带有光传感器的显示器的制作方法

1.本发明涉及显示器，尤其涉及抬头显示器。
2.更具体地，本发明涉及一种显示器，其包括：
3.外壳，
4.光导，位于显示器的外壳内，包括彼此相对并且通过侧壁彼此连接的入光面和出光面，所述光导被成形为：一方面通过其入光面收集来自显示器的外壳外部的光辐射，另一方面将所述光辐射引导至其出光面，
5.光传感器，布置在所述外壳内，在光导的出光面的后面，适于传送代表其接收的光强的信号，以及
6.图像生成单元，适于生成至少一个图像。
7.本发明的特别有利的应用是作为机动车辆中的抬头显示器。


背景技术：

8.对于机动车辆的驾驶员来说，在不必将视线从车辆前方的道路上移开的情况下查看与车辆运行、交通状况等相关的信息是特别有帮助的。
9.为此，已知的实践是给机动车辆配备“抬头显示器”，抬头显示器中提供图像生成单元以生成包括待显示的信息的虚拟图像，并且提供光学投影组件以在位于驾驶员前方的部分透明板的方向上投影所生成的图像，以便在视觉上将所生成的虚拟图像叠加在车辆前方的环境上。
10.为了使以这种方式显示的信息足够明亮，以便驾驶员能够正确地观看而不会有使它们刺眼的风险，有必要使虚拟图像的亮度与环境的环境亮度相匹配，环境亮度在白天驾驶和晚上驾驶或通过隧道之间变化很大。
11.为此，已知的实践是使用如初步描述的显示器，其中光传感器被布置在显示器外壳内，位于光导后部。
12.这种被设计成根据环境亮度来调节虚拟图像的亮度的显示器考虑了机动车辆前方的整个环境的亮度，而不仅仅是位于虚拟图像周围的较小环境区域的亮度，使得由这种显示器显示的虚拟图像的亮度可能仍然不合适。


技术实现要素：

13.为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种显示器，该显示器被设计成将待投影的虚拟图像的亮度调节为与其重叠的附近环境的亮度。
14.更具体地，根据本发明提出的是如引言中所述的显示器，其中光导的侧壁被成形为使得从延伸超过感兴趣区域的角度区域进入光导的至少一些杂散光辐射离开所述光导而不到达光导的出光面。
15.因此，光导消除了来自距离投影的虚拟图像的区域太远的区域的光辐射，使得它不会干扰待投影的虚拟图像的亮度的调节。
16.根据本发明的显示器的其他非限制性的和有利的特征，单独或以任何技术上可能的组合来看，如下：
17.根据光传感器传送的信号来控制图像生成单元生成的图像的亮度；
18.提供了一种光学投影组件，其适于在不同于所述光导的部分透明板的方向上传输由图像生成单元生成的图像，以便在用户的视野中形成虚拟图像；
19.感兴趣区域大致位于形成所述虚拟图像的方向上；
20.光导的侧壁包括至少一个倾斜表面，杂散光辐射通过该倾斜表面透射出光导；
21.该倾斜表面在光导的入光面方向上定向；
22.光导的侧壁相对于在光导的入光面和出光面之间延伸的垂直平面是整体对称的；
23.光导总体上是圆锥形的；
24.光导的入光面由弯曲的屈光镜形成。
25.根据显示器的第一配置，侧壁的倾斜表面由至少一个平坦分面形成。
26.在该第一配置中，还设想：光导的侧壁包括沿着光导的延伸主轴的多个分面，沿着所述延伸主轴的两个相邻分面至少基本上彼此平行。
27.根据显示器的第二配置，侧壁的倾斜表面由围绕侧壁的整个周界延伸的截头圆锥体形成。
28.在该第二配置中，可以设想：光导的侧壁包括沿着光导的延伸主轴的多个截头圆锥体，所述多个截头圆锥体彼此同心。
29.不管其配置如何，显示器的另一个有利特征是，每个倾斜表面被定向成相对于光导的横截面形成30度至60度之间的角度。倾斜表面的这种特殊倾斜使得可以有效地消除杂散光辐射，因为该杂散光辐射与所述倾斜表面接触的入射角越接近0度，杂散光辐射从光导出射的透射效率就越高。
30.不管其配置如何，显示器的另一个有利特征是光导的入光面是倾斜的，以便面向外壳的底部。入光面的这种特殊定向适于通过折射来偏转来自感兴趣区域的光辐射，以便在所述光导的出光面的方向上将其耦合到光导中。
附图说明
31.以下参考附图的描述是作为非限制性示例提供的，将有助于理解本发明以及如何实施本发明。
32.附图中：
33.图1是实现本发明的教导的显示器的示意性垂直截面侧视图；
34.图2是图1中区域ii的示意性详细视图；
35.图3是图1中显示器的光导的第一实施例的总体示意图；以及
36.图4是图3中光导的示意性水平截面图，在其后面设置光传感器。
37.图4还示出了图1中显示器的光导的第二实施例的水平截面图。
具体实施方式
38.图1示意性地示出了显示器1的主要元件，显示器1在此是抬头显示器，其用于安装到车辆上，例如安装到机动车辆、火车、诸如驳船的船、电车或公共汽车上。
39.在说明书的其他部分中，将更具体地描述安装在机动车辆上的抬头显示器。按照惯例，术语“上”和“下”将指代元件相对于所述机动车辆的垂直方向而在机动车辆中的位置。元件的下部指该元件位于车辆地板侧的部分，上部指该元件位于车辆顶侧的部分。
40.显示器1更具体地包括图像生成单元20，该图像生成单元20包括例如照亮薄膜晶体管(tft)液晶显示器(lcd)的背光装置。
41.在此，显示器1还包括光学投影组件，该光学投影组件适于在部分透明板70的方向上投影由图像生成单元20生成的图像，以便利用该部分透明板在用户的视野中形成虚拟图像imv。虚拟图像imv重现了以图像生成单元20的级别生成的图像。
42.因此，可以在用户的视野中显示信息而无需用户转移视线。在实践中，该用户在此为车辆的驾驶员。
43.如图1所示，在此，光学投影组件包括折叠反射镜60。作为变型，它可以包括多个反射镜和/或其他光学元件。
44.部分透明板70由组合件形成，也就是说，在此是布置在车辆的挡风玻璃2和驾驶员的眼睛3之间的、薄的、部分透明的板。
45.作为变型，可以使光学投影组件直接将图像生成单元生成的图像投影到车辆挡风玻璃的方向上，然后省略前述组合件。在这种情况下，部分透明板由车辆的挡风玻璃本身形成。
46.术语“部分透明板”在这里指的是在完全透明的板和完全不透明的板之间表现出一定透明度的板。
47.除了部分透明之外，该板是部分反射的，因此使得图像生成单元20产生的光的至少一部分可在用户的方向上返回，如图1示意性所示。
48.由折叠反射镜60和部分透明板70在驾驶员视野中形成的虚拟图像imv相对于部分透明板70位于驾驶员对面，例如位于部分透明板70前面几米处，术语“前”和“后”是关于机动车辆的前部和后部定义的。
49.在此，对于车辆的驾驶员来说，在车辆前方的道路环境内形成虚拟图像imv。因此，这个虚拟图像imv在视觉上是叠加在这个环境上的。
50.图1中通过箭头f1示意性地表示形成虚拟图像imv的方向，即：虚拟图像imv相对于显示器1所处的方向。
51.显示器1还包括外壳10，图像生成单元20和折叠反射镜60容纳在外壳10中。
52.术语“内部”和“外部”是相对于外壳10定义的。因此，“内部”元件是指布置在外壳10内的元件，而术语“外部”元件是指布置在外壳10外的元件。
53.在图1中部分示出的外壳10从用户的角度屏蔽了容纳在外壳10中的显示器1的元件，由于这一点，显示器1的外观是均匀的。外壳10还保护这些元件、特别是保护光学元件免受如灰尘颗粒或水的异物的影响。
54.外壳10呈大致平行六面体形状，由不透光的壁形成，其将外壳10的内部int与其外部隔开。更准确地说，外壳10包括底壁(在图中不可见)，侧壁从该底壁升起，该侧壁包括成对相对的四个分面13、14(见图1)。在操作位置中，外壳10通过位于部分透明板70侧的上壁11与底壁相对地封闭。
55.在此，上壁11总体上是平坦的。上壁11穿孔有开口18(见图1和2)，其允许折叠反射
镜60从外壳10的内部在处于操作位置的部分透明板70的方向上投射虚拟图像imv，也就是说，部分透明板70布置在外壳10外，位于驾驶员的眼睛3和车辆的挡风玻璃2之间。
56.如图1和图2所示，在此，外壳10在开口18的高度处包括从上壁11向外壳10的底壁方向向后延伸的凹槽100。更具体地说，凹槽100由外壳10的四个构件15界定，四个构件15与开口18邻接并朝向外壳10的底壁延伸。构件15是不透光的，并且防止除了用于形成虚拟图像imv之外的杂散光辐射从显示器1的外壳10逸出。
57.在操作位置中，在此为组合件形式的部分透明板70相对于上壁11伸出外壳10。可选地，可以设想：组合件被安装成相对于外壳10在其操作位置和缩回位置之间移动，在该缩回位置，组合件被容纳在外壳内。
58.显示器1还包括光传感器30，例如光电二极管或光电晶体管，其适于传递代表其接收的光强的信号并且被布置成接收源自显示器1外部的光辐射。
59.显示器1被设计成使得由图像生成单元20生成的图像的亮度是根据由光传感器30传递的信号来控制的。
60.因此，所生成的图像的亮度可以与通过传感器30测得的环境亮度相匹配，这使得可确保虚拟图像imv即使在变化的环境亮度下也是可见的。
61.更具体地，显示器1在此被设计成使得所生成的图像的亮度随着由所述传感器30接收的光强而增加。
62.为此，显示器1在此包括控制单元40，该控制单元40被编程为根据由该传感器30传递的信号来控制由图像生成单元20生成的图像的亮度。在这种情况下，控制单元40被编程为控制所生成的图像的亮度，使得该亮度随着由所述传感器30接收的光强而增加。
63.为了以这种方式匹配所生成图像的亮度，在此设想：控制向图像生成单元20的背光设备供电的电流或电压的平均幅值。
64.在此，更具体地，控制单元40被编程为调制向图像生成单元20的背光装置供电的电流的脉冲宽度，使得该电流的平均强度(随时间)随着传感器30测得的光强而增加。
65.由传感器30测得的光强和施加到背光设备上的电流的相应平均强度之间的关系例如以查找表的形式存储在控制单元40的存储器中。
66.作为变型，可以省略控制单元，然后通过显示器外部的电子模块，以与上述类似的方式控制图像生成单元。
67.如图1和2所示，光传感器30也容纳在显示器1的外壳10中。在此，更准确地说，光传感器30位于外壳的内部int中，在外壳10的上壁11附近，并且在界定凹槽100的其中一个构件15附近。在此，传感器30的传感表面近似垂直于外壳10的上壁11而延伸，并且同时总体上面向该部分透明板70。
68.光传感器30固定安装在印刷电路支撑板(未示出)上。为了允许在显示器内以更大的自由度定位光传感器30，在此，该印刷电路支撑板不同于显示器的另一个主印刷电路支撑板，其通过电缆连接到该主印刷电路支撑板。显示器的主印刷电路支撑板例如用于安装控制单元40和/或用于安装生成向图像产生单元20供电的电流(在此是脉宽调制的)所需的电子部件。由光传感器30传递的信号通过上述电连接传输到主印刷电路支撑板。
69.显示器1还包括位于显示器1的外壳10的内部int内的光导50，以便将传感器30连接到外壳10的外部。
70.如图3和4所示，光导50更精确地包括彼此相对并且通过侧壁52彼此连接的入光面51和出光面53。光导50被成形为：一方面经由其入光面51收集来自显示器1的外壳10外部的光辐射，另一方面将所述光辐射引导至其出光面53，光传感器30位于该出光面53的后面。
71.在此，光导50不同于部分透明板70并与之分离。这防止了由图像生成单元20发射并穿过部分透明板70或被其反射的光到达光传感器30。这种布置特别有利，因为如果由图像生成单元20发射的光的一部分到达光传感器30，这将干扰由该传感器30进行的环境亮度测量。
72.该光导50有利地允许将光传感器30放置在显示器1的外壳的内部int内，但不使该外壳的内部int对驾驶员可见，这在显示器1的外观方面是特别有利的。
73.光导50还允许有效地收集源自显示器外壳10外部的光辐射，该光辐射的光强由光传感器30测量。
74.光导50在此特别成形为使得设计为经由其入光面51收集的光辐射来自感兴趣区域z1，该感兴趣区域z1大致位于形成虚拟图像imv的方向上。
75.感兴趣区域z1相对于显示器1所处的方向由图1中的箭头f2表示。该方向接近形成所述虚拟图像imv的方向。
76.然而，感兴趣区域z1可相对于虚拟图像imv稍微有角度地偏移，例如，偏移的角度在车辆的纵向垂直平面中介于0度和45度之间。
77.因为感兴趣区域z1所处的方向接近于形成虚拟图像imv的方向，所以对于驾驶员来说，感兴趣区域z1在视觉上位于虚拟图像imv附近。在此，例如，从视觉角度来看，在驾驶员的视野中，感兴趣区域z1位于虚拟图像imv的稍上方(如图1示意性所示)。
78.因此，当驾驶员在所述虚拟图像imv的方向上查看时，他们会感觉到来自该感兴趣区域z1的光。
79.借助于光导50，从该感兴趣区域z1产生的光辐射的至少一部分到达光传感器30。因此，虚拟图像imv的亮度是根据感兴趣区域z1的亮度来调整的，该感兴趣区域z1在视觉上位于该图像imv的附近。这确保了虚拟图像imv对驾驶员的最佳可视性。
80.可选地，还可以设想，感兴趣区域z1不仅位于接近形成虚拟图像imv的方向的方向上，而且该感兴趣区域z1还围绕所述虚拟图像imv。换句话说，可以设想：感兴趣区域z1位于驾驶员前方的环境中，在虚拟图像imv的周围。
81.为了选择性地收集来自感兴趣区域z1的光辐射，光导50特别合适地定位在外壳10中。
82.在此，光导50的入光面51位于外壳10的上壁11中形成的开口18附近。
83.更具体地，如图2中可见，光导50的入光面51位于凹槽100中，正好在外壳10的上壁11的下方。
84.在界定外壳10的凹槽100的其中一个构件15中，特别是在整体面向部分透明板70的构件15中，形成第二开口16。光导50的入光面51位于该第二开口16的高度处，使得该入光面51与该构件15的外表面齐平。
85.因此，光导50的入光面51至少部分地被外壳10的上壁11遮蔽，不受显示器1周围的整体垂直的光辐射的影响。
86.为了进一步加强这种效果，可以设想，类似于在此所述的，位于光导50的入光面51
上方的上壁11延伸至悬于所述入光面51之上(见图2)。因此，该上壁11部分地遮蔽了入光面51，使其免受前述整体垂直的光辐射的影响。
87.然后，从光学角度来看，光导50的入光面51被特别合适地定位，以用于收集源自接近于形成虚拟图像imv的方向的光，并且同时最佳地屏蔽其它光辐射。
88.然后，在该配置中，光导50的入光面51相对于部分透明板70位于与虚拟图像imv相反的一侧。
89.在此，光导50呈大致圆锥形，并且延伸主轴x连接入光面51的中心和出光面53的中心。出光面53的直径大于入光面51的直径。
90.光导50例如是通过将诸如透明聚碳酸酯或透明聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)的透明塑料材料注射到模具中而制得的。
91.在此，光导50的入光面51以这样的方式定向，即：通过折射，使来自感兴趣区域z1的光辐射偏转，从而将其耦合到光导50中。换句话说，在此，光导50的入光面51以这样的方式定向，即：通过折射来改变该光辐射的平均传播方向，使得其在光导50中与由传播路径c限定的传播方向一致。传播路径c是来自感兴趣区域z1的光辐射经由光导的入光面51进入光导50并经由位于光传感器30对面的光导的出光面53出射所遵循的平均传播路径。在此，传播路径c近似为遵循直线行进的，平行于外壳10的上壁l1。换句话说，传播路径c与光导50的延伸主轴x重合。
92.因此，光导的入光面51在此以这样的方式定向，即：其通过在光传感器30的方向上折射来偏转从所述感兴趣区域z1产生的光辐射。
93.这种折射引起的偏转是通过入光面51相对于感兴趣区域z1所在的方向适当倾斜来实现的。更准确地说，在此，光导50的入光面51相对于机动车辆的横向垂直平面倾斜，以便面向外壳10的底壁。因此，光导50在其入光面51的高度处呈斜面形状(见图2和3)。特别地，入光面51相对于由传播路径c限定的方向倾斜定向(在光导的入光面51的高度处)。换句话说，光导50的入射面51的平均平面的法线与传播路径c形成非零角度。
94.然后，入光面51的平均平面形成小于90度的锐角，并且外壳10的上表面11悬于其上。
95.在一个变型中(未示出)，可以设想：当从入光面看时，光导的入光面近似垂直于感兴趣区域z1所在的方向，而不是如上述实施例中那样相对于该方向倾斜定向。根据该变型，当进入光导时，从感兴趣区域z1发出的光平均而言不会被偏转。然后，在该变型的上下文中，传播路径从光导的入光面沿基本平行于当从光导的入光面看时感兴趣区域所在的方向延伸。
96.还可以设想：光导50的入光面51是弯曲的，以便增加光导50的收集选择性和有效性。入光面51尤其可以是凸起的。
97.在此，入光面51由弯曲的屈光镜形成，也就是说，该屈光镜的至少一个面具有非零曲率半径。优选地，形成光导50的入光面51的屈光镜从光导50向外弯曲。为了增强进入光导50的光辐射的收集，在光传感器30的方向上，传感器30有利地布置在光导50的出光面53的后面。
98.光导50的出光面53大致是平坦的，并且正交于传播路径c和外壳10的上壁11。在此，光导50的出光面53与光传感器30分离，在传感器30和出光面53之间提供了窄间隙。光导
50和传感器30之间的这种分离布置有利地防止振动或机械应力在光导50和传感器30之间的传递。
99.光导50的侧壁52将入光面51连接至出光面53，该侧壁52执行将来自感兴趣区域z1的光辐射从入光面51引导至出光面53的功能。特别地，侧壁52将光辐射引导至传感器30，该光辐射与光导50的延伸主轴x形成小角度，也就是说，小于极限角度的角度，特别是在水平面中。该极限角度是根据感兴趣区域z1的角度大小而预先确定的。该极限角度例如被选择为等于30度+/
‑
15度，特别是在水平面中。这种引导功能由来自感兴趣区域z1的、由入光面51收集的光辐射的内部反射提供。为此，侧壁52的内表面被抛光。光导50的入光面51和出光面53也被抛光。
100.光导50进一步防止来自除感兴趣区域z1之外的外部环境区域的光到达光传感器30。
101.为此，以值得注意的方式，显示器1的光导50的侧壁52被成形为使得从延伸超出感兴趣区域z1的角度区域进入光导的至少一些杂散光辐射离开所述光导50、但不到达该光导50的出光面53。换句话说，侧壁52被成形为从光导50中消除至少一些从延伸超过感兴趣区域z1的角度区域进入光导的杂散光辐射。
102.换句话说，侧壁52被设置成防止与光导的延伸主轴x形成大于所述预定极限角度的角度的光辐射到达光导50的出光面53。
103.例如，光导50的侧壁52适于消除来自水平面内相对于光导的延伸主轴x呈30
°
和90
°
之间的角度区域的杂散光辐射，该角度区域位于虚拟图像imv的任一侧。
104.侧壁52有利地包括至少一个倾斜表面54；84，并且杂散光辐射与其相互作用，使得该光辐射离开光导而不到达所述光导的出光面53。更准确地说，杂散光辐射通过倾斜表面54；84的透射而离开光导50。
105.由此，倾斜表面54；84防止这种杂散光辐射在光导50内朝着光导的出光面53的方向反射。因此，这种杂散光辐射永远不会到达传感器30。
106.实际上，如图3和4所示，倾斜表面在此由平坦分面54形成。其在光导50的入光面51的方向上定向(见图4)。有利地，分面54被定向成与由光导50的横截面t形成的平面形成30度至60度之间的角度a。光导50的侧壁52还包括横向分面56，横向分面56垂直于光导50的延伸主轴x而延伸，并将分面54连接到侧壁52的其余部分。
107.分面54的特定倾斜使得能够有效地消除杂散光辐射，因为随着杂散光辐射接触所述分面54的入射角越接近0度(也就是说，几乎平行于所述分面54的法线n)，杂散光辐射从光导50出射时的透射效率就越高。在此，当杂散光辐射以与分面54的法线n成0度到30度之间的入射角接触该分面54时，透射被视为是有效的。
108.垂直于光导50的延伸主轴x的横向分面56的这种定向，就其本身而言，防止了通过分面54透射而消除的、并且可能被该分面54稍微偏转的杂散光辐射能够再次进入光导50。
109.在此，如图3和4所示，光导50的侧壁52更精确地包括沿着光导50的延伸主轴x的多个分面54，沿着所述延伸主轴x的两个相邻分面54基本上彼此平行。两个相邻的分面54尤其可以是平行的，也就是说，它们各自的法线n是相互平行的。这使得能够更有效地消除容易在不同位置接触光导50的侧壁52的杂散光辐射。
110.此外，光导50的侧壁52相对于在光导50的入光面51和出光面53之间延伸并穿过所
述光导50的延伸主轴x的垂直平面是整体对称的。换句话说，分面54在光导50的延伸主轴x的任一侧上对称。因此，侧壁52适于有效地消除来自感兴趣区域z1每一侧的杂散光辐射。
111.因此，光导50的侧壁52在此包括多个分面54，这些分面布置在光导50的延伸主轴x的任一侧，位于所述光导50的多个横截面的高度处(参见图4)。
112.光导50的侧壁52特别包括六个分面54，三个分面54布置在延伸主轴x的一侧，另外三个分面54位于另一侧。
113.根据显示器1的另一配置，可以使用光导80的第二实施例，将仅描述其相对于上述光导50的第一实施例的区别。光导80的第二实施例在图4中以水平截面示出。根据光导80的该第二实施例，提供了光导80的侧壁52的倾斜表面，这使得可以消除由该光导80的入光面51进入的杂散光辐射，该倾斜表面由在光导80的横截面t中围绕光导80的整个周界延伸的截头圆锥体84形成。该截头圆锥体84有利地使得消除来自感兴趣区域z1周围的杂散光辐射成为可能。
114.例如，通过使用倾斜尖端从外部对光导80的侧壁52开槽，并围绕其延伸主轴x旋转光导80，从而形成该截头圆锥体84。
115.该截头圆锥体84使得截头圆锥体的顶点指向光导80的出光面53。
116.截头圆锥体84被定向成相对于形成有该截头圆锥体84的光导80的横截面t形成30度至60度之间的角度a。因此，特别是在光导80的水平截面中(见图4)，截头圆锥体84与形成有该截头圆锥体84的光导80的横截面t形成30度和60度的角度a。
117.截头圆锥体84的特定倾斜使得有效地消除杂散光辐射成为可能，因为随着杂散光辐射接触截头圆锥体84的表面的入射角越接近0度，该杂散光辐射从光导80出射的透射效率就越高。
118.与光导50的“平坦分面54”的配置一样，可以为具有“截头圆锥体84”的光导80提供多个截头圆锥体84，这些截头圆锥体84沿着光导50的延伸主轴x设置。然后，这些截头圆锥体84都分别与形成有这些截头圆锥体的光导50的横截面t具有相同的角度a，从而形成同心的截头圆锥体。
119.光导80的第二实施例的其余部分在所有方面都与光导50的第一实施例相同。