專利名稱：平視顯示器的混合照明系統(tǒng)的制作方法
平視顯示器的混合照明系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及平視顯示器(head-up display)，特別涉及平視顯示器的照明系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
平視顯示器(HUD)是將圖像投影在一個(gè)可見表面上的系統(tǒng)，該可見表面所在的位 置允許觀察者始終保持一個(gè)姿勢(shì)，顯示器或儀表板的高度大致與觀察者的眼睛成水平，讓 觀察者始終保持平視的姿態(tài)，而不需要低頭觀看。平視顯示器可用于各種環(huán)境如機(jī)動(dòng)車輛、 航空器、頭盔和其它觀察者不能分散其注視的重要情況。盡管平視顯示器適用于這種環(huán)境，但有時(shí)在明亮環(huán)境光條件下辨別圖像會(huì)很困 難。因此，需要能夠在高環(huán)境光條件下容易觀看的顯示器。在這之前，在收集平視顯示器的 環(huán)境光方面已經(jīng)有許多努力。WO 95/13557是這種平視顯示器的一個(gè)例子，其在顯示器里 使用一個(gè)環(huán)境光光源，其投影圖象在擋風(fēng)玻璃上。同樣，在美國(guó)專利4，997，263和美國(guó)專利 7，430，349里，也是聚合環(huán)境光和另一個(gè)光源。盡管都是使用環(huán)境光和另一個(gè)光源，前者有 較低的環(huán)境光收集效率，而后者涉及復(fù)雜的收集光纖。此外，這兩個(gè)專利聚合這兩個(gè)光源， 卻都沒(méi)有提供一個(gè)均勻光源用于顯示。因此，需要改進(jìn)平視顯示器的光源，使得其既能夠提供足夠顯示亮度又能提供一 個(gè)均勻光源用于顯示，以便能夠允許在高環(huán)境光條件下清楚地觀看。
發(fā)明概述本發(fā)明是一個(gè)平視顯示器(HUD)，其利用來(lái)自外界的環(huán)境光和來(lái)自電光源的可視 光用于照明被投影的圖像。其包括集光單元、第一光束成形光學(xué)單元、第二光束成形光學(xué) 單元、混光單元、聚光單元、偏振分束器(PBS)、反射顯示器單元、投影單元、散光膜和一個(gè)光 源。根據(jù)各個(gè)組件的位置，可以選擇性地使用反射鏡來(lái)改變光路經(jīng)。此外，其還可以包括一 個(gè)亮度增強(qiáng)器和一個(gè)預(yù)偏器(pre-polarizer)。集光單元從外界收集環(huán)境光，并將其重新導(dǎo)向至集光單元的軸，使得其落在一個(gè) 預(yù)定錐角(cone angle)內(nèi)。在本發(fā)明第一實(shí)施例里，其中集光單元的軸和第一光束成形光 學(xué)器件的軸平衡且重合，由集光單元整合的光被直接導(dǎo)入到第一光束成形光學(xué)單元內(nèi)。在 本發(fā)明第二實(shí)施例里，其中集光單元的軸和第一光束成形光學(xué)器件的軸不是平衡的，由集 光單元整合的光通過(guò)一個(gè)反射單元被導(dǎo)入到光束成形光學(xué)單元內(nèi)。第一光束成形光學(xué)單元 的功能是準(zhǔn)直收集的環(huán)境光，并通過(guò)一個(gè)反射鏡將其導(dǎo)向混光單元。來(lái)自光源的可視光穿過(guò)光束成形光學(xué)單元用于準(zhǔn)直。隨后，光束成形光學(xué)單元的 準(zhǔn)直光通過(guò)一個(gè)反射鏡被導(dǎo)向混光單元。混光單元混合并均勻化混光單元內(nèi)的所有光，并控制將被投影到反射顯示器單元 上的混光的散射角，使得反射顯示器單元接收到均勻照明。接著，從混光單元出來(lái)的混合光 被導(dǎo)入到聚光單元，然后其將光導(dǎo)向PBS。
若包含一個(gè)預(yù)偏器，其安裝的最佳位置應(yīng)在聚光單元和PBS之間。預(yù)偏器的朝向 會(huì)使得僅有PBS阻止偏振態(tài)的光被透過(guò)。因此，來(lái)自預(yù)偏器的透射光將在PBS上被反射到 反射顯示器單元。在PBS，具有特別偏振的光被完全反射，而正交偏振的光被透過(guò)。然后，被 反射離開PBS的光到達(dá)反射顯示器單元。反射顯示器單元，在運(yùn)行使用期間其有一個(gè)視頻 信號(hào)作為其輸入，通過(guò)偏振旋轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)制入射光。反射光包括了 PBS阻止偏振態(tài)和PBS通過(guò) 偏振態(tài)的光。僅有PBS通過(guò)偏振態(tài)的光，如圖像光，才會(huì)通過(guò)PBS被傳輸?shù)酵队扮R頭單元， 結(jié)果，投影鏡頭單元從視頻信號(hào)投影一個(gè)圖像到擴(kuò)散膜上，其然后形成一個(gè)真實(shí)圖像并被 反射到擋風(fēng)玻璃上而進(jìn)入觀察者視野。


圖1描述本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)合并環(huán)境光的平視顯示器。圖2描述本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)合并環(huán)境光的平視顯示器的外部示意圖。圖3描述本發(fā)明的一個(gè)平視顯示器實(shí)施例內(nèi)的光學(xué)器件示意圖。圖4描述圖2平視顯示器的內(nèi)部構(gòu)造。圖5是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)合并環(huán)境光的平視顯示器的外部示意圖。圖6描述圖5平視顯示器的內(nèi)部構(gòu)造。
發(fā)明詳述附圖中，在每個(gè)示意圖里相同號(hào)碼表示相同或類似的特征。圖1描述本發(fā)明一個(gè) 實(shí)施例的一個(gè)平視顯示器10的示意圖。如圖1所示，本發(fā)明收集環(huán)境光以用來(lái)增強(qiáng)平視顯 示器里的顯示亮度。環(huán)境光與一個(gè)電驅(qū)動(dòng)光源如發(fā)光二極管(LED)或激光二極管的可視光 聚合在一起，用來(lái)形成一幅具有增強(qiáng)亮度級(jí)的圖像。當(dāng)本發(fā)明用于圖1所述的車輛時(shí)，一個(gè)由平視顯示器(HUD)單元10形成的圖像20 將被投影到擴(kuò)散膜220上，并被反射到擋風(fēng)玻璃30上，然后其讓駕駛者看到?？蛇x擇地，HUD 單元可以安裝在儀表板的頂部，因?yàn)檫@樣能夠?qū)︸{駛者前端的視野構(gòu)成最小的障礙。另外， HUD單元也可以安置在車輛的其它合適位置，如部分地或全部地安裝在儀表板上，車廂頂部寸。如圖2所示的HUD單元10的外部示意圖。環(huán)境光通過(guò)窗口 40進(jìn)入單元10，投影 光學(xué)器件的出口在投影儀窗口 50。由于HUD單元10的緊湊設(shè)計(jì)，在車輛上的售后安裝可以 非常簡(jiǎn)容地完成。這種情況下，HUD 10可以形成部分導(dǎo)航/GPS系統(tǒng)，其可以簡(jiǎn)容地安裝在 任何車輛上。用于本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光學(xué)器件示意圖在圖3內(nèi)描述。如圖3所示，環(huán)境光和 來(lái)自光源如一個(gè)或多個(gè)LED/激光的光，被聚合以形成一個(gè)單一的均勻光源用于HUD內(nèi)。環(huán) 境光100進(jìn)入集光光學(xué)單元110，然后可選擇地，由鏡120反射，再由第一光束成形光學(xué)單元 130進(jìn)行整形。集光光學(xué)單元110收集環(huán)境光，并重新引導(dǎo)它使其落在一個(gè)指定的錐角內(nèi)。 集光光學(xué)單元110可以從各種光學(xué)裝置中選擇，如光導(dǎo)、非球面透鏡、和菲涅耳透鏡。但是， 該列表并不是限制性的，任何能夠有效地收集并傳遞環(huán)境光到HUD的光學(xué)裝置都可以補(bǔ)充 用于本發(fā)明。光束成形光學(xué)單元130可以包括一組共軛透鏡(conjugated lenses)或TIR透鏡。光束成形光學(xué)單元130的目的是在光被導(dǎo)向混光裝置之前準(zhǔn)直聚集的環(huán)境光。
另一個(gè)光源140用于發(fā)射光，以便與集光光學(xué)單元110收集的環(huán)境光聚合。光源 140可以是一個(gè)單色LED、多色LED、激光、白熾燈、鹵素?zé)簟⒒」鉄?、或任何其它足夠照明?晶元件的發(fā)光器、或以上發(fā)光器的任何組合。接著，光源140的光進(jìn)入第二光束成形光學(xué)單元150。當(dāng)使用一個(gè)可選的反饋控制 系統(tǒng)時(shí)，光源的光強(qiáng)度是可以根據(jù)收集的環(huán)境光強(qiáng)度而進(jìn)行調(diào)整的。第二光束成形光學(xué)單 元的目的是在將光導(dǎo)向混光單元170之前準(zhǔn)直光源的光。反射鏡160的安置和朝向會(huì)使得光源140的光和收集的環(huán)境光被導(dǎo)向混光單元 170。反射鏡160可以包括平面鏡、曲面鏡、直角棱鏡、或多個(gè)以上透鏡和/或多個(gè)以上透鏡 組合。反射鏡160可以是單個(gè)單元或作為兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立單元。反射鏡也可以由直角棱鏡 或其它光學(xué)器件代替，只要其能夠改變光的方向。對(duì)液晶元件而言，入射光的均勻度是非常重要的，混光單元170可以從各種裝置 中選擇，只要其能夠混合光源140的光和環(huán)境光，并輸出一個(gè)充分均勻的光束。這類裝置包 括但不限于積分光棒(integrating rod)或宏焦距集光器(macrofocal concentrator)。 宏焦距集光器的例子包括復(fù)合拋物面聚光器(CPC)、復(fù)合橢球面聚光器(CEC)和復(fù)合雙曲 面聚光器(CHC)。但是，任何能夠均勻混合這兩個(gè)光源并提供一個(gè)均勻輸出的光學(xué)元件都可 以補(bǔ)充作為本發(fā)明的混光單元170。為了進(jìn)一步增強(qiáng)環(huán)境光和光源140的光的均勻化，利 用混合器，混光單元的側(cè)壁可以發(fā)散性地反射光。在混光單元內(nèi)，聚集的和準(zhǔn)直的環(huán)境光與 來(lái)自光源140的準(zhǔn)直光混合在一起。混光元件的功能是混合并均勻化在混光元件內(nèi)的所有 光，并控制將被投影到反射顯示器單元上的混合光的擴(kuò)散角。結(jié)果，從混光元件輸出的光是 被充分均勻化的。接著，從混光元件170出來(lái)的混合光進(jìn)入到聚光單元180內(nèi)。聚光單元180可以 包括一組共軛透鏡或一組自由曲面透鏡?？蛇x擇地，如果有預(yù)偏器(pre-polarizer)，聚 光單元將混合光導(dǎo)向預(yù)偏器，否則，混合光一旦從聚光單元180中出來(lái)，被導(dǎo)向偏振分光器 (PBS)190。預(yù)偏器的安置和朝向會(huì)使得僅有PBS阻止偏振態(tài)(blockpolarization)的光被透 過(guò)。因此，透過(guò)預(yù)偏器的光將在PBS上被反射到反射顯示器單元200。在PBS 190上，具有特別偏振的光被完全反射，而具有正交偏振的光被透過(guò)。偏 振可以是線型、圓型、或膽留型(cholesteric)。線型偏振器的例子包括聚合物多層偏振膜 (polymeric multiple layer polarizing film)或有線柵偏振器(wire grid polarizer)。 將會(huì)注意到，使用膽留型偏振器也可能需要引入四分波延遲器，以便在線型和圓型偏振之 間轉(zhuǎn)換光。例如，如果反射顯示器單元在線型偏振光上運(yùn)行，并且光源的光也是線性偏振， 那么膽留型偏振器可以在其前表面上有一個(gè)四分波延遲層，以便使光圓形偏振后再入射到 膽甾型偏振器的表面。此外，四分波延遲器會(huì)使反射光線性偏振后再傳播到反射圖像顯示 器單元。如果來(lái)自光源的光是圓形偏振，那么在反射圖像顯示器單元輸入上可以有一個(gè)四 分波延遲器，從而使膽留型偏振器反射的光線性偏振。此外，PBS 190可以在一個(gè)或多個(gè)方 向上是平坦的或彎曲的。具有PBS的阻止偏振態(tài)(block polarization)的光將在PBS 190上被反射，并 將行進(jìn)到反射顯示器單元200。反射顯示器單元可以是一個(gè)液晶顯示器(LCD)單元，如硅基液晶(LCoS)顯示器、數(shù)字光處理(DLP)顯示器、或任何其它合適的顯示器單元。當(dāng)本 發(fā)明運(yùn)行時(shí)，一個(gè)視頻信號(hào)輸入到反射顯示器單元200，該視頻信號(hào)可能是從一個(gè)GPS單 元、一個(gè)導(dǎo)航單元、一個(gè)或多個(gè)儀表板裝置(如速度計(jì)、測(cè)速計(jì)、油量表)、機(jī)載計(jì)算機(jī)、或任 何能夠產(chǎn)生合適視頻信號(hào)用于反射顯示器單元的裝置產(chǎn)生的。反射顯示器單元200通過(guò) 偏振旋轉(zhuǎn)，能夠空間地調(diào)制入射光。反射光包括PBS阻止偏振態(tài)和PBS通過(guò)偏振態(tài)(pass polarizations)的光。僅PBS 190通過(guò)偏振態(tài)的光，如圖像光，將通過(guò)PBS被傳輸?shù)酵队皟x 單元210。如圖1所示，投影儀單元210投影圖像光在擴(kuò)散膜220上。擴(kuò)散膜可以被連接到投 影儀單元。一個(gè)真實(shí)的鏡像將通過(guò)擴(kuò)散膜形成，并且該真實(shí)鏡像將被反射到在擋風(fēng)玻璃上 而進(jìn)入觀察者視野?？梢岳斫?，擴(kuò)散膜220的使用是可選擇性的，可以設(shè)置反射顯示器200 與投影光學(xué)器件以便直接將一個(gè)合適圖像直接從投影儀單元210顯示到擋風(fēng)玻璃上。圖4描述圖2平視顯示器10的光學(xué)元件的內(nèi)部配置。圖4元件類似于圖3所示 的那些元件，如對(duì)應(yīng)的元件號(hào)碼所示。圖5描述本發(fā)明平視顯示器的一個(gè)臥式實(shí)施例10的外部示意圖。如之前的實(shí)施 例，環(huán)境光進(jìn)入窗口 40，圖像光是從投影口 50出來(lái)。圖6描述在平視顯示器10內(nèi)部的光學(xué) 元件配置。圖6元件類似于圖3所示的那些元件，如對(duì)應(yīng)的元件號(hào)碼所示。如圖6所示，用 于環(huán)境光的集光光學(xué)器件110的配置允許HUD高度低于圖2HUD的高度。該實(shí)施例特別適 用于售后安裝在車輛儀表板上，因?yàn)槠涓軌蛱峁└玫囊曇?。?yīng)該理解，本發(fā)明上述元件的實(shí)際位置和朝向可以調(diào)整以改變圖像的尺寸、亮度 和清晰度。盡管本發(fā)明已經(jīng)在上下文里描述了專為機(jī)動(dòng)車輛設(shè)計(jì)的用于顯示相關(guān)駕駛信息 如車輛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)速度(rpm)和全球定位系統(tǒng)(GPS)數(shù)據(jù)的平視顯示器(HUD)單元，應(yīng)該 理解，本發(fā)明同樣適用于其它交通工具涵義下的平視顯示器，如航空器和船舶。此外，本發(fā) 明同樣適用于其它需要增強(qiáng)照明的情況，如頭盔顯示單元或微型投影儀。盡管已經(jīng)描述了本發(fā)明的特別實(shí)施例，應(yīng)該理解，本發(fā)明不受限于在此所述的具 體構(gòu)造，從以上述描述可以明顯地對(duì)其作出各種修改、改變和變化。這些修改、改變和變換 被看作是所附權(quán)利要求內(nèi)闡述的本發(fā)明范圍的一部分。
權(quán)利要求
一個(gè)用于平視顯示器的混合照明系統(tǒng)，包括一個(gè)混光單元，用于提供一個(gè)充分均質(zhì)(homogenous)的光源給平視顯示器的反射顯示器單元；一個(gè)集光光學(xué)單元，用于收集環(huán)境光，并將收集的環(huán)境光導(dǎo)向混光單元；一個(gè)電驅(qū)動(dòng)光源，用于發(fā)射將被導(dǎo)向到混光單元的光；一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件，用于將收集的環(huán)境光和電驅(qū)動(dòng)光源發(fā)出的光導(dǎo)向混光單元，使得收集的環(huán)境光和電驅(qū)動(dòng)光源發(fā)出的光被完全入射到混光單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平視顯示器的混合照明系統(tǒng)，還包括光束成形光學(xué)器件，其 被安置在集光光學(xué)單元和一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件之間，用于將收集的環(huán)境光和電驅(qū)動(dòng)光源發(fā) 出的光指示到混光單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平視顯示器的混合照明系統(tǒng)，還包括光束成形光學(xué)器件，其 被安置在電驅(qū)動(dòng)光源和一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件之間，用于將收集的環(huán)境光和電驅(qū)動(dòng)光源發(fā)出 的光引導(dǎo)至混光單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平視顯示器的混合照明系統(tǒng)，其中混光單元是一個(gè)積分光棒。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平視顯示器的混合照明系統(tǒng)，其中混光單元是一個(gè)宏焦距聚光器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平視顯示器的混合照明系統(tǒng)，其中集光光學(xué)單元是一個(gè)光學(xué)導(dǎo)光管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平視顯示器的混合照明系統(tǒng)，其中集光光學(xué)單元是一個(gè)非球 面透鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平視顯示器的混合照明系統(tǒng)，其中集光光學(xué)單元是一個(gè)菲涅 耳透鏡。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平視顯示器的混合照明系統(tǒng)，其中電驅(qū)動(dòng)光源是一個(gè)或多個(gè) LED或一個(gè)或多個(gè)激光二極管。
10.一個(gè)包括混合照明系統(tǒng)的平視顯示器，包括一個(gè)混光單元，用于提供一個(gè)充分均質(zhì)(homogenous)的光源給平視顯示器的反射顯 示器單元；一個(gè)集光光學(xué)單元，用于收集環(huán)境光并將收集的環(huán)境光導(dǎo)向混光單元； 一個(gè)電驅(qū)動(dòng)光源，用于發(fā)射將被導(dǎo)向到混光單元的光；一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件，用于將收集的環(huán)境光和電驅(qū)動(dòng)光源發(fā)出的光導(dǎo)向到混光單元， 使得收集的環(huán)境光和電驅(qū)動(dòng)光源發(fā)出的光被完全入射到混光單元；一個(gè)聚光單元，其接收被均勻混合的收集環(huán)境光和電驅(qū)動(dòng)光源發(fā)出的光，并輸出聚合 光到一個(gè)偏振光束分光器；一個(gè)反射顯示器，用于接收來(lái)自偏振光束分光器的光，并利用一個(gè)電信號(hào)源的信息，設(shè) 置以調(diào)制來(lái)自偏振光束分光器的光，該反射顯示器還被設(shè)置以將調(diào)制光反射回偏振光束分 光器；一個(gè)投影鏡頭單元，用于投影調(diào)制光以產(chǎn)生一個(gè)圖像在擋風(fēng)玻璃上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的包括混合照明系統(tǒng)的平視顯示器，還包括一個(gè)擴(kuò)散膜，用于接收來(lái)自投影鏡頭單元的調(diào)制光，并將調(diào)制光反射到擋風(fēng)玻璃上。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的包括混合照明系統(tǒng)的平視顯示器，其中反射顯示器是一個(gè) 硅基液晶(LCoS)顯示器或一個(gè)數(shù)字光處理(DLP)顯示器。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的包括混合照明系統(tǒng)的平視顯示器，還包括光束成形光學(xué)器 件，其安置在集光光學(xué)單元和一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件之間，用于將收集的環(huán)境光和電驅(qū)動(dòng)光 源發(fā)出的光導(dǎo)向到混光單元。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的包括混合照明系統(tǒng)的平視顯示器，還包括光束成形光學(xué)器 件，其安置在電驅(qū)動(dòng)光源和一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件之間，用于將收集的環(huán)境光和電驅(qū)動(dòng)光源 發(fā)出的光導(dǎo)向到混光單元。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的包括混合照明系統(tǒng)的平視顯示器，其中電驅(qū)動(dòng)光源是一個(gè) 或多個(gè)LED或一個(gè)或多個(gè)激光二極管。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的包括混合照明系統(tǒng)的平視顯示器，其中集光光學(xué)單元是一 個(gè)光學(xué)導(dǎo)光管、非球面透鏡或菲涅耳透鏡。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的包括混合照明系統(tǒng)的平視顯示器，其中混光單元是一個(gè)積 分光棒或一個(gè)宏焦距聚光器。
18.—個(gè)包括平視顯示器的機(jī)動(dòng)車輛導(dǎo)航系統(tǒng)，包括一個(gè)依照權(quán)利要求10所述的混合 照明系統(tǒng)。
19.一個(gè)包括平視顯示器的機(jī)動(dòng)車輛導(dǎo)航系統(tǒng)，包括一個(gè)依照權(quán)利要求10所述的混合 照明系統(tǒng)，其中導(dǎo)航系統(tǒng)包括GPS。
全文摘要
本發(fā)明披露了一個(gè)包括混合照明系統(tǒng)的平視顯示器?；旃鈫卧峁┮粋€(gè)充分均質(zhì)的光源給反射顯示器單元。集光光學(xué)單元收集環(huán)境光，并將其導(dǎo)向混光單元。同時(shí)，電驅(qū)動(dòng)光源發(fā)出的光也被導(dǎo)向混光單元。一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件將環(huán)境光和光源光導(dǎo)向混光單元以便均勻化。聚光單元接收均勻混合光并輸出聚合光到一個(gè)偏振分光器。利用一個(gè)電信號(hào)源的信息，反射顯示器調(diào)制來(lái)自偏振分光器的光并傳遞回偏振分光器。偏振光透過(guò)投影鏡頭單元建立一個(gè)圖像在擋風(fēng)玻璃上。
文檔編號(hào)G02B27/01GK101876753SQ20101020153
公開日2010年11月3日 申請(qǐng)日期2010年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月3日
發(fā)明者霍露明 申請(qǐng)人:香港應(yīng)用科技研究院有限公司