平视显示器的制作方法

本发明涉及显示技术。特别地，本发明涉及能够在至少部分透明的图像表面上呈现图像的平视显示器(hud)等光学设备。

背景技术：

平视显示器用于例如在车辆驾驶员的自然视线、即通常在挡风玻璃上或挡风玻璃前为车辆驾驶员呈现信息(下文中称为图像)。

kr100820898b1、us2014/043689a1、wo2015/145119a1、us2016/274356a1和us8830588b1讨论了用于平视显示器和增强现实显示器的一些已知图像投影技术。

第一类型的hud包括单独的图像元件、比如衍射波导，该单独的图像元件大致竖向地设置在用户的眼睛与挡风玻璃之间，并且图像是通过从图像元件直接耦合至用户的眼睛来呈现的。这种类型的缺点是，图像元件对于用户是可见的。

第二类型的hud包括直接图像投影仪，该直接图像投影仪设置在挡风玻璃下方并且能够将图像投影至挡风玻璃，图像从挡风玻璃进一步被反射到用户的眼睛。实现这种hud类型的大视场(fov)需要相对较大的投影仪，而这些相对较大的投影仪难以配合在车辆的仪表板中。

第三类型的hud包括大致水平设置的波导，该波导本身隐藏于用户的视线之外。使用合适的图像源将图像耦合至波导，并且还经由挡风玻璃将该图像从耦合至用户眼睛的波导中耦合出。这些hud遭遇的事实是，挡风玻璃通常是弯曲的，从而对图像产生明显的光学像差。因此，即使在波导上完美成形的图像在用户看来也是失真的。因此，需要改进的hud。

技术实现要素：

本发明的目的是克服至少某些上述问题。特别地，目的是提供一种上述第三类型的hud，该hud允许校正挡风玻璃引起的图像像差。

另一目的是提供一种允许使显示器的fov和/或眼箱增大的hud。

在第一方面，提供了一种用于将图像投影在图像表面的平视显示设备。该设备包括能够对携带待显示图像的光进行要引导的波导以及光学校正元件。根据本发明，波导被配置成将在该波导中传播的光朝向光学校正元件耦合，并且光学校正元件还被配置成对所述光执行光学功能并且将光引导成穿过波导而朝向图像表面。

根据第二方面，提供了一种车辆，该车辆包括如本文中描述的平视显示器、以及用作显示设备的图像表面的非平面窗元件、特别是非平面挡风玻璃。光学校正元件被配置成校正由非平面窗元件引起的图像失真。

根据第三方面，提供了一种在平视显示器中形成图像的方法，该方法包括

-将携带图像的光耦合到波导中，

-将从波导传出的光朝向设置在波导的第一主侧上的光学校正元件耦合，

-在光学校正元件处对光执行光学功能，以及

-将光引导成穿过波导而朝向图像表面，该图像表面位于波导的与第一主侧相反的第二主侧上。

特别地，本发明的特征在于独立权利要求中所述的内容。

本发明提供了明显的好处。首先，本发明允许对图像表面、比如弯曲的挡风玻璃的光学失真进行校正。整个图像的投影和校正可以在很小的空间内完成，而无需对用户可见的设备。光学校正元件可以位于非常靠近光导的位置，由此该设备很薄。

本发明、即光学校正元件还允许使fov和/或眼箱增大，同时校正光学失真，而无需附加的光学部件。

使用如下实施方式可以实现特别的好处：在该实施方式中，使用偏振敏感式光学元件来防止未校正的光朝向图像表面直接出耦合，同时变换经oce校正的光场使得该光可以传递至图像表面。

从属权利要求涉及本发明的选定实施方式。

在一些实施方式中，波导包括两个主表面，由此光学校正元件定位成面向波导的第一主表面，并且波导的与第一主表面相反的第二主表面指向图像表面。这种平坦的几何形状允许生产非常薄的显示设备。

在一些实施方式中，设置了四分之一波片，该四分之一波片能够改变光的偏振，并且设置在波导与光学校正元件之间使得上述光穿过四分之一波片两次。这允许利用光的偏振，使得所有的光有效地到达光学校正元件并且没有光直接泄漏至图像表面。因此，防止出现重影图像等不期望的效果。

在一些实施方式中，该设备包括设置在波导与图像表面之间的偏振滤光器、比如偏振板或线栅。偏振滤光器确保不会发生光朝向图像表面直接出耦合。

如果利用偏振，则最初向波导提供光的入耦合装置适于产生偏振光，或者在波导本身内或波导上方设置有偏振器。在任何情况下，偏振滤光器被配置成使相比于从光导中耦合出的光的偏振方向相反地偏振的光通过。

光学校正元件可以是诸如曲面镜、自由形式的镜子或菲涅耳镜之类的镜子。但是，也可以使用比如棱镜的具有光学功能的其他种类的部件或多个光学元件的组合。

在一些实施方式中，光学校正元件被配置成执行以下光学功能：对如用户所见的由弯曲的图像表面所引起的图像失真进行校正。这表示，至少部分失真、优选地是基本上全部失真被移除。因此，例如在入耦合的图像与显示图像之间保持了图像形状。

波导可以是衍射波导、即出耦合以及可选的入耦合是基于光衍射的衍射波导。但是，还存在其他选项可用。衍射光栅可以是一维周期性或双周期性光栅。

接下来，参照附图更详细地讨论本发明的选定实施方式以及所选定实施方式的优点。

附图说明

图1示出了根据一个实施方式的本平视显示设备的示意图。

图2示出了根据一个实施方式的包括平视显示器的汽车的截面图。

图3示出了根据一个实施方式的本方法的示意性流程图。

具体实施方式

在图1的布置结构中，提供了弯曲的挡风玻璃10和设置在挡风玻璃10下方的hud设备11。hud设备11包括具有两个主表面12a、12b的波导12。在第一(下)表面12a的一侧上设置有光学校正元件(oce)14，在这种情况下，该oce14是曲面镜。

波导12被配置成经由全内反射(tir)在波导内部横向地引导光线19a，并且被配置成将光线19b朝向oce14耦合出。例如，可以使用在波导12的内部或者在波导12的一个或两个表面上的衍射光栅(未示出)来实现出耦合，但是其他基于微结构的出耦合装置或其他方式也是可能的。

同样地，可以使用定位在波导12中或定位在波导12的主表面上的衍射入耦合光栅或通过其他方式、比如从波导的侧面将光线19b耦合到波导12中。

除耦入光栅和/或耦合出光栅以外，或者代替耦入光栅和/或耦合出光栅，波导和/或与波导关联的图像投影设备可以包括其他衍射或非衍射光学元件或与其他衍射或非衍射光学元件光学连接，其他衍射或非衍射光学元件比如为出射光瞳扩展器元件、引导光栅、反射镜、棱镜、滤光器、偏振片和/或透镜，这些光学元件有助于在波导之前或波导之内成形光场或光特性。

oce14相对于波导成形并定位成使得从波导12耦合出来的光线19b作为反射光线19b再次被导向波导12。波导被配置成使反射光线19b穿过波导并且进一步朝向挡风玻璃10。

通常相对于波导12倾斜的挡风玻璃10进一步将光线19d朝向车辆内部的用户的眼睛20反射。

oce14的光学功能(例如，常规镜子的形状)与挡风玻璃的光学功能(形状)相匹配，使得由挡风玻璃10引起的像差至少一定程度上被补偿。特别地，该补偿可以使得为用户产生基本上未失真的图像。

在一个有利的实施方式中，采用光偏振来防止光从波导12直接出耦合至挡风玻璃10。还如图1中所示，可以在波导12的上方(在第二表面12b上)设置偏振滤光器15，该偏振滤光器15适于使偏振光、即例如te偏振光选择性地通过。如果传播到波导12内部的光19a是tm偏振的，则光19a将不会直接穿过滤光器15。

偏振滤光器15在本文中是与波导12平行的。偏振滤光器15可以设置在波导12的第二主表面12b上或可以与波导12的第二主表面12b相距一距离。

为了确保已经到达oce14的光19c能够穿过直至挡风玻璃10，设置有四分之一波片13。在当前所示的几何形状中，光穿过该四分之一波片13两次，第一次是光离开波导12至oce14时，第二次是在oce之后并且在穿过波导12之前。每次发生偏振特性的改变，其中，tm偏振的总效果改变为te偏振，te偏振可以穿过滤光器15。

四分之一波片13在本文中是与波导12平行的。四分之一波片13可以直接设置在波导12的第一主表面12a上或可以与波导12的第一主表面12a相距一距离。

因此，同时实现了防止光学上未校正的光穿过至挡风玻璃10和校正穿过至挡风玻璃的光场这两个目标。

偏振滤光器15可以是任何类型的偏振敏感式滤光器。在一个有利的实施方式中，使用非吸收式滤光器、比如线栅偏振器。因为有效地将所有光线都出耦合至oce14，所以非吸收式滤光器可以使设备的效率最大化。四分之一波片本身也是已知的。

四分之一波片13和偏振滤光器15的特性是根据显示器中使用的光的波长和偏振特性来选择的。

除了本文所详细描述的偏振滤光器和波片布置结构，还可以使用其他类型的偏振滤光器和波片布置结构来实现所期望的效果。

在一些实施方式中，oce14被配置成不仅补偿由图像表面引起的失真，而且还扩展显示器的视场(fov)(与相同几何形状的具有识别功能的oce相比)。

在一些实施方式中，oce14被配置成不仅补偿由图像表面引起的失真，并且可选地增加fov，而且还扩展了显示器的眼箱(与相同几何形状的具有识别功能的oce相比)。

所使用的光导的直径可以是例如100mm至450mm。

由于利用oce可以来扩展fov和/或眼箱，因此光导12的直径可以减小至例如100mm至300mm，例如光导12的直径减小至150mm至200mm仍然保持较大的图像尺寸和良好的用户体验。

图2示出了包括挡风玻璃10和仪表板110的汽车100。显示设备水平地安装在仪表板110中，以便经由挡风玻璃10为驾驶员提供图像。

图3示出了本方法的一个实施方式。在步骤30中，将偏振光提供到平面波导中。在步骤21中，使用偏振滤光器以允许出耦合到第一方向中并且防止出耦合到第二方向。在步骤32中，校正/改变光场和出耦合至第一方向的光的偏振，以补偿图像表面的失真并且“准备”光以通过偏振滤光器。在步骤33中，经校正和偏振改变后的光被允许穿过波导和波导上的偏振滤光器。最后，在步骤34中，已经穿过波导的光从弯曲的图像表面反射至用户的眼睛。

可以在权利要求的范围内自由组合本发明的各个方面和实施方式。