平视显示装置的制作方法

1.本发明总体涉及平视显示器的技术领域。
2.更具体地，本发明涉及例如用于机动车辆的平视显示装置。


背景技术：

3.平视显示器，通常称为hud，已知其包括图像生成设备和光学系统，它们通常布置在外壳内。图像生成设备设计成生成光束。光学系统本身配置成通过形成在外壳中的孔径朝向部分透明板投射光束。
4.在部分透明板上部分反射之后，光束到达驾驶员的眼睛，从而形成驾驶员在部分透明板之外看到的虚拟图像，即在正常应用中，到达车辆的前方。
5.由图像生成设备生成的光束的强度通常根据环境亮度进行调整：环境亮度越高，光束的强度也应该越高。
6.然而，在一些太阳照明配置中(特别是对于太阳、外壳孔径和光学系统的一些相对位置)，太阳光通量遵循形成虚拟图像的光束的相反路径。然后，太阳光通量集中在图像生成设备上，使其升温。这种加热对图像生成设备的操作是有害的，并且可能导致对其的损坏。
7.存在用于保护平视显示装置的策略，这些策略基于平视显示装置内部的温度测量。例如，当平视显示装置内部的温度超过阈值时，平视显示装置的图像生成设备可以关闭或者可移动部件可以阻挡太阳光通量。
8.这种策略的一个缺点是，为了触发平视显示装置的关闭，平视显示装置的温度必须升高。可能被证明很难在最合适的时间停止温度的升高。事实上，关闭平视显示装置并不一定意味着温度立即降低。


技术实现要素：

9.在这种情况下，本发明提出了一种用于车辆的平视显示装置，该平视显示装置包括设计成产生光束的图像生成设备；光学系统，其配置成将所述光束朝向部分透明板投射，并且包括布置成反射所述光束的第一反射镜；设计成确定光通量的光学传感器；以及能够基于所述光通量控制所述光束的强度降低的保护模块；其中，所述光学传感器的视场朝向所述第一反射镜定向。
10.因此，根据本发明，光学传感器允许确定进入平视显示装置并可能损坏图像生成设备的太阳光通量。事实上，由第一反射镜反射的太阳光通量负责加热图像生成设备。
11.因此，通过了解图像生成设备的固有属性，或者甚至通过校准，有可能预测图像生成设备受到太阳光通量的任何加热。因此，有可能提出热保护策略，例如在这种情况下，通过降低虚拟图像的强度，这是安全且时间相关的，即，其可以预测温度的增加。换句话说，这种策略允许确定影响，在这种情况下，太阳光通量进入平视显示装置，以便防止加热图像生成设备的原因。
12.根据本发明的平视显示装置的进一步的非限制性和有利的特征，单独地或者根据任何技术上可能的组合，如下：
[0013]-所述光学传感器包括至少一个光电池，并且所述视场朝向所述第一反射镜上的所述光束的反射表面的中心定向；
[0014]-所述光学传感器包括多个光电池的矩阵，并且所述视场朝向所述第一反射镜上的所述光束的反射表面定向；
[0015]-所述光学传感器设置在所述图像生成设备附近，使得在所述图像生成设备和所述第一反射镜之间的所述光束的路径与所述光学传感器的主观察轴之间形成的角度小于45度；
[0016]-所述第一反射镜包括设置在其反射表面上的第一滤光器，该第一滤光器对于给定红外范围内的辐射具有小于5％的反射系数；
[0017]-所述第一反射镜包括设置在其反射表面上的第二滤光器，该第二滤光器对于光束的给定线性偏振具有小于5％的反射系数；
[0018]-所述光学传感器能够根据可见域中的辐射来确定光通量；
[0019]-所述光学系统包括第二反射镜，该第二反射镜是凹面的，所述光束在其上反射，并且相对于所述光束的路径，该第二反射镜位于所述第一反射镜和所述部分透明板之间；
[0020]-所述第二反射镜是可移动的，并且可以移动到保护位置，在该保护位置，光学系统和部分透明板之间的光束路径被中断；
[0021]-所述保护模块还基于以下参数中的至少一个来控制所述强度降低：
[0022]
所述图像生成设备的环境温度；
[0023]
外部亮度；以及
[0024]
半导体元件的结温。
[0025]
本发明还提出了一种用于保护平视显示装置的方法，包括：设计成产生光束的图像生成设备；光学系统，其配置成将所述光束朝向部分透明板投射，并且包括布置成反射所述光束的第一反射镜；光学传感器，其具有朝向所述第一反射镜定向的视场；以及保护模块；所述方法包括以下步骤：
[0026]-所述光学传感器确定光通量；以及
[0027]-所述保护模块基于由所述光学传感器确定的所述光通量降低所述光束的强度。
[0028]
根据本发明的保护方法的进一步的非限制性和有利的特征，单独地或者根据任何技术上可能的组合，如下：
[0029]-该方法包括以下步骤中的至少一个：温度传感器确定所述平视显示装置的环境温度；测量电路确定半导体元件的结温；以及确定外部亮度的外部亮度传感器；并且包括所述保护模块基于以下参数中的至少一个降低所述光束的强度的步骤：所述环境温度、所述结温和所述外部亮度；
[0030]-该方法包括由所述保护模块基于所述光通量控制将第二可移动反射镜移动到保护位置的步骤，在该保护位置，光学系统和部分透明板之间的光束路径被中断；
[0031]-所述光学传感器包括多个光电池的矩阵，并且所述视场朝向所述第一反射镜上的所述光束的反射表面定向；
[0032]-所述光学传感器根据可见阈中的辐射来确定光通量。
附图说明
[0033]
参考附图提供的以下描述将允许清楚地理解本发明由什么构成以及如何实施，附图以非限制性示例的方式提供。
[0034]
当然，本发明的各种特征、替代实施例和实施例可以各种组合彼此结合，只要它们不是相互不兼容或相互排斥的。
[0035]
在附图中：
[0036]
图1示意性地示出了根据本发明的平视显示装置的横截面；
[0037]
图2示出了基于温度测量的降低曲线；以及
[0038]
图3示出了用于实施热保护方法的一系列步骤的框图。
具体实施方式
[0039]
当然，在所附权利要求的范围内，可以对本发明进行各种其他修改。
[0040]
在这种情况下，平视显示装置1被描述为在机动车辆内使用的情况。
[0041]
如图1所示，平视显示装置1包括图像生成设备10、光学系统20、光学传感器60和保护模块30。
[0042]
平视显示装置1由计算机控制。计算机被编程以控制和/或连接平视显示装置1的各种元件。在这种情况下，计算机是车辆的计算机。作为替代实施例，平视显示装置可以包括专用计算机。
[0043]
图像生成设备10设计成生成光束，被称为调制光束l。为此，图像生成设备10包括光源12和调制器11。
[0044]
调制器11由元件矩阵构成，其透射率随时间变化。调制器11接收由光源12产生的源光束，并传输调制光束l。在这种情况下，光源12是多色的，以便形成彩色图像。凭借其元件矩阵，调制器11对源光束进行空间调制，以便形成调制光束l。
[0045]
在这种情况下，调制器11是tft(薄膜晶体管)液晶显示器，即每个都由薄膜晶体管控制的液晶单元的矩阵(因此显示器的名称为tft)。对于矩阵的每个元件，三个单元，每个单元与滤色器相关，例如一个用于蓝色，一个用于绿色，一个用于红色，允许通过以稳定的方式和低响应时间定向液晶来控制透射率。
[0046]
作为替代实施例，为了形成调制光束l，漫射器的背面由一组激光二极管产生的激光束扫描，该扫描例如由可移动反射镜执行。然后，漫射器的正面产生调制光束。
[0047]
光学系统20布置成沿着确定的路径朝向部分透明板70投射调制光束l。调制光束l被部分透明板70反射朝向驾驶员眼睛所在的观察区域。图像生成设备10和部分透明板70之间的调制光束l的路径定义了光路。
[0048]
部分透明板70被定向成将部分调制光束l反射朝向驾驶员眼睛所在的观看区域，从而形成虚拟图像。部分透明板70可以是车辆挡风玻璃或组合器的一部分，即专用于平视显示器的部分透明板。这种组合器将被放置在挡风玻璃和驾驶员的眼睛之间。
[0049]
虚拟图像包含意图给车辆驾驶员的指示或信息，例如以调节符号和/或速度计和/或发动机速度指示器和/或故障指示器和/或导航指令的形式。
[0050]
如图1所示，在这种情况下，光学系统20包括第一反射镜21(有时称为“折叠式反射镜”)，它是平面镜。光学系统20还包括第二反射镜25，其是凹面镜。第二凹面镜25允许例如
由图像生成设备10生成的小图像被放大，以便形成适当大小的虚拟图像。在这种情况下，第二反射镜25是可移动的，例如是可旋转的，以便根据驾驶员的尺寸将虚拟图像的位置调整到观看区域。第一反射镜21将图像生成设备10产生的调制光束l导向第二反射镜25。
[0051]
传统上，平视显示装置1在这种情况下被包括在保护外壳50或壳体中。在外壳50中产生孔径51，以便允许调制光束l朝向部分透明板70传播。孔径51可以被诸如玻璃板的透明材料覆盖。
[0052]
此后，形容词“内部”指平视显示装置1的内部，因此在这种情况下指外壳50的内部。形容词“外部”指平视显示装置1的外部，因此在这种情况下指外壳50的外部。例如，形容词“外部”指的是车辆的乘客车厢。
[0053]
如图1所示，在一些太阳照明配置中(特别是对于太阳、外壳孔径和光学系统的一些相对位置)，太阳光束ls可以进入平视显示装置1的内部，在这种情况下经由孔径51。如图1所示，当太阳、部分透明板70和第二反射镜25基本对齐时，这种情况尤其会发生。
[0054]
图1示出了太阳光束ls传播的特定示例。在这个示例中，太阳光束ls沿着相反方向的光路行进。该示例对应于平视显示装置1的最具破坏性的情况，因为在第一反射镜21上反射之后，第二反射镜25将太阳光束ls聚焦在调制器11的中心。在其他情况下，太阳光束ls可以照明调制器11的其他区域，但不太聚焦。
[0055]
调制器11是相对易吸收的。因此，当太阳光束ls到达调制器11时，太阳光束ls迅速导致调制器11变热，并且更一般地，图像生成设备10变热。这种加热对图像生成设备10的操作是有害的，并且可能导致对其的损坏。例如，在这种情况下，高于某一温度，调制器11的液晶会失去它们的偏振。
[0056]
为了限制图像生成设备10的任何发热，在这种情况下，第一反射镜21包括设置在其反射表面上的第一滤光器22，该第一滤光器22对于给定红外范围内的辐射具有小于5％的反射系数。因此，当太阳光束ls在第一反射镜21上反射时，它被过滤。换句话说，给定红外范围(在这种情况下，该给定范围对应于700nm以下的波长)内的辐射在第一反射镜21上仅被非常微弱地反射，少于5％。
[0057]
由于第一滤光器22，太阳光束ls的红外部分不会到达图像生成设备20。该第一滤光器22不中断平视显示装置1的操作，因为它在可见域中操作。
[0058]
为了限制图像生成设备10的任何发热，在这种情况下，第一反射镜21包括第二滤光器23，该第二滤光器23设置在其反射表面上，并且对于光束的给定线性偏振具有小于5％的反射系数。实际上，调制器11在给定方向上以线性方式偏振调制光束l。第二滤光器23设置成实际上完全反射该给定方向上的光束，但对于垂直于该给定方向的线性偏振具有小于5％的反射系数。因此，只有部分太阳光束ls(其具有与调制光束l相同的极性)被反射朝向图像生成设备20，这在不中断其操作的情况下限制了其发热。
[0059]
作为替代实施例，可以规定将第一滤光器和/或第二滤光器设置在别处，例如在第二反射镜的表面上或者在调制器的表面上。作为替代实施例，可以规定第一滤光器和第二滤光器是同一个滤光器。
[0060]
如图1所示，平视显示装置1还包括能够控制调制光束l的强度降低的保护模块30。保护模块30例如可以控制由光源12发射的源光束的强度降低，直到它完全停止，如果需要的话。为此，保护模块30可以例如控制供应给光源12的电流的减少。由保护模块30执行的动
作借助于保护模块30内部的计算机或者借助于平视显示装置的计算机来实现。
[0061]
为了确定强度降低的幅度，保护模块30可以连接到例如位于调制器11附近或光源12的电子板上的温度传感器40。温度传感器40设计成测量图像生成设备10的环境温度ta。例如，温度传感器40是负温度系数热敏电阻。
[0062]
在这种情况下，保护模块30设计成当环境温度ta高于环境阈值时控制调制光束l的强度降低。环境阈值的范围例如在60℃和100℃之间，环境阈值优选地在70℃和100℃之间。
[0063]
该环境温度测量ta允许实施被称为“降额”的降低策略，其特征在于图像生成设备10的性能能力的降低。该策略包括将由图像生成设备10生成的调制光束l的最大强度即虚拟图像的最大亮度定义为环境温度ta的函数。
[0064]
如图2所示，由调制光束l的强度降低的第一系数c1表示的强度降低的幅度可以由被称为“降额曲线”的降低曲线提供，该曲线被定义为三个区间：
[0065]
i)环境温度ta小于或等于阈值ta1的区间，图像生成设备10然后可以在其最大容量下操作，第一系数c1等于1；
[0066]
ii)环境温度ta大于阈值ta1且小于最大值ta2的区间，保护模块30可以降低调制光束l的强度，降低的幅度通过在递减线性曲线上的投影获得，第一系数c1的范围在0和1之间；
[0067]
iii)环境温度ta大于最大值ta2的区间，保护模块30可以控制图像生成设备10的关闭，第一系数等于0。
[0068]
在这种情况下，平视显示装置1还包括测量电路，该测量电路设计成测量图像生成设备10中的内部温度，例如光源12处的温度。
[0069]
因此，当图像生成设备10包括半导体元件，例如tft显示器的半导体元件或光源12的发光二极管时，测量电路可以设计成测量半导体元件的结温tj。如果达到半导体元件的极限温度，保护模块30控制图像生成设备10的关闭。
[0070]
然后，当结温tj高于结阈值时，保护模块30可以控制光束l的强度降低。结阈值优选在95℃和110℃之间，这通常对应于tft屏幕的热极限。例如，结阈值可以等于110℃。
[0071]
然后，可以提供与一个或多个半导体元件的操作相关并且基于结温tj的第二降低策略。这意味着保护模块30可以降低调制光束l的强度，以便调节结温。如前所述，由第一系数c1表示的强度降低的幅度可以由区间中定义的第二降低曲线提供。
[0072]
在给定时刻，调制光束l的强度也取决于外部因素，比如外部亮度lex。实际上，重要的是考虑驾驶员周围的外部亮度lex，以便适应虚拟图像的亮度，例如适应通过隧道、离开隧道或眩光情况。因此，可以实施调光策略，以便根据外部亮度lex来调整虚拟图像的亮度。这种调光策略可以使图像生成设备10通过第三系数c3来增加或减少调制光束l的强度。为了实施衰减策略，保护模块30可以连接到例如位于车辆乘客车厢中的外部亮度传感器。
[0073]
因此，在图3所示的热保护方法期间，在给定时间调制光束的校正强度ic可以对应于例如由驾驶员预先选择的设定点强度，以便获得虚拟图像的期望亮度，该亮度由第一系数c1和/或第二系数c2和/或第三系数c3加权。这意味着虚拟图像在给定时间的亮度可以对应于由第一系数c1和/或第二系数c2和/或第三系数c3加权的原始亮度，称为校正亮度。
[0074]
因此，该保护方法可以包括：
[0075]-步骤e3，其中环境温度ta由温度传感器40确定，并且其中保护模块30基于环境温度ta确定调制光束l的强度降低的第一系数c1；
[0076]-步骤e4，其中由测量电路确定结温tj，并且其中保护模块30基于结温tj确定调制光束l的强度降低的第二系数c2；
[0077]-步骤e5，其中外部亮度lex由外部亮度传感器确定，并且其中保护模块30确定调制光束l的强度适配的第三系数c3；
[0078]-步骤e6，其中保护模块30基于第一系数c1和/或第二系数c2和/或第三系数c3来确定校正强度ic。
[0079]
因此，保护模块30可以基于以下参数，以便控制调制光束l的强度降低：
[0080]-环境温度ta；
[0081]-外部亮度lex；
[0082]-结温tj。
[0083]
尽管它们足以保护平视显示装置1免受由于其操作引起的内部热应力，但基于温度测量的策略，比如降低策略，对于保护平视显示装置1免受太阳辐射的外部热应力具有局限性。
[0084]
事实上，太阳光束ls是外部热应力，其可以比内部热应力高三到四倍，并且可以产生快速的局部加热，因此以这种方式加热是需要预期的。例如，以这种方式预期加热意味着保护模块30可以预防性方式降低调制光束l的强度，以便防止对图像生成设备10尤其是调制器11的任何损坏。
[0085]
此外，还可以提供保护模块30，以通过可移动部件来控制孔径51的关闭，从而防止太阳光束ls进入平视显示装置1的内部。还可以规定，在这种情况下可移动的第二反射镜25移动到保护位置，在该保护位置，光学系统10和部分透明板70之间的调制光束l的路径被中断，即移动到太阳光束ls不能到达图像生成设备10的位置。
[0086]
在这种情况下，平视显示装置1包括设计成确定光通量fl的光学传感器60。光学传感器60具有可以由立体角定义的视场c，光学传感器60通过该立体角对电磁辐射敏感。
[0087]
如图1所示，光学传感器60的视场c朝向第一反射镜21定向。因此，光学传感器60可以确定来自第一反射镜21的光通量fl。
[0088]
如图1所示，在太阳光束ls进入平视显示装置1的情况下，来自第一反射镜21的光通量fl特别是由于太阳光束ls。在这种情况下，更具体地，光学传感器60的布置和定向使得由光学传感器60确定的来自第一反射镜21的光通量fl主要是由于相对于调制光束l的太阳光束ls。实际上，由光学传感器60确定的光通量fl是图像生成设备10上的入射光通量的一部分。
[0089]
基于由光学传感器60确定的光通量fl，使用校正因子来确定图像生成设备10上的入射光通量。这些可以通过校准确定的校正因子取决于例如光学传感器60的位置和定向。
[0090]
例如，对于给定的传感器位置，调制光束l的强度可以变化，并且可以在调制光束l的强度和由光学传感器60测量的光通量值fl之间构建第一数学相关模型。然后，可以改变进入平视显示装置1的光束的强度，并且可以在太阳光束ls的强度和由光学传感器60测量的光通量值fl之间构建第二数学相关模型。最后，可以通过改变调制光束l的强度和进入平视显示装置1的光束的强度来构建第三数学相关模型。
[0091]
根据第一可能的实施例，光学传感器60可以包括光电池，然后视场c朝向特征点r定向，该特征点r是第一反射镜21上的调制光束l的反射表面的中心。在这种情况下，该特征点r也对应于调制器11的中心在第一反射镜21上的图像。
[0092]
当太阳光束ls进入平视显示装置1时，因为太阳光束ls位于第二凹面镜25的光轴上，所以太阳光束ls朝向特征点r聚集。因此，通过将光学传感器60的视场c朝向该特征点r定向，可以高度精确地确定来自第一反射镜21的光通量fl，其在这种情况下主要是由于太阳光束ls。
[0093]
根据第二可能实施例，光学传感器60可以包括多个光电池的矩阵，然后视场c朝向第一反射镜21上的调制光束l的反射表面定向。光电池矩阵通过组合第一反射镜21表面上多个点的测量来提高确定太阳光通量fl的精度。多个光电池的矩阵使得更容易通过聚焦太阳光束ls来检测可能在调制器11上形成的热点。热点可能非常局部，这可能损坏成像设备10，但不会显著增加环境温度。
[0094]
值得注意的是，将光学传感器60朝向第一反射镜21而不是朝向调制器11定向允许更好地确定图像生成设备10上的入射光通量。事实上，由于调制器是相对吸收性的，只有一小部分太阳光束会被反射到朝向调制器定向的光学传感器，这使得确定其强度不是非常准确。此外，光学传感器60的这种定位便于其集成在平视显示装置1的内部。
[0095]
在这种情况下，光学传感器60主要在可见域中操作。实际上，由于太阳光束ls的红外部分几乎不被第一反射镜21反射，所以只有太阳光束ls的可见部分能够导致图像生成设备10变热。因此，光学传感器60设计成测量例如在700nm至400nm的波长范围内的可见阈中的辐射的光通量fl。
[0096]
为了最好地确定图像生成设备10上的入射光通量，在这种情况下，光学传感器60设置在图像生成设备10附近，即与第一反射镜21或第二反射镜25相比，它更靠近图像生成设备10。
[0097]
例如，光学传感器60可被定位成使得图像生成设备10和第一反射镜21之间的调制光束l的路径与光学传感器60的主观察轴之间形成的角度小于45度，并且优选小于20
°
。图像生成设备10和第一反射镜21之间的调制光束l的路径对应于从图像生成设备10到第一反射镜21的光路部分。
[0098]
光学传感器60的主观察轴p被定义为光学传感器60对辐射最敏感的方向。在这种情况下，主观察轴p对应于穿过光学传感器60的中心的光学传感器60的视场c的平均方向。
[0099]
如图1所示，在这种情况下，主观察轴p朝向第一反射镜21上的调制光束l的反射表面定向。更具体地，主观察轴p朝向特征点r定向。在这种情况下，为了使光路和光学传感器60的主观察轴p之间形成的角度小于20度，光学传感器60被设置在调制器11附近。然而，为了允许虚拟图像的形成，光路不应被阻挡。
[0100]
因此，借助于光学传感器60，保护模块30可以基于来自第一反射镜21的光通量fl来控制调制光束l的强度降低，即图像生成设备10的性能能力的降低。如果光通量fl很高，例如由于强烈的太阳光束ls，保护模块30可以控制调制光束l的强度降低。
[0101]
如图3所示，保护平视显示装置1的方法包括：
[0102]-步骤e1，光学传感器60确定光通量fl；以及
[0103]-步骤e2，基于光通量fl，由保护模块30控制降低调制光束l的强度。
[0104]
因此，借助于光学传感器60，保护模块30可以控制太阳光保护策略，包括确定光通量的步骤e1和降低强度的步骤e2，以便预测平视显示装置1尤其是图像生成设备10的任何发热。在这种情况下，与降低策略相比，太阳光保护策略代表了额外的安全水平。
[0105]
因此，调制光束l的校正强度ic取决于基于由光学传感器60确定的光通量fl的受控强度降低。在这种情况下，校正强度ic对应于强度设定点，该强度设定点尤其通过基于光通量fl确定的第四系数c4进行加权。
[0106]
如果太阳光束ls的强度使得关闭平视显示装置1不足以保护它，则保护模块可以控制外壳50的关闭或第二反射镜25的移动。因此，第二反射镜25的移动可以由保护模块30基于光通量fl来控制。
[0107]
此外，可以规定太阳光保护策略考虑环境温度ta。因此，在这种情况下，保护模块30使用对应表，该对应表针对给定的环境温度ta将调制光束l的最大强度指示为光通量fl的函数。该对应表可以通过使图像生成设备10经受确定的光通量并测量其发热来进行校准而获得。对应表可以基于前面描述的数学相关性。
[0108]
在这种情况下，对应表向保护模块30提供第四系数c4，以便控制光束l的强度降低。第四系数c4取决于光通量fl。在这种情况下，第四系数c4也取决于环境温度ta。关闭平视显示装置1可以对应于等于0的第四系数c4。
[0109]
作为替代实施例，可以规定确定第四系数，保护模块使用基于由光学传感器确定的光通量的保护曲线，并且以两个光通量极限值为特征。
[0110]
作为替代实施例，可以规定基于图像生成设备上的入射光通量及其固有属性(比如其吸收率和热容量)通过模拟来估计图像生成设备的任何发热。
[0111]
如图3所示，太阳光保护策略还可以考虑调制光束l的校正强度ic。实际上，当光学传感器60确定来自第一反射镜21的光通量fl时，由于已知在给定时间调制光束l的校正强度ic，所以可以估计该光通量fl中由调制光束l引起的部分。因为图像生成设备10、第一反射镜21和光学传感器60的相对位置是固定的，所以通过校准，容易确定在给定时刻由调制光束l产生的光通量。因此，可以精确地确定光通量fl中由太阳光束ls引起的部分。
[0112]
换句话说，保护模块30可以考虑校正强度ic，以便在步骤e2控制强度降低，从而形成反馈回路。
[0113]
因此，各种策略(减少、衰减和太阳光保护)最佳地相互作用，以便最大化虚拟图像的亮度，同时保护平视显示装置1不被加热和损坏它。