：第二反射面(16)，入射面(14)，出射面(17)和第一反射面(15)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的显示器，其特征在于，图像生成器(9)和光学部件(10)一起移动。
4.根据权利要求3所述的显示器，其特征在于，图像生成器(9)和光学部件(10)通过光学粘合剂而被组装。
5.根据前述权利要求中任一项所述的显示器，其特征在于，光学部件(10)是包括附加侧向面(18)的五棱镜。
6.根据权利要求5所述的显示器，其特征在于，附加面(18)设置在第一反射面(15)和第二反射面(16)之间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的显示器，其特征在于，所述显示器包括机械器件(13)，所述机械器件(13)被配置为移动光学部件(10)以便垂直地调节观察窗(5)。
8.根据权利要求7所述的显示器，其特征在于，机械器件(13)被配置为移动光学部件(10)以便横向地调节观察窗(5)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的显示器，其特征在于，出射面(17)形成用于关闭显示器(1)的窗口。
10.根据权利要求9所述的显示器，其特征在于，出射面(17)具有凸形形状。
11.根据权利要求9所述的显示器，其特征在于，出射面(17)具有凹形形状。
12.根据前述权利要求中任一项所述的显示器，其特征在于，光学元件(3)是半反射板。
13.根据前述权利要求中任一项所述的显示器，其特征在于，图像生成器(9)包括被设计为发射光束的至少一个光源(11)以及被配置为使用光束形成虚拟图像(4)的像素化矩阵(12)。
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