CN117950187A - 具有光波导的显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有光波导的显示设备。该显示设备(1)具有投影仪(2)和用于提高集光率的光波导(3)。投影仪(2)被配置成生成携带图像信息的光(L1)。光(L1)被耦合到光波导(3)中。光波导(3)具有耦出全息图(30)，在所述耦出全息图中集成有用于在图像平面(BE)中生成真实或虚拟图像(B)的透镜功能。

Description

具有光波导的显示设备

技术领域

本发明涉及一种显示设备，该显示设备具有投影仪和用于提高集光率的光波导(Lichtwellenleiter)。

背景技术

平视显示器(Head-Up-Display，还被称为HUD)被理解为如下显示***，在该显示***中，观察者可以保持其视线方向，这是由于待展示的内容被显示到其视野内。这样的***由于其复杂性和成本而最初主要用于航空领域，但是这些***现在还被大规模地用于汽车领域。

平视显示器通常由成像单元或图像生成单元(Picture Generating Unit，PGU)、光学单元和镜单元构成。成像单元生成图像并且为此使用至少一个显示元件。光学单元将图像引导到镜单元上。镜单元是部分反射的透光片。因此，观察者看到由成像单元展示的作为虚拟图像的内容并且同时看到该片后的真实世界。在汽车领域中，挡风玻璃通常用作镜单元，在进行展示时必须考虑到其弯曲的形状。通过光学单元和镜单元的共同作用，虚拟图像是由成像单元生成的图像的放大图。

平视显示器必须达到高亮度，以在明亮环境下使示出的信息可以与背景形成鲜明对照。因此在具有投影仪的平视显示器中，一个或多个激光源可以与微机电***、尤其与可移动的镜相结合，以生成图像。这样的平视显示器典型地在中间图像平面中使用扩散器，以使图像在整个眼动范围(Eyebox)上可见。扩散器用于提高集光率，即在这种情况下使形成像点的圆锥的角度更大。集光率是由光束的各点的角度分布及其截面积简化而成的物理量。守恒定律规定，当通过光学***时，集光率只能保持不变或变大。

就此而言，US2012/0224062 A1描述了一种用于道路机动车辆的模拟接触式平视显示器。平视显示器包括用于生成虚拟2D图像的基于激光的***以及用于扩大出射光瞳的光学器件。该光学器件用于提高平视显示器的集光率，即放大平视显示器的眼动范围。任选地，扩散器可以布置在中间图像平面中。

DE 11 2015 004 035 T5描述了一种图像显示设备。图像显示设备提供可在眼动范围内感知的图像并且包含光源单元、屏幕、扫描单元和光学***。屏幕具有其上布置有多个微透镜的微透镜组件。扫描单元包含用于反射从光源单元发射的光线的镜，并且使该镜围绕枢转中心枢转，以使光线在其上进行扫描。以这种方式生成图像。光学***将屏幕上形成的图像带到眼动范围中。

然而，布置在中间图像平面中的部件散射入射光。在实践中，例如阳光几乎不可避免地会照射到中间图像平面中的部件上。随后，入射的阳光会被散射器反射回眼动范围，这可能会使用户受到干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于照明眼动范围的替代性的解决方案，该解决方案避免了由中间图像平面中的光学部件引起的缺点。

该目的通过具有权利要求1的特征的显示设备来实现。本发明的优选设计方案是从属权利要求的主题。

根据本发明的一方面，显示设备具有投影仪以及用于提高集光率的光波导。投影仪被配置成生成携带图像信息并且耦合到光波导中的光。光波导具有耦出全息图，在该耦出全息图中集成有用于在图像平面中生成真实或虚拟图像的透镜功能。

在根据本发明的解决方案中，从投影仪发出的光耦合到用于提高集光率的光波导中。光波导确保形成像点的圆锥的角度增加。因此，可以省去中间图像平面中的部件。光波导具有集成有透镜功能的耦出全息图。通过该透镜功能在图像平面中生成真实或虚拟图像。该图像随后可以由投影光学器件进一步处理。在这种情况下，图像平面是中间图像平面。根据本发明的解决方案具有的优点一方面在于降低了所需部件的数量。另一方面，避免了由中间图像平面中的部件引起的向后漫射。

根据本发明的一方面，光波导被设计成扩展出射光瞳。在这种方案中，本就设置成用于扩展出射光瞳的光波导的耦出全息图设有额外的透镜功能，借助于该透镜功能生成真实或虚拟图像。以这种方式，光波导结合了两个功能，从而降低了所需部件的数量。光波导的另一个优点在于，在适当地选定耦出全息图上下的玻璃厚度比的情况下，产生的斑点在一定程度上减少。耦出的光具有不同的传输延迟，这些传输延迟还可能超过相干长度。由此降低了斑点对比度。减少出现的斑点可以被认为是光波导的另一个功能。

根据本发明的一方面，透镜功能被设计成焦距为负。这允许减小显示设备所需的结构高度。显示设备的图像在被投影光学器件进一步处理时必须处于的定位在一定程度上是由投影光学器件确定的。如果将显示设备的朝向投影光学器件的一侧称为顶部，则在会聚透镜的情况下，图像位于投影仪上方，而光波导明显位于其下方，这需要结构空间。在发散透镜的情况下，虚拟图像明显地在投影仪下方生成。由此，光波导明显地进一步向上移动，这节省了结构空间。

根据本发明的一方面，光波导相对于图像平面倾斜。这可以实现将镜后反射重新定向到光阱/射束陷阱中。以这种方式可以避免由入射的干扰光引起的干扰效应。

根据本发明的一方面，投影仪是激光投影仪。优选地，激光投影仪是扫描激光投影仪或衍射激光投影仪。例如在WO 2012/007762 A1中描述了一种使用具有多个像素的相位调制器作为衍射元件的衍射激光投影仪。使用激光投影仪是有利的，因为激光具有较低的光谱带宽。形成透镜的光栅或全息图对长波光的衍射比对短波光的衍射更强。这导致针对不同波长的焦距不同。在光谱带宽较大的情况下，例如在发光二极管的情况下，不同的焦距可能导致模糊。利用衍射激光投影仪的实现方式(例如使用相位调制器)具有额外的优点：降低了对激光器的峰值功率的要求并且更容易降低亮度。

根据本发明的一方面，光波导具有用于不同波长的光的两个或更多个子光波导。在此，子光波导中的透镜功能与相应的波长和波导与图像的相对定位相适配，由此可以实现高品质的彩色显示。

根据本发明的一方面，显示设备是平视显示器的组成部分。可以预期，平视显示器将越来越多地使用具有光波导的成像单元。因此，将透镜功能集成到这种光波导的本就存在的耦出全息图中是有意义的。

根据本发明的一方面，显示设备是监视器的组成部分。根据本发明的显示设备可以用于无需特别深的桌台/Tisch即可使远视者读取的监视器。虚拟图像大于监视器表面，该监视器表面用作虚拟展示的窗口。对于近视的人，还可以通过显示设备在头部附近生成真实图像，而不需要在人的正前方存在呼吸时可能起雾的装置。然而在不存在视力缺陷的情况下，将根据本发明的解决方案用于监视器也是有利的。图像越近，眼睛晶状体周围的肌肉必须绷得越紧，才能清晰地看到图像。因此，更远的图像距离还可以使视力正常的人更轻松地观看监视器。

根据本发明的一方面，显示设备是广告牌的组成部分。根据本发明的显示设备可以将图像展示在透明板的前方或后方。同时，显示设备是非常紧凑的，使其良好地适用于广告应用。

优选地，根据本发明的显示设备在机器、尤其运输工具或工程器械中使用。该运输工具例如可以是机动车辆(如乘用机动车辆或载重车辆)，然而替代性地还可以是空中交通工具、轨道交通工具或水运交通工具。

本发明的其他特征将结合附图从以下描述和所附权利要求中变得显而易见。

附图说明

图1示意性地示出根据现有技术的用于机动车辆的平视显示器；

图2至图4示出用于放大出射光瞳的光波导的工作原理；

图5示出根据本发明的显示设备的工作原理；

图6示意性地示出具有根据本发明的显示设备的平视显示器；以及

图7示意性地示出使用根据本发明的显示设备的运输工具。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的原理，下面借助附图更加详细地阐述本发明的实施方式。相同的附图标记在附图中用于相同的或起相同作用的元件，并且不必针对每个附图重新进行描述。应理解的是：本发明并不限于所展示的实施方式，并且在不脱离本发明的、如在所附权利要求中所限定的保护范围的情况下，所描述的特征还可以被组合或修改。

图1示出了用于机动车辆的常规平视显示器的原理简图。平视显示器具有显示设备1，该显示设备具有成像单元10和光学单元12。射束SB1从显示元件11发出，该射束被折叠镜120反射到曲面镜121上，该曲面镜使该射束朝向镜单元4的方向反射。镜单元4在此被示出为机动车辆的挡风玻璃40。射束SB2从该处朝向观察者5的眼睛的方向传递。

观察者5看到虚拟图像VB，该虚拟图像处于在机动车辆外部的引擎盖上方或者甚至位于机动车辆前方。通过光学单元12和镜单元4的共同作用，虚拟图像VB是由显示元件11显示的图像的放大图。在此象征性地展示速度极限、当前车速以及导航指令。只要观察者5的眼睛处于由矩形所指示的眼动范围6之内，虚拟图像VB的所有元素就均可以被观察者5看到。如果观察者5的眼睛处于眼动范围6之外，那么虚拟图像VB对于观察者5而言只能部分地被看到或者甚至无法被看到。眼动范围6越大，观察者在选择其就座位置时所受的限制就越小。

曲面镜121的曲率与挡风玻璃40的曲率相匹配并且确保在整个眼动范围6上的图像畸变稳定。曲面镜121借助于支承件122被可旋转地支承。曲面镜121的由此可被实现的旋转能够使眼动范围6移位并且因此能够使眼动范围6的位置与观察者5的位置相匹配。折叠镜120用于使得在显示元件11与曲面镜121之间射束SB1所经过的路径较长并且同时光学单元12仍然紧凑。藉由具有透明盖板14的壳体13将成像单元10和光学单元12与周围环境隔离。因此保护光学单元12的光学元件例如不受车辆内部空间内的灰尘影响。遮光件15用于可靠地吸收被反射到盖板14的界面上的光，从而不会引起观察者眩目。除了阳光SL之外，其他干扰光源16的光也可能传递至显示元件11。

图2至图4示出了用于放大出射光瞳的光波导3的工作原理。针对三个不同的像素位置分别展示了从成像单元10的像素发出的光L1的走向。仅示意性地示出了成像单元10。光L1借助于耦合全息图31耦合到光波导3中，并且由于在光波导3的界面32处的全反射而沿光波导3传播。在经过光波导3的耦出全息图30时，光的一部分相应从光波导3中耦出。一部分耦出的光L2被观察者5的眼睛捕获并且可以因此被观察者5感知到。观察者5的眼睛仅示意性地示出。如图2至图4可以看出，从不同的像素位置发出的光L1在观察者5的眼睛的不同位置处成像，因此观察者5感知到图像。在图2中，示意性地以光栅结构形式示出了耦出全息图30在不同的位置P1-P3的设计方案。如可以看出，耦出全息图30在所有位置P1-P3处的设计方案是相同的。

图5示出了根据本发明的显示设备1的工作原理。示出了从投影仪2发出的光L1的走向。投影仪2仅示意性地示出并且在该示例中包括光源18、例如激光器，以及可移动的镜17、例如微机电***。光L1借助于耦合全息图31耦合到光波导3中，并且由于在光波导3的界面32处的全反射而沿光波导3传播。在经过光波导3的耦出全息图30时，光的一部分相应从光波导3中耦出。然而，在耦出全息图30中集成了透镜功能。透镜功能确保耦出的光L2在图像平面BE中生成真实图像B，该真实图像可以由投影光学器件进一步处理。在透镜功能被设计成焦距为负时，还可以替代性地生成虚拟图像B。在此，光波导3可以具有用于不同波长的光的两个或更多个子光波导。于是，子光波导中的透镜功能与相应的波长和波导与图像B的相对定位相适配。在图5中示意性地以光栅结构形式针对耦出全息图30的不同的位置P1-P3示出了透镜功能所需的耦出全息图30的设计方案。如可以看出，可以改变耦出全息图30在光波导的表面上的设计方案。耦出全息图30的所需的结构例如可以由计算机辅助方式计算，并且随后以已知的方法写入光波导3。同样可以实现，在曝光全息层时使用对应于期望的透镜功能的物体波。光波导3可以相对于图像平面BE倾斜。这可以实现将镜后反射重新定向到光阱中，从而避免由入射的干扰光引起的干扰效应。

图6示意性地示出了具有根据本发明的显示设备1的平视显示器。平视显示器与图1中示出的平视显示器基本一致。然而在这种情况下，根据本发明的显示设备1的图像平面BE位于图1中显示元件的位置。仅示意性地展示了显示设备1的光波导3和投影仪2。在该示例中，投影仪2包括光源18和可移动的镜17。在图像平面BE中生成的图像B由光学单元12进一步处理，使得最终再次在引擎盖上方或机动车辆前方生成虚拟图像VB。

图7示意性地示出了使用根据本发明的显示设备1的运输工具100。在该示例中，运输工具100是机动车辆。机动车辆具有根据本发明的显示设备1，在该示例中，该显示设备是平视显示器的组成部分。利用传感装置101可以采集车辆周围环境的数据。传感装置101尤其可以包括用于环境感知的传感器，例如超声波传感器、激光扫描仪、雷达传感器、激光雷达传感器或摄像头。由传感装置101采集到的信息可以用于生成显示设备1上要显示的内容。在该示例中，机动车辆的其他组成部分包括可以提供位置信息的导航***102以及数据传输单元103。借助于数据传输单元103，例如可以建立与后端的连接，以便例如获取用于机动车辆的部件的最新的软件。为了存储数据，存在存储器104。机动车辆的各个部件之间的数据交换通过网络105来进行。

附图标记列表

1 显示设备

2 投影仪

3 波导

30 耦出全息图

31 耦合全息图

32 界面

4 镜单元

40 挡风玻璃

5 观察者

6 眼动范围

10 成像单元

11 显示元件

12 光学单元

120 折叠镜

121 曲面镜

122 支承件

13 壳体

14 盖板

15 遮光件

16 干扰光源

17 镜

18 光源

100 运输工具

101 传感装置

102 导航***

103 数据传输单元

104 存储器

105 网络

B 图像

BE 图像平面

L1，L2 光

P1，P2，P3 位置

SB1，SB2 射束

SL 阳光

VB 虚拟图像

Claims (10)

1.一种显示设备(1)，所述显示设备具有：

-投影仪(2)，所述投影仪用于生成携带图像信息的光(L1)；

-用于提高集光率的光波导(3)，所述光(L1)耦合到所述光波导中，其中，所述光波导(3)具有耦出全息图(30)，在所述耦出全息图中集成有用于在图像平面(BE)中生成真实或虚拟图像(B)的透镜功能。

2.根据权利要求1所述的显示设备(1)，其中，所述光波导(3)被设计成扩展出射光瞳。

3.根据权利要求1或2所述的显示设备(1)，其中，所述透镜功能被设计成焦距为负。

4.根据前述权利要求中任一项所述的显示设备(1)，其中，所述光波导(3)相对于所述图像平面(BE)倾斜。

5.根据前述权利要求中任一项所述的显示设备(1)，其中，所述投影仪(2)是激光投影仪。

6.根据权利要求5所述的显示设备(1)，其中，所述激光投影仪是扫描激光投影仪或衍射激光投影仪。

7.根据权利要求5或6所述的显示设备(1)，其中，所述光波导(3)具有用于不同波长的光的两个或更多个子光波导。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的显示设备(1)，其中，所述显示设备(1)是平视显示器的组成部分。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的显示设备(1)，其中，所述显示设备(1)是监视器的组成部分。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的显示设备(1)，其中，所述显示设备(1)是广告牌的组成部分。