CN102132192A - 用于小型平视显示器的光中继器 - Google Patents

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Abstract

简单地说，根据一个或多个实施例，用于平视显示器的光中继器(200)包括：眩光陷波器(216)，通过能反射具有大于第一角度的入射角的光，以及能透射具有小于第二角度的入射角的光，而具有角度选择性；以及第一光学部件，用来接收以大于第一角度的入射角，从眩光陷波器反射离开的光，以及重定向光以小于第二角度的入射角穿过眩光陷波器，从而射出眩光陷波器。

Description

用于小型平视显示器的光中继器
背景技术
通常在交通工具，诸如汽车或飞机中配置平视显示器(HUD：Headup display)以允许驾驶员或飞行员浏览由显示器投影的信息，而不需要驾驶员或飞行员转移其视野离开外部环境。用于这种HUD的光中继器(optical relay)设计通常放大由扫描显示器、液晶显示器(LCD)等形成的生成图像，并且以一定距离将直观放大图像(apparent magnifiedimage)置于利用HUD的交通工具外部，例如，在交通工具外，远离操作者约1.5米，其中，该交通工具为汽车。光中继器通常包含可能对HUD的物理大小有设计约束的用于放大光学设备的足够的光路长度，以便提供足够的放大和其他光学属性，诸如眼箱(Eyebox)大小、视野和/或远直观图像位置。
附图说明
在说明书的结论部分中，特别指出和清楚地要求所要求的主题。然而，当与附图一起阅读时，参考下述详细的说明书，可以理解该主题，其中：
图1是根据一个或多个实施例，基于微机电系统(MEMS)的扫描光束显示器；
图2是根据一个或多个实施例的小型平视显示器的光中继器的图；
图3是根据一个或多个实施例的另一小型平视显示器中的光中继器的图；
图4是根据一个或多个实施例的用于小型平视显示器的光中继器的眩光陷波器(glare trap)的图；
将意识到，为示例简化和/或清楚起见，不必成比例地绘制在图中所示的元件。例如，为清楚起见，将相对于其他元件放大一些元件的尺寸。此外，如果认为适当，在图中重复参考数字以表示相应的和/或类似的元件。
具体实施方式
在下述详细描述中，阐述许多具体的细节以便提供所要求的主题的全面理解。然而，本领域技术人员将理解到，在没有这些具体细节的情况下，也可以实施所要求的主题。在其他实例中，将不再详细地描述公知的方法、过程、部件和/或电路。
在下述说明书和/或权利要求中，可以使用术语耦合和/或连接，以及它们的派生词。在具体的实施例中，可以使用连接来表示两个或更多个元件彼此直接物理接触和/或电接触。耦合可以指两个或更多个元件直接物理和/或电接触。然而，耦合也可以指两个或更多个元件彼此不直接接触，而是彼此协同和/或交互作用。例如，“耦合”可以指两个或更多个元件彼此不接触，但经另一元件或中间元件间接连接在一起。最后，术语“在...上面”、“叠加”和“在...上方”可以用在下述说明书和权利要求书中。“在...上面”、“叠加”和“在...上方”可以用来表示两个或更多个元件彼此直接物理接触。然而，“在...上方”也可以指两个或更多个元件彼此不直接接触。例如，“在...上方”可以指一个元件在另一个元件上方，但彼此不接触，并且在两个元件间可以有另一元件或多个元件。此外，术语“和/或”可以指“和”，可以指“或”，可以指“异或”，可以指“一个”，可以指“一些，但不是全部”，可以是“两者中没有一个”，并且/或者它可以指“两者”，尽管在这方面，不限制所要求的主题的范围。在下述说明书和/或权利要求书中，可以使用术语“包括”和“包含”，以及它们的派生词，并意图作为彼此的同义词。
现在参考图1，将论述根据一个或多个实施例，基于微机电系统(MEMS)的扫描光束显示器的图。尽管为论述目的，图1示例说明扫描光束显示系统，但是应注意到，扫描光束成像系统，其他类型的成像系统可以被用于一个或多个实施例中，和/或根据一个或多个实施例，同样地，可以利用另外的成像系统，诸如条码扫描仪或数码相机，并且在这方面不限制所要求的主题的范围。如图2和/或图3所示，扫描光束显示器100可以与平视显示器(HUD)的光中继器一起使用，如下所述。应注意到，尽管在图1中，将扫描光束显示器100显示为用于HUD的示例性显示器模块，如在此所述，显示器100可以包括其他类型的显示器，诸如液晶显示器(LCD)、硅基液晶(LCOS)显示器，或数字光投影仪(DLP)，作为许多例子的一个，以及在这方面，不限制所要求的主题的范围。
如图1所示，扫描光束显示器100包括光源110，其可以是激光光源，诸如激光器等，能发射可以包括激光束的光束112。在一些实施例中，光源可以包括两个或多个光源，诸如在具有红、绿和蓝光源的彩色系统中，其中，来自光源的光束可以组合成单一光束。光束112撞击在可包括基于微机电系统(MEMES)的扫描仪等的扫描平台114，以及从扫描镜116反射离开以生成受控的输出光束124。在一个或多个另外的实施例中，扫描平台114可以包括衍射光栅、运动光栅、光阀、旋转镜、自旋硅器件(spinning silicon device)、数字光投影设备、飞点投影仪，或硅基液晶器件，或其他类似的扫描设备。水平驱动电路118和/或垂直驱动电路120调整扫描镜116被偏转的方向，以使输出光束124生成光栅扫描126，由此例如在投影表面和/或图像面产生显示图像128。显示控制器122通过将显示图像的像素信息转换成与扫描平台114同步的激光调制，控制水平驱动电路118和垂直驱动电路120，以便基于光栅图形126中的输出光束124的位置和图像中的相应像素的相应的强度和/或颜色信息，将图像信息写为显示图像128。显示控制器122也可以控制扫描光束显示器100的其他各种功能。
在一个或多个实施例中，对生成或捕获二维图像的二维扫描，快速扫描轴可以指光栅扫描126的水平方向，以及慢扫描轴可以指光栅扫描126的垂直方向。扫描镜126可以以相对较高的频率水平地以及以相对慢的频率垂直地扫掠输出光束124。结果是激光光束124的扫描轨迹以产生光栅扫描126。然而，在这些方面，不限制所要求的主题的范围。
现在参考图2，将论述根据一个或多个实施例的小型平视显示器的光中继器的图。在一个或多个实施例中，光中继器200包括其中可以布置显示器100诸如扫描光束显示器的外壳210。或者，显示器100可以包括液晶显示器(LCD)、硅基液晶(LCOS)显示器、数字光投影仪(DLP)显示器等，并且在这方面，不限制所要求的主题的范围。在一个或多个实施例中，从显示器100发出的光或光束124可以穿过单透镜212和/或楔214。在一个或多个实施例中，可以使用单个透镜212来确保平场，和/或，相对于整个光中继器200正确地定位眼箱。楔214也可以用来提供畸变校正，诸如校正笑型畸变(smile distortion)和/或色像差。然而，在一些实施例中，单个透镜212和/或楔214可以是可选的，以及在一些应用中可以不使用。在一个或多个实施例中，光或光束124可以包括单色光或者可以包括多色光，例如红(R)、绿(G)、和蓝(B)光(RGB)以表现由显示器100投影的全色图像，尽管在这方面，不限制所要求的主题的范围。
在一个或多个实施例中，光束124撞击在眩光陷波器216的表面250上，其中，眩光陷波器216包括一块玻璃、塑料或其他透明的材料。在一个或多个实施例中，眩光陷波器216可以是相对平的或平面的，以及在一个或多个实施例中，在一个或多个表面上可以具有一些曲率。如以下将参考图4详细所述，眩光陷波器216可以具有位于其上的光学涂层，充当角度选择涂层或滤光器。适当的光学涂层可以包括多层介电涂层以便提供角度选择性，并且可以从光学产品供应商，诸如USA，California，Santa Ana的Cascade Optical Corporation或USA，California，Santa Ana的Deposition Sciences Inc获得。在一个或多个实施例中，位于眩光陷波器216的表面250上的这种涂层允许眩光陷波器216多次被用作光中继器200中的光学表面，例如如图2中的三次。眩光陷波器216的涂层反射以大于第一角度，例如大于约37度的角度入射在眩光陷波器的表面250上的光，其中，与眩光陷波器216的表面250垂直的线具有零度的值。眩光陷波器216的涂层也可以有效地透射以小于第二角度，例如小于约10度的角度入射在眩光陷波器216的表面250上的光。在一个或多个实施例中，第一角度和第二角度具有至少约20度或以上的间隔。可以将经涂层的操作而反射的光和透射的光之间的第一角度和第二角度之间的这种相对大的角度间隔设计成在相对宽的波长范围上操作，例如以便适应光束124中的多个波长内容，诸如光束包括RGB光，尽管在这方面，不限制所要求的主题的范围。
如图2所示，由显示器100发出的光束124以大于第一角度的角度撞击在眩光陷波器216的表面250上，在一个或多个实施例中，第一角度可以是37度。因此，光束124从眩光陷波器216的表面250反射离开，作为反射光束220，其中，它被定向到次光学部件222。次光学部件222可以具有其形状的一些曲率，并且可以包括弯曲镜面，以便提供投影图像的聚焦和/或放大。次光学部件222可以包括任何适当的光学元件，诸如反射镜或透镜，以及在这方面，不限制所要求的主题的范围。反射光束220在位置224撞击在次光学部件222上，以被朝着眩光陷波器216重定向返回作为反射光束226。反射光束226以大于第一角度的角度，在位置228撞击在眩光陷波器216的表面250上，并且因此被涂层反射为反射光束230。然后，反射光束230在位置234撞击在主光学部件232上，并被朝着眩光陷波器216重定向返回，作为光束236。主光学部件232还可以具有弯曲的形状，并且可以包括弯曲的镜面以便提供投影图像的聚焦和/或放大。主光学部件232可以包括任何适当的光学元件，诸如反射镜或透镜，以及在这方面，不限制所要求的主题的范围。由于光束236以等于或小于第二角度的角度在位置238撞击在眩光陷波器216的表面250上，在一个或多个实施例中，第二角度可以是10度，所以允许光束236有效地穿过位于眩光陷波器216的表面250上的涂层并射出外壳210。
在光束236射出外壳210后，光束236可以在位置242撞击在组合器240上并被朝着HUD眼箱中的操作者的眼睛而重定向作为光束246。组合器240允许由光中继器200中继的图像与从周围环境进入操作者的眼睛的光，诸如从交通工具的外部进入交通工具的光组合。在一个或多个实施例中，可以经铰链248将组合器242耦合到光中继器200的外壳210，以便允许根据操作员将组合器240的角度调整到最佳或近最佳的角度。同样地，组合器242、外壳210和铰链248的这种布置允许HUD的光中继器200容纳在适合于HUD的销售后安装或使用的小型外形中，例如，在交通工具的内部空间中，外壳210可以在交通工具的仪表板上，尽管在这方面，不限制所要求的主题的范围。在下文中，将参考图3，示出和描述用于集成到交通工具中的HUD的光中继器的另外的布置。
现在参考图3，将论述根据一个或多个实施例的另外的小型平视显示器的光中继器的图。在一个或多个实施例中，图3的光中继器300基本上与图2的光中继器200类似，除光中继器300的部件可能位于交通工具的仪表板310或类似位置内，和/或，交通工具的风挡312可能充当图2的组合器240，或者组合器240能与风挡312集成或者位于风挡312中或风挡312上。此外，图3示例说明图3的光中继器300可以用来将经光中继器300由显示器100投影的直观图像314置于在风挡312外的位置，例如距离操作者/观察者约1.5米的距离。应注意到，图2的光中继器200同样可以将直观图像放在离操作者/观察者选定距离，与如图3所示的光中继器300一样，以及在这方面，不限制所要求的主题的范围。
现在参考图4，将论述根据一个或多个实施例的用于小型平视显示器的光中继器的眩光陷波器的图。如图4所示，眩光陷波器216可以具有位于其表面250上的适当光学涂层，相对于入射光束，提供角度选择性。相对于眩光陷波器216的表面250的法线410可以被指定为具有零度的角度。大于第一角度(β)入射在眩光陷波器216的表面250上的光线被该涂层有效地反射，并且由此不允许透过眩光陷波器216。在一个或多个实施例中，第一角度(β)为约37度。因此，将锥形414定义成由该涂层反射具有在锥形414外部的入射角的任何入射光线。同样地，以小于第二角度(α)入射在眩光陷波器216的表面250上的光线有效地透过该涂层，并且由此允许透过眩光陷波器216。因此，将锥形412定义成具有在锥形412内的入射角的任何入射光线将穿过该涂层。在一个或多个实施例中，第一角度和第二角度具有约20度或更大的间隔，尽管在这方面，不限制所要求的主题的范围。可以通过使用适当材料和/或化合物，由光学供给公司配制具有这种角度选择性属性的光学涂层。此外，该涂层的这种角度选择性属性允许单一光学元件在光中继器200或光中继器300的光路中多次被使用，以便在同一光中继器中提供多个功能，在该实施例中，该单一光学元件为眩光陷波器216。例如，如图2和图3中所示，在光中继器200或光中继器300的单一光路中，光撞击在眩光陷波器216上三次。或者，用于HUD显示器的光中继器的其他实施例可以被构造成在光路中使光入射在眩光陷波器216上二次，或者在另外的实施例中，为四次或更多次，并且在这方面，不限制所要求的主题的范围。此外，在一个或多个实施例中，可以将眩光陷波器216构造成具有一个或多个另外的涂层，或可以另外地配制角度选择涂层，以便提供其他的光学属性或功能性，诸如偏振涂层和/或滤光器，以及在这方面，不限制所要求的主题的范围。
尽管通过某些具体程度描述了所要求的主题，但应当意识到，在不背离所要求的主题的精神和/或范围的情况下，可以由本领域技术人员更改其要素。相信通过前面的描述，将理解与用于小型平视显示器的光中继器相关的主题和/或许多其附带的用途，以及在不背离所要求的主题的范围和/或精神或不牺牲全部其实质优点，和/或，在不对其做实质改变的情况下，可以在其部件的形式、结构和/或布置方面做出各种改变，前述的形式仅是其示例性实施例。权利要求的意图是覆盖和/或包含这些改变。

Claims (15)

1.一种用于平视显示器的光中继器，所述光中继器包括：
眩光陷波器，具有角度选择性，所述角度选择性反射具有大于第一角度的入射角的光，并且透射具有小于第二角度的入射角的光；
第一光学部件，用于接收以大于所述第一角度的入射角从所述眩光陷波器反射离开的光，以及定向光以小于所述第二角度的入射角穿过所述眩光陷波器，以便射出所述眩光陷波器；以及
第二光学部件，用于接收以大于所述第一角度的入射角从所述眩光陷波器第一次反射离开的光，以及将以大于所述第一角度的入射角从所述眩光陷波器第二次反射离开的光重定向到所述第一光学部件。
2.如权利要求1所述的光中继器，进一步包括位于显示器和所述眩光陷波器之间的单一透镜，以提供相对平场或定位眼箱，或提供相对平场和定位眼箱的组合。
3.如权利要求1所述的光中继器，进一步包括位于显示器和所述眩光陷波器之间的楔光学部件，以调整由所述显示器投影的图像中的光学畸变。
4.如权利要求1所述的光中继器，其中，在光穿过所述眩光陷波器前，光入射在所述眩光陷波器上二次或更多次。
5.如权利要求1所述的光中继器，其中，所述眩光陷波器具有位于所述眩光陷波器的表面上的光学涂层，以提供所述眩光陷波器的所述角度选择性。
6.如权利要求1所述的光中继器，进一步包括组合器，以将从所述眩光陷波器射出的光与进入观察者的眼睛的环境光组合。
7.如权利要求1所述的光中继器，其中，所述第一光学部件包括：主透镜或主反射镜，或主透镜与主反射镜的组合；以及所述第二光学部件包括：次透镜或次反射镜，或次透镜与次反射镜的组合。
8.如权利要求1所述的光中继器，其中，所述第一光学部件操作以提供位于离观察者选定距离的直观放大图像。
9.如权利要求1所述的光中继器，其中，所述第一角度和所述第二角度间隔约20度或更大。
10.一种平视显示器，包括：
外壳；
位于所述外壳中的显示器模块；以及
位于所述外壳中的光中继器，所述光中继器包括：
眩光陷波器，具有角度选择性，所述角度选择性反射具有大于第一角度的入射角的从所述显示器发射的光，并且透射具有小于第二角度的入射角的光；
第一光学部件，用于接收以大于所述第一角度的入射角从所述眩光陷波器反射离开的光，以及定向光以小于所述第二角度的入射角穿过所述眩光陷波器，以便穿过所述眩光陷波器射出所述外壳；以及
第二光学部件，用于接收以大于所述第一角度的入射角从所述眩光陷波器第一次反射离开的光，以及将以大于所述第一角度的入射角从所述眩光陷波器第二次反射离开的光重定向到所述第一光学部件。
11.如权利要求10所述的平视显示器，进一步包括：位于所述显示器和所述眩光陷波器之间的单一透镜，以提供相对平场或定位眼箱，或提供相对平场和定位眼箱的组合；或位于所述显示器和所述眩光陷波器之间的楔光学部件，以调整由所述显示器投影的图像中的光学畸变；或所述单一透镜和所述楔光学部件的组合。
12.如权利要求10所述的平视显示器，其中，所述眩光陷波器具有位于所述眩光陷波器的表面上的光学涂层，以提供所述眩光陷波器的所述角度选择性。
13.如权利要求10所述的平视显示器，其中，所述第一光学部件操作以提供位于离观察者选定距离的直观放大图像。
14.如权利要求10所述的平视显示器，其中，所述第一角度和所述第二角度间隔约20度或更大。
15.如权利要求10所述的平视显示器，其中，所述显示器以三个分离的波长发射光，并且所述眩光陷波器的所述角度选择性对所述三个分离的波长均起作用。
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