CN101876753A

CN101876753A - 平视显示器的混合照明系统

Info

Publication number: CN101876753A
Application number: CN 201010201532
Authority: CN
Inventors: 霍露明
Original assignee: Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI
Current assignee: Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI
Priority date: 2010-06-03
Filing date: 2010-06-03
Publication date: 2010-11-03
Anticipated expiration: 2030-06-03
Also published as: CN101876753B

Abstract

本发明披露了一个包括混合照明系统的平视显示器。混光单元提供一个充分均质的光源给反射显示器单元。集光光学单元收集环境光，并将其导向混光单元。同时，电驱动光源发出的光也被导向混光单元。一个或多个光学元件将环境光和光源光导向混光单元以便均匀化。聚光单元接收均匀混合光并输出聚合光到一个偏振分光器。利用一个电信号源的信息，反射显示器调制来自偏振分光器的光并传递回偏振分光器。偏振光透过投影镜头单元建立一个图像在挡风玻璃上。

Description

平视显示器的混合照明系统

【技术领域】

本发明通常涉及平视显示器(head-up display)，特别涉及平视显示器的照明系统。

【背景技术】

平视显示器(HUD)是将图像投影在一个可见表面上的系统，该可见表面所在的位置允许观察者始终保持一个姿势，显示器或仪表板的高度大致与观察者的眼睛成水平，让观察者始终保持平视的姿态，而不需要低头观看。平视显示器可用于各种环境如机动车辆、航空器、头盔和其它观察者不能分散其注视的重要情况。

尽管平视显示器适用于这种环境，但有时在明亮环境光条件下辨别图像会很困难。因此，需要能够在高环境光条件下容易观看的显示器。在这之前，在收集平视显示器的环境光方面已经有许多努力。WO 95/13557是这种平视显示器的一个例子，其在显示器里使用一个环境光光源，其投影图象在挡风玻璃上。同样，在美国专利4,997,263和美国专利7,430,349里，也是聚合环境光和另一个光源。尽管都是使用环境光和另一个光源，前者有较低的环境光收集效率，而后者涉及复杂的收集光纤。此外，这两个专利聚合这两个光源，却都没有提供一个均匀光源用于显示。

因此，需要改进平视显示器的光源，使得其既能够提供足够显示亮度又能提供一个均匀光源用于显示，以便能够允许在高环境光条件下清楚地观看。

【发明概述】

本发明是一个平视显示器(HUD)，其利用来自外界的环境光和来自电光源的可视光用于照明被投影的图像。其包括集光单元、第一光束成形光学单元、第二光束成形光学单元、混光单元、聚光单元、偏振分束器(PBS)、反射显示器单元、投影单元、散光膜和一个光源。根据各个组件的位置，可以选择性地使用反射镜来改变光路经。此外，其还可以包括一个亮度增强器和一个预偏器(pre-polarizer)。

集光单元从外界收集环境光，并将其重新导向至集光单元的轴，使得其落在一个预定锥角(cone angle)内。在本发明第一实施例里，其中集光单元的轴和第一光束成形光学器件的轴平衡且重合，由集光单元整合的光被直接导入到第一光束成形光学单元内。在本发明第二实施例里，其中集光单元的轴和第一光束成形光学器件的轴不是平衡的，由集光单元整合的光通过一个反射单元被导入到光束成形光学单元内。第一光束成形光学单元的功能是准直收集的环境光，并通过一个反射镜将其导向混光单元。

来自光源的可视光穿过光束成形光学单元用于准直。随后，光束成形光学单元的准直光通过一个反射镜被导向混光单元。

混光单元混合并均匀化混光单元内的所有光，并控制将被投影到反射显示器单元上的混光的散射角，使得反射显示器单元接收到均匀照明。接着，从混光单元出来的混合光被导入到聚光单元，然后其将光导向PBS。

若包含一个预偏器，其安装的最佳位置应在聚光单元和PBS之间。预偏器的朝向会使得仅有PBS阻止偏振态的光被透过。因此，来自预偏器的透射光将在PBS上被反射到反射显示器单元。在PBS，具有特别偏振的光被完全反射，而正交偏振的光被透过。然后，被反射离开PBS的光到达反射显示器单元。反射显示器单元，在运行使用期间其有一个视频信号作为其输入，通过偏振旋转来调制入射光。反射光包括了PBS阻止偏振态和PBS通过偏振态的光。仅有PBS通过偏振态的光，如图像光，才会通过PBS被传输到投影镜头单元，结果，投影镜头单元从视频信号投影一个图像到扩散膜上，其然后形成一个真实图像并被反射到挡风玻璃上而进入观察者视野。

【附图说明】

图1描述本发明一个实施例的一个合并环境光的平视显示器。

图2描述本发明一个实施例的一个合并环境光的平视显示器的外部示意图。

图3描述本发明的一个平视显示器实施例内的光学器件示意图。

图4描述图2平视显示器的内部构造。

图5是本发明另一个实施例的一个合并环境光的平视显示器的外部示意图。

图6描述图5平视显示器的内部构造。

【发明详述】

附图中，在每个示意图里相同号码表示相同或类似的特征。图1描述本发明一个实施例的一个平视显示器10的示意图。如图1所示，本发明收集环境光以用来增强平视显示器里的显示亮度。环境光与一个电驱动光源如发光二极管(LED)或激光二极管的可视光聚合在一起，用来形成一幅具有增强亮度级的图像。

当本发明用于图1所述的车辆时，一个由平视显示器(HUD)单元10形成的图像20将被投影到扩散膜220上，并被反射到挡风玻璃30上，然后其让驾驶者看到。可选择地，HUD单元可以安装在仪表板的顶部，因为这样能够对驾驶者前端的视野构成最小的障碍。另外，HUD单元也可以安置在车辆的其它合适位置，如部分地或全部地安装在仪表板上，车厢顶部等。

如图2所示的HUD单元10的外部示意图。环境光通过窗口40进入单元10，投影光学器件的出口在投影仪窗口50。由于HUD单元10的紧凑设计，在车辆上的售后安装可以非常简容地完成。这种情况下，HUD 10可以形成部分导航/GPS系统，其可以简容地安装在任何车辆上。

用于本发明一个实施例的光学器件示意图在图3内描述。如图3所示，环境光和来自光源如一个或多个LED/激光的光，被聚合以形成一个单一的均匀光源用于HUD内。环境光100进入集光光学单元110，然后可选择地，由镜120反射，再由第一光束成形光学单元130进行整形。集光光学单元110收集环境光，并重新引导它使其落在一个指定的锥角内。集光光学单元110可以从各种光学装置中选择，如光导、非球面透镜、和菲涅耳透镜。但是，该列表并不是限制性的，任何能够有效地收集并传递环境光到HUD的光学装置都可以补充用于本发明。

光束成形光学单元130可以包括一组共轭透镜(conjugated lenses)或TIR透镜。光束成形光学单元130的目的是在光被导向混光装置之前准直聚集的环境光。

另一个光源140用于发射光，以便与集光光学单元110收集的环境光聚合。光源140可以是一个单色LED、多色LED、激光、白炽灯、卤素灯、弧光灯、或任何其它足够照明液晶元件的发光器、或以上发光器的任何组合。

接着，光源140的光进入第二光束成形光学单元150。当使用一个可选的反馈控制系统时，光源的光强度是可以根据收集的环境光强度而进行调整的。第二光束成形光学单元的目的是在将光导向混光单元170之前准直光源的光。

反射镜160的安置和朝向会使得光源140的光和收集的环境光被导向混光单元170。反射镜160可以包括平面镜、曲面镜、直角棱镜、或多个以上透镜和/或多个以上透镜组合。反射镜160可以是单个单元或作为两个或多个独立单元。反射镜也可以由直角棱镜或其它光学器件代替，只要其能够改变光的方向。

对液晶元件而言，入射光的均匀度是非常重要的，混光单元170可以从各种装置中选择，只要其能够混合光源140的光和环境光，并输出一个充分均匀的光束。这类装置包括但不限于积分光棒(integrating rod)或宏焦距集光器(macrofocal concentrator)。宏焦距集光器的例子包括复合抛物面聚光器(CPC)、复合椭球面聚光器(CEC)和复合双曲面聚光器(CHC)。但是，任何能够均匀混合这两个光源并提供一个均匀输出的光学元件都可以补充作为本发明的混光单元170。为了进一步增强环境光和光源140的光的均匀化，利用混合器，混光单元的侧壁可以发散性地反射光。在混光单元内，聚集的和准直的环境光与来自光源140的准直光混合在一起。混光元件的功能是混合并均匀化在混光元件内的所有光，并控制将被投影到反射显示器单元上的混合光的扩散角。结果，从混光元件输出的光是被充分均匀化的。

接着，从混光元件170出来的混合光进入到聚光单元180内。聚光单元180可以包括一组共轭透镜或一组自由曲面透镜。可选择地，如果有预偏器(pre-polarizer)，聚光单元将混合光导向预偏器，否则，混合光一旦从聚光单元180中出来，被导向偏振分光器(PBS)190。

预偏器的安置和朝向会使得仅有PBS阻止偏振态(blockpolarization)的光被透过。因此，透过预偏器的光将在PBS上被反射到反射显示器单元200。

在PBS 190上，具有特别偏振的光被完全反射，而具有正交偏振的光被透过。偏振可以是线型、圆型、或胆甾型(cholesteric)。线型偏振器的例子包括聚合物多层偏振膜(polymeric multiple layer polarizing film)或有线栅偏振器(wire grid polarizer)。将会注意到，使用胆甾型偏振器也可能需要引入四分波延迟器，以便在线型和圆型偏振之间转换光。例如，如果反射显示器单元在线型偏振光上运行，并且光源的光也是线性偏振，那么胆甾型偏振器可以在其前表面上有一个四分波延迟层，以便使光圆形偏振后再入射到胆甾型偏振器的表面。此外，四分波延迟器会使反射光线性偏振后再传播到反射图像显示器单元。如果来自光源的光是圆形偏振，那么在反射图像显示器单元输入上可以有一个四分波延迟器，从而使胆甾型偏振器反射的光线性偏振。此外，PBS 190可以在一个或多个方向上是平坦的或弯曲的。

具有PBS的阻止偏振态(block polarization)的光将在PBS 190上被反射，并将行进到反射显示器单元200。反射显示器单元可以是一个液晶显示器(LCD)单元，如硅基液晶(LCoS)显示器、数字光处理(DLP)显示器、或任何其它合适的显示器单元。当本发明运行时，一个视频信号输入到反射显示器单元200，该视频信号可能是从一个GPS单元、一个导航单元、一个或多个仪表板装置(如速度计、测速计、油量表)、机载计算机、或任何能够产生合适视频信号用于反射显示器单元的装置产生的。反射显示器单元200通过偏振旋转，能够空间地调制入射光。反射光包括PBS阻止偏振态和PBS通过偏振态(pass polarizations)的光。仅PBS 190通过偏振态的光，如图像光，将通过PBS被传输到投影仪单元210。

如图1所示，投影仪单元210投影图像光在扩散膜220上。扩散膜可以被连接到投影仪单元。一个真实的镜像将通过扩散膜形成，并且该真实镜像将被反射到在挡风玻璃上而进入观察者视野。可以理解，扩散膜220的使用是可选择性的，可以设置反射显示器200与投影光学器件以便直接将一个合适图像直接从投影仪单元210显示到挡风玻璃上。

图4描述图2平视显示器10的光学元件的内部配置。图4元件类似于图3所示的那些元件，如对应的元件号码所示。

图5描述本发明平视显示器的一个卧式实施例10的外部示意图。如之前的实施例，环境光进入窗口40，图像光是从投影口50出来。图6描述在平视显示器10内部的光学元件配置。图6元件类似于图3所示的那些元件，如对应的元件号码所示。如图6所示，用于环境光的集光光学器件110的配置允许HUD高度低于图2HUD的高度。该实施例特别适用于售后安装在车辆仪表板上，因为其更能够提供更好的视野。

应该理解，本发明上述元件的实际位置和朝向可以调整以改变图像的尺寸、亮度和清晰度。

尽管本发明已经在上下文里描述了专为机动车辆设计的用于显示相关驾驶信息如车辆速度、发动机速度(rpm)和全球定位系统(GPS)数据的平视显示器(HUD)单元，应该理解，本发明同样适用于其它交通工具涵义下的平视显示器，如航空器和船舶。此外，本发明同样适用于其它需要增强照明的情况，如头盔显示单元或微型投影仪。

尽管已经描述了本发明的特别实施例，应该理解，本发明不受限于在此所述的具体构造，从以上述描述可以明显地对其作出各种修改、改变和变化。这些修改、改变和变换被看作是所附权利要求内阐述的本发明范围的一部分。

Claims

1.一个用于平视显示器的混合照明系统，包括：

一个混光单元，用于提供一个充分均质(homogenous)的光源给平视显示器的反射显示器单元；

一个集光光学单元，用于收集环境光，并将收集的环境光导向混光单元；

一个电驱动光源，用于发射将被导向到混光单元的光；

一个或多个光学元件，用于将收集的环境光和电驱动光源发出的光导向混光单元，使得收集的环境光和电驱动光源发出的光被完全入射到混光单元。

2.根据权利要求1所述的平视显示器的混合照明系统，还包括光束成形光学器件，其被安置在集光光学单元和一个或多个光学元件之间，用于将收集的环境光和电驱动光源发出的光指示到混光单元。

3.根据权利要求1所述的平视显示器的混合照明系统，还包括光束成形光学器件，其被安置在电驱动光源和一个或多个光学元件之间，用于将收集的环境光和电驱动光源发出的光引导至混光单元。

4.根据权利要求1所述的平视显示器的混合照明系统，其中混光单元是一个积分光棒。

5.根据权利要求1所述的平视显示器的混合照明系统，其中混光单元是一个宏焦距聚光器。

6.根据权利要求1所述的平视显示器的混合照明系统，其中集光光学单元是一个光学导光管。

7.根据权利要求1所述的平视显示器的混合照明系统，其中集光光学单元是一个非球面透镜。

8.根据权利要求1所述的平视显示器的混合照明系统，其中集光光学单元是一个菲涅耳透镜。

9.根据权利要求1所述的平视显示器的混合照明系统，其中电驱动光源是一个或多个LED或一个或多个激光二极管。

10.一个包括混合照明系统的平视显示器，包括：

一个集光光学单元，用于收集环境光并将收集的环境光导向混光单元；

一个电驱动光源，用于发射将被导向到混光单元的光；

一个或多个光学元件，用于将收集的环境光和电驱动光源发出的光导向到混光单元，使得收集的环境光和电驱动光源发出的光被完全入射到混光单元；

一个聚光单元，其接收被均匀混合的收集环境光和电驱动光源发出的光，并输出聚合光到一个偏振光束分光器；

一个反射显示器，用于接收来自偏振光束分光器的光，并利用一个电信号源的信息，设置以调制来自偏振光束分光器的光，该反射显示器还被设置以将调制光反射回偏振光束分光器；

一个投影镜头单元，用于投影调制光以产生一个图像在挡风玻璃上。

11.根据权利要求10所述的包括混合照明系统的平视显示器，还包括一个扩散膜，用于接收来自投影镜头单元的调制光，并将调制光反射到挡风玻璃上。

12.根据权利要求10所述的包括混合照明系统的平视显示器，其中反射显示器是一个硅基液晶(LCoS)显示器或一个数字光处理(DLP)显示器。

13.根据权利要求10所述的包括混合照明系统的平视显示器，还包括光束成形光学器件，其安置在集光光学单元和一个或多个光学元件之间，用于将收集的环境光和电驱动光源发出的光导向到混光单元。

14.根据权利要求10所述的包括混合照明系统的平视显示器，还包括光束成形光学器件，其安置在电驱动光源和一个或多个光学元件之间，用于将收集的环境光和电驱动光源发出的光导向到混光单元。

15.根据权利要求10所述的包括混合照明系统的平视显示器，其中电驱动光源是一个或多个LED或一个或多个激光二极管。

16.根据权利要求10所述的包括混合照明系统的平视显示器，其中集光光学单元是一个光学导光管、非球面透镜或菲涅耳透镜。

17.根据权利要求10所述的包括混合照明系统的平视显示器，其中混光单元是一个积分光棒或一个宏焦距聚光器。

18.一个包括平视显示器的机动车辆导航系统，包括一个依照权利要求10所述的混合照明系统。

19.一个包括平视显示器的机动车辆导航系统，包括一个依照权利要求10所述的混合照明系统，其中导航系统包括GPS。