CN109901295A - 光波导膜、抬头显示器及抬头显示系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及光波导膜、具有光波导膜的抬头显示器、彩色抬头显示器和抬头显示系统。所述光波导膜包括：贴合面，用于通过粘合剂与基材表面贴合；以及功能面，与贴合面相对，包括将光线耦合入光波导膜的耦合区以及用于将光线输出的出射区。基材可实现全反射，基材与光波导膜的功能面之间构成光波导。
Description
技术领域
本申请涉及光波导膜、具有光波导膜的抬头显示器、彩色抬头显示器、抬头显示系统、以及具有光波导膜的飞行器、车辆或船舶。
背景技术
抬头显示器是目前普遍应用在航空器上的辅助仪器，通过光学部件将信息投射到座舱正前方组合玻璃上的光/电显示装置上。飞行员透过组合玻璃观察舱外景物时，可以同时看到叠加在外景上的字符、图像等信息。投射焦距位于成像组合玻璃前方远处，飞行员几乎不用改变眼睛焦距，即可方便的随时察看飞行参数，非常有利于飞行工作。如今抬头显示系统快速发展，正向汽车领域渗透，当前已经应用在部分高端轿车上。
当前已经在汽车领域应用的HUD技术主要有风挡玻璃型和集成型。风挡玻璃型以宝马汽车(BMW)为代表，采用大功率液晶屏显示、投影光路，最后投影到具有楔形结构的风挡玻璃上，将信息投影到车前方2米左右，楔形玻璃的作用是使光线以布鲁斯特角入射，消除重影，该结构是当前应用效果最好的方案，优点是利用风挡玻璃组成光学系统，但是投影结构尺寸大、视场角小、功耗大、成本高，只能在高端车型上应用。集成型HUD系统独立于风挡玻璃，经过投影光路后，最终使用一块弧面半透半反玻璃(combiner)成像，优点是对安装车型没有特殊要求，但投影距离、视场角等问题依然存在，实际体验感一般，当前一些后装的HUD产品，也属于这一技术类型。
为解决汽车前挡风玻璃上抬头显示系统的重影问题，现有技术中已经存在若干方案。例如专利CN101038349(A)、US2002172804(A1)和US2007148472(A1)公开了其中的一种解决方案是采用楔形的聚合物膜片作为夹层玻璃的中间层，使得夹层玻璃上、下厚度呈楔形变化，从而使驾驶员看到的两个表面上的反射影像基本重合，最终大幅度地消除重影问题。与上述技术方案类似的是局部采用楔形厚度的玻璃基板，其在专利US6414796(B1)中公开。但这些技术方案存在如下缺点：1、未能彻底消除重影，不适合高清图像显示；2、需要采用特殊规格的PVB膜片，其价格是普通PVB膜片的7～10倍，且工艺难度高，使得材料和工艺成本很高；3、对车型的光学设计敏感，需针对具体车型的前挡风玻璃进行重新设计。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为飞行器、车辆或船舶提供一种简单的、便宜的显示手段而使其实现高性能的抬头显示功能。
为解决上述技术问题，根据本申请的一个方面，提供一种光波导膜，包括：贴合面，用于通过粘合剂与基材表面贴合；以及功能面，与贴合面相对，包括将光线耦合入光波导膜的耦合区以及用于将光线输出的出射区，其中基材可实现全反射，基材与光波导膜的功能面之间构成光波导。
根据本申请的实施例，基材可包括玻璃或树脂。
根据本申请的实施例，光波导膜还可包括在光路上位于耦合区和出射区之间的传递区。
根据本申请的实施例，耦合区和出射区可包括作为衍射光栅的纳米结构。或者，耦合区、传递区和出射区可包括作为衍射光栅的纳米结构。
根据本申请的实施例，耦合区和出射区的尺寸可根据投影系统的出瞳的尺寸决定。或者，耦合区、传递区和出射区的尺寸可根据投影系统的出瞳的尺寸决定。
根据本申请的实施例，光波导膜的材料可包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚碳酸酯(PC)薄膜。
根据本申请的实施例，纳米结构可为纳米光栅、倾斜纳米光栅或体全息光栅。
根据本申请的实施例，光栅的取向和周期由入射光线的波长、入射角、衍射光线的衍射角和衍射方位角决定。
根据本申请的另一个方面，提供一种抬头显示器，其包括贴合在风挡玻璃的室内侧上的光波导膜，光波导膜可为如上所述的光波导膜。
根据本申请的实施例，粘合剂可包括光学透明胶(OCA)。
根据本申请的实施例，波导的厚度大于5毫米。
根据本申请的另一个方面，提供一种彩色抬头显示器，其包括顺序贴合在风挡玻璃的室内侧上的三层光波导膜，三层光波导膜包括如上所述任何一项的分别传递红、绿、蓝三色的光波导膜。
根据本申请的实施例，粘合剂可包括光学透明胶(OCA)。
根据本申请的实施例，风挡玻璃的室外侧可分别与三层光波导膜的功能面之间构成波导。波导的每一个的厚度可大于5毫米。
根据本申请的另一个方面，提供一种抬头显示系统，其包括如上所述任何一项的抬头显示器或彩色抬头显示器以及与耦合区对应设置的投影光学系统。
根据本申请的实施例，投影光学系统可包括振幅型投影光学系统或位相型投影光学系统。
根据本申请的实施例，振幅型投影光学系统的光学调制器可包括液晶显示器、AMOLED显示器、数字光学处理器(DLP)或其它空间光调制器(SLM)。
根据本申请的实施例，位相型投影光学系统的光学显示器可包括位相型硅基液晶光阀(LCOS)。
根据本申请的实施例，出射区形成的观察范围可为100-200毫米。
本申请可实现如下技术效果：
根据本申请的光波导膜包括贴合面和功能面，贴合面可用于通过粘合剂与基材表面贴合。功能面与贴合面相对，包括将光线耦合入光波导膜的耦合区以及用于将光线输出的出射区。基材可实现全反射，基材与光波导膜的功能面之间构成光波导。在根据本申请的光波导膜应用于风挡玻璃上的情况下，就在风挡玻璃上形成抬头显示器，因此极大地简化了抬头显示器的结构。
来自投影装置的入射光从耦合区入射，经过衍射后，在出射区出射，从而可在预定的位置上得到清楚的虚像。
与现有技术的抬头显示器相比，根据本申请的光波导膜结构简单，使用方便，因此大大降低了成本。
在根据本申请的光波导膜应用于不同的领域时，可根据各应用领域的风挡玻璃的实际情况，采用相应的衍射光栅，因此应用上更加灵活。例如，对于飞行器、车辆和船舶等领域的应用，可有针对性地进行衍射光栅的参数调整。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是根据本申请实施例的光波导膜贴合在风挡玻璃时的示意图。
图2是根据本申请实施例的包括耦合区和出射区的光波导膜的示意图。
图3是根据本申请实施例的包括耦合区、传递区和出射区的光波导膜的示意图。
图4是示出根据本申请实施例的光波导膜的衍射光栅的示意图。
图5是示出入射光经过根据本申请实施例的光波导膜时被衍射的示意图。
图6是示出风挡玻璃、透明胶(OCA)和光波导膜位置关系的示意图。
图7是示出典型的振幅型投影系统结构的示意图。
图8是示出典型的位相型投影系统结构的示意图。
图9是示出用于彩色显示的三层光波导膜与风挡玻璃贴合的示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。附图中各层膜层的厚度和形状不反映真实比例，目的只是示意说明本申请内容。
现在，结合附图描述本发明的实施例。
图1是根据本申请实施例的光波导膜贴合在风挡玻璃时的示意图。
如图1所示，本申请提供一种用于在风挡玻璃100前方显示图像的光波导膜200。
风挡玻璃是指有人驾驶运动体上用于驾驶人员对外瞭望的窗口的玻璃。有人驾驶运动体例如可包括车辆(例如，轿车、卡车、客车、吊车、工程车等)、飞行器(例如，飞机、航天器等)、船舶(例如，游轮、货轮等)。显然，风挡玻璃100包括室内侧110和室外侧120。
光波导膜200包括贴合面210和功能面220。贴合面210用于通过粘合剂300(图1中未示出，可见图6)与基材表面贴合。风挡玻璃100的室内侧表面110贴合，功能面220与贴合面210相对。
图2是根据本申请实施例的包括耦合区和出射区的光波导膜的示意图。
如图1和2所示，光波导膜200的功能面220可包括将光耦合入光波导膜的耦合区221以及用于将光线输出的出射区222。基材可实现全反射，基材与光波导膜的功能面220之间构成光波导。
当根据本申请的光波导膜200应用于风挡玻璃上的抬头显示器时，所述基材可为风挡玻璃100。在下文，为了方便起见，以风挡玻璃替代基材为例进行描述，但本申请不限于此，而是光波导膜和基材一起可应用于各种应用中。
耦合区221和出射区222可包括作为衍射光栅的纳米结构。耦合区221和出射区222的纳米结构具有亚波长特征，其衍射光栅满足如下方程(1)和方程(2)：
(1)tanφ1＝sinφ/(cosφ-nsinθ(Λ/λ))
(2)sin2(θ1)＝(λ/Λ)2+(n sinθ)2-2nsinθcosφ(λ/Λ)
其中，
θ1是离开衍射光栅的光线的衍射角(衍射光线与z轴正方向的夹角，参见图4和5)；
φ1是光的方位角(衍射光线与x轴正方向的夹角，参见图4和5)；
θ是光线在衍射光栅上的入射角(入射光线与z轴正方向的夹角，参见图4和5)；
λ是光的波长；
Λ是衍射光栅的周期；
φ是衍射光栅的取向角(槽型方向与y轴正方向的夹角，参见图4和5)；
n是光线在介质中的折射率。
风挡玻璃100的室外侧表面120与光波导膜200的功能面220之间构成光波导。
在给定入射光线的波长、入射角、以及衍射光线的衍射角和衍射方位角的情况下，通过上述方程(1)和方程(2)可计算出所需的纳米光栅的周期和取向角。例如，650nm波长的红光以60度角入射，光的衍射角为10度，衍射方位角为45度，通过计算，对应的纳米衍射光栅周期为550nm，取向角为5.96度。
图3是根据本申请实施例的包括耦合区、传递区和出射区的光波导膜的示意图。
如图3所示，除了耦合区221和出射区222外，光波导膜200还可包括传递区223。光波导膜200的传递区223可设置在耦合区221和出射区222之间的光路上。
耦合区221是用于接收来自投影光学系统的光线的入口。出射区222是输出光线的输出端。在将光波导膜200贴合在风挡玻璃上的情况下，风挡玻璃成为光波导的一部分，将虚像成像在风挡玻璃室外侧的前方。
出射区222构成出射范围(出瞳)。再者，出射区222与传递区223一起构成出射范围(出瞳)扩大区，以扩散出瞳的范围。出瞳范围是指驾驶人员的头部摆动可观察虚像的区域。在具体应用中，由耦合区和出射区组成或者由耦合区、出射区和传递区组成的功能区域可根据投影入射耦合位置、出瞳参数等相关的需求来设计。
耦合区221和出射区222的尺寸可根据光学系统的出瞳尺寸决定。或者，耦合区221、传递区和出射区222的尺寸可根据光学系统的出瞳尺寸决定。
光波导膜200的材料可包括例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、光学聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或光学聚碳酸酯(PC)薄膜。
图4是示出根据本申请实施例的光波导膜的衍射光栅的示意图，而图5是示出入射光经过根据本申请实施例的光波导膜时被衍射的示意图。图4和图5分别是结构尺度在纳米级别的衍射光栅在XY平面和XZ平面下的结构图。
如图4和5所示，纳米结构101可通过例如纳米压印技术制作在光波导膜200的功能面220上。
纳米结构101可为纳米光栅、倾斜纳米光栅或体全息光栅。纳米结构101可通过纳米光刻形成且具有不同形貌。
根据本申请实施例的光波导膜200采用基于衍射效应的纳米结构构筑新光场。
具体而言，如图5所示，箭头201和202表示衍射光的传播形态，在经过预定的每个纳米结构单元时，单一纳米结构与光相互作用，光被纳米结构单元衍射，改变其相位，从而出射的光信号可在风挡玻璃室外侧的前方形成清晰的虚像。
下面以根据本申请实施例的光波导膜在汽车的风挡玻璃上的应用为例，描述根据本申请实施例的抬头显示器、彩色抬头显示器、抬头显示系统。但是根据本申请实施例的光波导膜的应用不限于此，而是可应用于任何有人驾驶运动体上，例如，车辆、飞行器和船舶等，如前所述。
图6是示出风挡玻璃、透明胶(OCA)和光波导膜位置关系的示意图。
如图6所示，根据本申请的实施例所提供的抬头显示器包括贴合在风挡玻璃100的室内侧110上的光波导膜，光波导膜可包括如上的光波导膜200。
在风挡玻璃100的室内侧110和光波导膜200的贴合面210之间可包括粘合剂300，粘合剂可包括光学透明胶(OCA)。
风挡玻璃100、粘合剂300和光波导膜200构成用于光线传播的光波导。也就是，风挡玻璃100的室外侧120与光波导膜200的功能面220之间构成波导。光线在光波导中传播的过程中，光线与光波导膜200中的纳米结构相互作用，使光线被纳米结构单元衍射而改变相位，从而出射区出射的光线在驾驶人员眼睛中成像，该成像使其感觉到在风挡玻璃室外侧的前方形成清晰的虚像。
根据本申请的实施例，波导的厚度可大于5毫米。
图9是示出用于彩色显示的三层光波导膜与风挡玻璃贴合的示意图。
如图9所示，为了彩色显示的目的，本申请还提供一种彩色抬头显示器，其包括顺序贴合在风挡玻璃100的室内侧上的三层光波导膜200，三层光波导膜200可包括如上的分别传递不同颜色光的光波导膜200。三层光波导膜200可分别为红光波导膜、绿光波导膜和蓝光波导膜，但本申请不限于此。为了光学成像的其它目的，根据本申请实施例的彩色抬头显示器还可包括三层光波导膜200之外的其它光波导膜，而不脱离本申请的教导。
根据本申请的实施例，风挡玻璃100的室内侧110和光波导膜200之间以及三层光波导膜200之间可包括粘合剂，粘合剂可包括光学透明胶(OCA)。
根据本申请的实施例，风挡玻璃100的室外侧120可分别与三层光波导膜200的功能面220之间构成波导。
根据本申请的实施例，波导的每一个的厚度可大于5毫米。
图7是示出典型的振幅型投影系统结构的示意图，而图8是示出典型的位相型投影系统结构的示意图。
如图7和8所示，本申请还提供一种抬头显示系统，其包括如前的抬头显示器或彩色抬头显示器以及与耦合区221对应设置的投影光学系统。
例如，投影光学系统可包括如图7所示的振幅型投影光学系统400或如图8所示的位相型投影光学系统500。
如图7所示，典型地，振幅型投影光学系统400可包括光源410、照明耦合器件420、振幅型空间光调制器(SLM)430和投影镜头440。光从光源410投射到照明耦合器件420，从照明耦合器件420折射到振幅型空间光调制器(SLM)430，经过振幅型空间光调制器(SLM)430调制后反射到投影镜头440，以出射到光波导膜200的耦合区221。
在空间光调制器430为自发光类型(例如AMOLED)的情况下，光源410和照明耦合器件420可省略。
根据本申请的实施例，振幅型投影光学系统的光学调制器可包括液晶显示器、AMOLED显示器、数字光学处理器(DLP)或其它空间光调制器(SLM)。
如图8所示，位相型投影光学系统500可包括入射光源510、相位型空间光调制器(SLM)520和傅里叶变换物镜530。光从入射光源510投射到相位型空间光调制器(SLM)520，经过相位型空间光调制器(SLM)520调制后反射到傅里叶变换物镜530，以出射到光波导膜200的耦合区221。
根据本申请的实施例，位相型投影光学系统500的光学显示器可包括位相型硅基液晶光阀(LCOS)。
根据本申请的实施例，出射区222形成的观察范围(eyebox)可包括100-200毫米。
本申请可实现如下技术效果：
根据本申请的光波导膜包括贴合面和功能面，贴合面可用于通过粘合剂与基材表面贴合。功能面与贴合面相对，包括将光线耦合入光波导膜的耦合区以及用于将光线输出的出射区。基材可实现全反射，基材与光波导膜的功能面之间构成光波导。在根据本申请的光波导膜应用于风挡玻璃上的情况下，就在风挡玻璃上形成抬头显示器，因此极大地简化了抬头显示器的结构。
来自投影装置的入射光从耦合区入射，经过衍射后，在出射区出射，从而可在预定的位置上得到清楚的虚像。
与现有技术的抬头显示器相比，根据本申请的光波导膜结构简单，使用方便，因此大大降低了成本。
在根据本申请的光波导膜应用于不同的领域时，可根据各应用领域的风挡玻璃的实际情况，采用相应的衍射光栅，因此应用上更加灵活。例如，对于飞行器、车辆和船舶等领域的应用，可有针对性地进行衍射光栅的参数调整。
以上实施方式仅用于说明本申请，而并非对本申请的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本申请的范畴，本申请的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (22)
1.一种光波导膜，包括：
贴合面，用于通过粘合剂与基材表面贴合；以及
功能面，与所述贴合面相对，包括将光线耦合入光波导膜的耦合区以及用于将所述光线输出的出射区，
其中所述基材可实现全反射，所述基材与所述光波导膜的功能面之间构成光波导。
2.如权利要求1所述的光波导膜，其中所述基材包括玻璃或树脂。
3.如权利要求1所述的光波导膜，还包括在光路上位于所述耦合区和所述出射区之间的传递区。
4.如权利要求1所述的光波导膜，其中所述耦合区和所述出射区包括作为衍射光栅的纳米结构。
5.如权利要求1所述的光波导膜，其中所述耦合区和所述出射区的尺寸根据投影系统的出瞳的尺寸决定。
6.如权利要求3所述的光波导膜，其中所述耦合区、所述传递区和所述出射区包括作为衍射光栅的纳米结构。
7.如权利要求3所述的光波导膜，其中所述耦合区、所述传递区和所述出射区的尺寸根据投影系统的出瞳的尺寸决定。
8.如权利要求1所述的光波导膜，其中所述光波导膜的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚碳酸酯(PC)薄膜。
9.如权利要求1或6所述的光波导膜，其中所述纳米结构是纳米光栅、倾斜纳米光栅或体全息光栅。
10.如权利要求9所述的光波导膜，其中所述光栅的取向和周期由入射光线的波长、入射角、衍射光线的衍射角和衍射方位角决定。
11.一种抬头显示器，包括贴合在风挡玻璃的室内侧上的光波导膜，所述光波导膜为如权利要求1至10任何一项所述的光波导膜。
12.如权利要求11所述的抬头显示器，其中所述粘合剂包括光学透明胶(OCA)。
13.如权利要求11所述的抬头显示器，其中所述波导的厚度大于5毫米。
14.一种彩色抬头显示器，包括顺序贴合在风挡玻璃的室内侧上的三层光波导膜，所述三层光波导膜包括如权利要求1至10任何一项所述的分别传递红、绿、蓝三色的光波导膜。
15.如权利要求14所述的彩色抬头显示器，其中所述粘合剂包括光学透明胶(OCA)。
16.如权利要求14所述的彩色抬头显示器，其中所述风挡玻璃的室外侧分别与所述三层光波导膜的功能面之间构成波导。
17.如权利要求14所述的彩色抬头显示器，其中所述波导的每一个的厚度大于5毫米。
18.一种抬头显示系统，包括如权利要求11至13任何一项所述的抬头显示器或如权利要求14至17任何一项所述的彩色抬头显示器以及与所述耦合区对应设置的投影光学系统。
19.如权利要求18所述的抬头显示系统，其中所述投影光学系统包括振幅型投影光学系统或位相型投影光学系统。
20.如权利要求18所述的抬头显示系统，其中所述振幅型投影光学系统的光学调制器包括液晶显示器、AMOLED显示器、数字光学处理器(DLP)或其它空间光调制器(SLM)。
21.如权利要求18所述的抬头显示系统，其中所述位相型投影光学系统的光学显示器包括位相型硅基液晶光阀(LCOS)。
22.如权利要求18所述的抬头显示系统，其中所述出射区形成的观察范围为100-200毫米。
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