CN103069326B - 可调节的平视显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平视显示设备（10），该设备包括：投影器（12），用于产生承载待显示信息的光束；组合器（20），该组合器具有用于在使用者视场中显示所述信息的显示位置；以及光学系统，在所述组合器位于其显示位置时该光学系统限定在所述投影器和所述组合器之间的光学路径，并用于将所述光束引导到所述组合器上。所述光学系统包括第一和第二偏转镜子。所述第一镜子（22）被布置为用于接收所述投影器的光束并将其重新发向第二镜子（24），而所述第二镜子则被布置为用于将在所述光学路径上的所述光束重新发向所述组合器。设置了致动系统，用于通过所述第一和第二偏转镜子的定位来调节所述投影器和所述组合器之间的光学路径的长度。

Description

可调节的平视显示设备

技术领域

本发明涉及尤其是用于机动车、卡车、公交车、火车、飞机等的平视显示设备（英文为“head up display”）。特别地，本发明涉及带可收放的组合器的平视显示设备。

背景技术

平视显示设备一般包括投影单元，该投影单元产生用于引向组合器的光束，以在使用者、尤其是飞行员或机动车驾驶员的视场中投影图像，尤其是呈虚拟图像形式的车辆驾驶或运行信息。

最初被设计为用于向战斗机飞行员显示信息的平视显示设备目前越来越多地被特别地用于机动车领域，更特别地被用于中端和高端车辆中。已知平视显示设备有助于道路安全，这是因为该设备允许驾驶员在阅读信息的同时眼睛不离开其前方的道路。包含所显示的信息的虚拟图像还被投影到驾驶员前方数米远的距离处，这允许驾驶员在阅读信息的同时不改变眼睛的调节。

存在一种平视显示设备，它将挡风玻璃的一部分用作组合器，即用作将包含应该提供给使用者的信息的光束和来自于环境的光进行组合的光学元件。其他平视显示设备则包括独立于挡风玻璃的组合器。这种组合器包括板条，该板条具有至少使来自于投影单元的光束的很大一部分偏向使用者所必需的光学特性，同时足够透明，以同时让来自于环境的环境光的很大一部分通过。

希望能够保护平视显示设备的光学元件，例如免受灰尘和其他会有损投影质量的不利影响。

另一个问题在于根据驾驶员的需求来调节平视显示设备。特别地，由于平视显示设备的视角（相对于标称方向的、直至该角度都能够以足够的对比度看到图象的角度）一般足够小并且使用者眼睛的位置会随着使用者不同而大幅度变化，因此应为平视显示设备设置允许使用者根据其眼睛的高度来调节携带待显示信息的光束重新发送的方向。

专利US 5,394,203描述了一种平视显示设备，该设备包括呈反射性板条状的组合器，该组合器被安装为翻转式的，并用作在不使用该设备时折倒的盖子。然而，由于该板条用作盖子，其一侧仍暴露在不利影响之下。

申请WO 2007/057608描述了一种带有可收放的组合器的平视显示设备。该组合器安装在可动支撑件上，以能够在显示位置和存放位置之间移动，其中，在所述显示位置上，组合器立着面对使用者，在所述存放位置上，组合器收到保护平视显示设备所有光学和机械组件的盒子内部。可以调节承载组合器的可动支撑件的行程终点，以实现调节组合器的倾斜角，并因此实现调节从驾驶员眼镜到虚拟图像的轴线的倾斜角。

然而，申请WO 2007/057608的平视显示设备不允许调节虚拟图像显示的距离。然而，从人体工程学角度来说，调节投影距离是非常有利的，这是因为这允许调节虚拟图像相对于车辆机械架构（尤其是相对于发动机盖的尺寸）的位置。此外，该类型的调节允许使用者根据其视力条件来调节显示。

文档JP 10 333080披露了一种在投影器和组合器之间的光学路径上带有两个偏转镜子的平视显示设备。这两个镜子中从投影器开始数的第一个被安装为可以旋转或平移地移动，以能够改变虚拟图像在使用者的视场中的竖直位置。

文档US 2005/0024490描述了一种平视显示设备，其中最后的镜子、即位于使用者视场中的镜子是可以收放的。在其存放位置上，该镜子构成平视显示设备的盖子。该镜子的后表面（即存放位置时的上表面）配置有可以折叠的遮盖物。该遮盖物在镜子折倒的时候展开，以为设备提供高质量的外观。镜子可以作为组合器来实现；在该情况下，遮盖物在镜子处于显示位置的时候完全收起。

文档US 5,237,455描述了一种带有可收放的组合器的平视显示设备。组合器可以借以手动地离开和收回盒子的开口可以通过帘幕来重新关闭。该帘幕的打开和关闭也是手动地实现。

发明内容

本发明的一个目的在于解决上述缺陷。

平视显示设备包括投影器、组合器和光学系统，其中所述投影器用于产生承载待显示信息的光束，所述组合器则具有显示位置，用于在使用者的视场中显示信息，所述光学系统在组合器位于其显示位置时限定组合器和投影器之间的光学路径，用于将光束指向组合器。根据本发明，光学系统在光学路径上包括至少一个第一和一个第二偏转镜子。第一镜子被布置为用于接收投影器的光束，并将其发向第二镜子，而第二镜子则被布置为用于将光学路径上的光束发向组合器。该设备还包括致动系统，该致动系统被配置为用于通过第一和第二偏转镜子相互的定位来调节投影器和组合器之间的光学路径的长度。借助于本发明的布置，能够调节虚拟图像离组合器的距离（投影距离）。

致动系统优选地包括同时与第一和第二镜子关联的机构。该机构可以由使用者手动地驱动（例如借助于与该机构连接的调节杆）。然而，为了使用者更加舒适，该机构优选地由使用者可以借助于（例如在面板上的）控制按钮来控制的电动马达（例如伺服电动马达）驱动。

根据本发明的一个有利的实施例，第二镜子以可以（优选地垂直于其表面）平移移动的方式与机构关联，而第一镜子则与机构关联，以枢转根据第二镜子的移动确定的角度。特别地，第一镜子的倾斜角优选地由第二镜子相对于参考位置的位移的线性函数给定。通过该第一和第二镜子的关联，确保了无论中间镜子的位置如何，光束都到达组合器。在某种意义上，借助于第一镜子，实现了光束在第二镜子和组合器上的自动瞄准。因此，在调节投影距离时，虚拟图像大致保持在相同的通过驾驶员眼睛和组合器的轴线上。

投影器优选地包括空间光调制器（英文为“spatial light modulator”），例如其中存储有呈全息图形式的待显示信息的全息存储器，或液晶背光显示器。在该情况下，投影器有利地包括被布置为用于穿过液晶显示器发送还未承载待显示信息的光束的背光光源（例如激光源或一个或多个发光二极管），其中液晶显示器被安装为可以横向于光束方向地移动。根据第一变型，当空间光调制器移动的时候，光束可以保持不动。根据另一个变型，投影器被配置为可以整体地平移移动。要注意的是，空间光调制器横向于光束方向的移动允许调节虚拟图像相对于驾驶员眼睛-组合器轴线的横向位置。设备优选地包括控制杆，该控制杆与空间光调制器机械地关联，借助于该控制杆，使用者可以调节虚拟图像的横向位置。替代地，空间光调制器可以借助于使用者可以通过控制按钮或旋钮来控制的电动马达（例如伺服电动马达）来移动。在该情况下，按钮或旋钮（例如通过车辆的通讯网络）将调节指令传递给平视显示设备，平视显示设备将指令转换为机械运动。使用者可以通过同一控制按钮或旋钮来控制投影距离和横向位置的本发明的变型被认为是特别符合人体工学的。

组合器可以被实现为半反射镜子（平的或弯曲的），或衍射组合器（即借助于光学衍射网使光偏转向使用者的组合器，可能地同时集成虚拟图像的放大和/或亮度水平控制）。组合器有利地由塑性材料制成。

根据本发明的一个特别有利的实施例，组合器被实现为可收放的组合器，该组合器在其显示位置以外还具有存放位置。因此，优选地，组合器与铰接机构连接，该铰接机构被配置为用于使组合器在显示位置和存放位置之间移动。

根据本发明的该实施例，平视显示设备优选地包括盒子，投影器、光学系统和组合器被布置在该盒子中，该盒子设有第一开口和第二开口，组合器在其在存放位置和显示位置之间移动的时候可以通过第一开口，光束则可以穿过第二开口从光学系统通向组合器。

优选地，盒子还包括闭合帘幕，用于在组合器处于其存放位置的时候关闭第一开口。

要注意的是，组合器在其从存放位置转到显示位置时进行的运动可以被设计为使得组合器和/或与组合器连接的机构（例如通过推动）来迫使帘幕离开组合器的路径，以释放通过第一开口的通道。

盒子优选地包括活门，该活门在组合器位于其存放位置的时候关闭第二开口。更有利地，活门设有安置空间，用于在帘幕被迫离开组合器路径的时候接收帘幕。

活门的打开和关闭机构有利地与用于使组合器在显示位置和存放位置之间移动的机构关联。

平视显示设备优选地包括回复装置，例如回复弹簧，该回复装置被布置为用于在帘幕被迫离开组合器路径的时候积累机械能，并在组合器从其显示位置转到其存放位置时将该能量用于使帘幕回复到关闭第一开口的位置。

本领域的技术人员会注意到，收放组合器和/或关闭活门的系统可以独立于上述投影距离调节系统地实现。然而，本发明的这两个方面在下文中示例地描述的实施例中以特别有利的方式组合。

附图说明

本发明的其他特点和特征在以下示例性地参照附图说明的有利实施例的详细说明中将变得显而易见。在这些附图中：

图1为根据本发明的一个优选实施例的平视显示设备的部分三维视图；

图2为图1的设备的组合器的收放系统的纵向剖视图，其中组合器处于其存放位置；

图3为图2的系统的纵向剖视图，其中组合器位于其存放位置和显示位置之间；

图4为保护处于其存放位置的组合器的帘幕的打开关闭系统的部分视图；

图5为图4的系统的部分视图，其中组合器位于其显示位置；

图6为虚拟图像位置调节系统的原理示意图；

图7为图6的系统的机构的部分视图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个优选实施例的机动车用平视显示设备10的透视图。设备10包括参照图2至图5更详细地说明的组合器收放系统，以及在下文中参照图6和图7更详细地说明的虚拟图像位置调节系统。

设备10首先包括投影器12，用于产生承载表示待显示给车辆驾驶员的信息的图像的光束。投影器12包括液晶显示器14、产生背光照明光束的光源16（根据组合器的类型是相干或不相干的光源，其中所述组合器可以是衍射式的或反射式的）和镜子18，该镜子使来自于源16的背光照明光束穿过液晶显示器14。液晶显示器用作空间光调制器，并产生将显示给驾驶员的图像。投影器12和组合器20的显示位置之间的光学路径由光学系统限定。该光学系统包括第一偏转镜子22和第二偏转镜子24。第一镜子22被布置为用于接收投影器12的光束，并将其重新发向第二镜子24，而第二镜子则被布置为用于在组合器20位于其（图1中示出的）显示位置时将光束重新发到组合器20上。

组合器20借助于收放系统是可以收放的，其中所述收放系统在图2至图5中更详细地示出。在其显示位置以外，组合器20还具有基本横放在平视显示设备10的盒子25内部的存放位置。组合器20被固定在铰接机构上，该铰接机构使组合器在显示位置和存放位置之间移动。更具体地，铰接机构在组合器20的两侧包括第一连杆26和第二连杆28，所述两个连杆通过在其一个端部处的铰链30连接。第一连杆26的另一个端部布置为可以在通过电动马达34可以平移移动的第一轴承32上旋转地运动，而第二连杆28的另一端部则被布置为可以在相对于盒子25固定的第二轴承36上旋转地运动。组合器20固定在第一连杆26上。为了将组合器从其（图2中示出的）存放位置带到其显示位置上，电动马达34使齿轮38转动，这导致第一轴承32在齿条40上移动，并因此导致顶点由轴承32和36以及铰链30构成的三角形的底边缩短。由此导致组合器20随着第一和第二轴承32、36相互接近而逐渐抬起。当组合器20完全立起的时候，电动马达34停止，并将铰接机构锁固在弯曲位置。优选地，齿轮38在齿条40上的行程终点可以由驾驶员来调节，驾驶员因此可以调节组合器20在显示位置上的倾斜度。

设备10的盒子25包括第一开口和第二开口，组合器20在其在存放位置和显示位置之间移动的时候通过第一开口，光束穿过第二开口从光学系统射向组合器20的显示位置。闭合帘幕42被设置为用于在组合器20位于其存放位置时关闭第一开口并保护组合器20免受灰尘。

如图4和图5所示，组合器20在其从存放位置转到显示位置时进行的运动被设计为使得组合器能够推动帘幕42离开其路径，以释放通过第一开口的通道。当组合器20推动帘幕42时，帘幕在设置在盒子25的侧壁（见图1）和活门46上的滑轨44中移动，其中所述活门被设置为用于在组合器位于其存放位置的时候关闭第二开口。在活门46的下侧，凹槽48限定在帘幕42被移动到组合器20路径之外的时候接收帘幕42的槽座。当帘幕42被组合器20移动的时候，帘幕顶着固定在回复弹簧52上的固定部件50推动，其中所述回复弹簧被拉长并积累机械能。在组合器的显示位置上，帘幕42保持顶着组合器20。积累在回复弹簧52中的机械能被用于在电动马达34反向工作并且组合器20从其显示位置转到其存放位置时使帘幕42回复到第一开口的关闭位置。

为了打开和关闭活门46，平视显示设备包括活门打开关闭机构，该机构与用于使组合器20在显示位置和存放位置之间移动的机构联接。活门打开关闭机构包括弹簧54、驱动元件56、滑轨58和固定在活门46上的枢转元件60。当组合器20处于其存放位置上时，电动马达34和轴承32顶着驱动元件，该驱动元件位于行程终点并通过枢转元件60维持活门46闭合。在该位置上，弹簧54被压缩。当电动马达34和轴承32根据平视显示设备10运行指令向第二轴承36方向移动的时候，弹簧54解除压缩，并使驱动元件56在滑轨58中移动。该移动使枢转元件60围绕其轴线62转动，而活门则转到打开位置，由此允许来自于投影器12的光束通过。

平视显示设备10还包括虚拟图像位置调节系统（图6和图7）。虚拟图像投影距离可以借助于偏转镜子22和24的致动系统来调节。虚拟图像的竖直位置还可以通过液晶显示器14的平移系统来调节。

参照图6说明围绕标称距离调节投影距离的原理。包括待显示信息的图像由投影器12产生。投影器和（位于显示位置的）组合器之间的光学路径的长度p由下式给定：p=L0+L1+L2，

其中L0表示投影器和镜子22（在图6中也为M1）之间的距离，L1表示镜子22和镜子24（也为M2）之间的距离，L2表示镜子24和组合器20之间的距离。

组合器的虚拟图像的距离D_iv可以以足够的精确度由投影器和组合器之间的光学路径的长度p和组合器的放大系数g的乘积来近似给出：

D_iv=p g    。

因此，为了调节投影距离，可以调节投影器12和组合器20之间的光学路径的长度。在设备10中，通过第一和第二偏转镜子22和24相对于彼此的定位来调节光学路径的长度p。

可以分成两种情况：

·当要（相对于标称投影距离）缩短投影距离时，在图6中使镜子24（垂直于其表面地）向上移动，并同时使镜子22逆时针地转动；

·当要（相对于标称投影距离）增大投影距离时，在图6中使镜子24（垂直于其表面地）向下移动，并同时使镜子22顺时针地转动。

由此，可以使投影距离在最小数值D_{iv_min}和最大数值D_{iv_max}之间变化，其中所述数值分别由下式限定：

D_{iv_min}=g(L0+L1_min+L2_min)，和

D_{iv_max}=g (L0+L1_max+L2_max)。

镜子22和24的极端位置在图6中由虚线示出。

通过同时与第一和第二镜子联接的机构来定位镜子22和24（见图7）。该机构由使用者可以借助于（例如在仪表板上的）控制钮控制的电动马达64来驱动。

第二镜子24与所述机构联接，以便可以垂直于其反射表面地平移移动。第一镜子22与所述机构联接，以枢转一个角度θ，该角度根据第二镜子24的位移来确定。如图7所示，镜子24固定在可动支撑件上，该可动支撑件可以垂直于镜子24的反射表面地滑动。镜子24借助于电动马达64来定位，该电动马达驱动接合在齿条68中的齿轮66，其中所述齿条固定在承载镜子24的可动支撑件上。当电动马达64转动时，该电动马达借助于齿轮传动带系统70使第一镜子22同时转动。一方面的电动马达64和第二镜子22之间的传动比和另一方面的电动马达64和镜子22之间的传动比被选择为使得实现光束在第二镜子24和组合器20上的自动瞄准，并因此确保无论中间镜子22和24的位置如何光束都大致到达组合器20上的同一位置。因此，当调节投影距离时，驾驶员看不到虚拟图像竖直或侧向地移动。

为了竖直定位虚拟图像，液晶显示器24可以相对于来自于光源16的背光照明光束方向横向地移动。（图7没有示出在光源16和液晶显示器14之间的偏转镜子18。）液晶显示器14的移动借助于电动马达72来实现，其中所述电动马达驱动带有齿轮74和齿条76的系统。由于液晶显示器14的移动是在垂直于光束的平面中，所以不会因此造成虚拟图像投影距离的明显变化。

因此，驾驶员可以独立地调节虚拟图像的竖直位置和投影距离。

为了控制各个电动马达（可以是伺服电动马达），平视显示设备10包括控制单元（未在附图中示出），该控制单元包括一个或多个界面（例如控制钮），用于与使用者交互。特别地，在附图中所示出的示例中，使用者可以调节：

·（由齿轮38在齿条40上的行程终点来确定的）组合器的倾斜度，这允许驾驶员根据其身高（或更准确地说根据其眼睛的高度）调节显示；

·（由镜子22和24的位置确定的）投影距离；以及

·（由液晶显示器14的位置确定的）虚拟图像的竖直位置。

要理解的是，平视显示设备10的形式是紧凑的，易于集成，同时提供了根据使用者的个人需求来调节的方便性。

图例

10     平视显示设备            66   齿轮

12     投影器                        68   齿条

14     液晶显示器                70   齿轮传动带机构

16     光源                            72   电动马达

18     镜子                            74   齿轮

20     组合器                        76   齿条

22     第一偏转镜子

24     第二偏转镜子

25     盒子

26     第一连杆

28     第二连杆

30     铰链

32     第一轴承

34     电动马达

36     第二轴承

38     齿轮

40     齿条

42   闭合帘幕

44   滑轨

46   活门

48   凹槽

50   固定部件

52   回复弹簧

54   弹簧

56   驱动元件

58   滑轨

60   枢转元件

62   枢转轴线

64   电动马达

Claims (14)

1.一种平视显示设备（10），包括：

投影器（12），用于产生承载表示待显示信息的图像的光束；

组合器（20），该组合器具有用于在使用者的视场中显示信息的显示位置；

光学系统，当所述组合器位于其显示位置时该光学系统限定所述投影器（12）和所述组合器（20）之间的光学路径，并且用于将所述光束引导到所述组合器（20）上，

所述光学系统至少包括在所述光学路径上的第一偏转镜子和第二偏转镜子（22、24），所述第一偏转镜子（22）被布置为用于接收所述投影器（12）的光束并将所述光束重新发向所述第二偏转镜子（24），而所述第二偏转镜子则被布置为用于将所述光学路径上的光束重新发向所述组合器（20），

所述设备（10）包括致动系统，该致动系统被配置为用于通过所述第一和第二偏转镜子（22、24）相对于彼此的定位来调节所述投影器（12）和所述组合器（20）之间的光学路径的长度，所述致动系统包括与所述第一和第二偏转镜子（22、24）联接的机构，

所述设备（10）的特征在于，所述第二偏转镜子（24）与所述机构联接，以使得该第二偏转镜子能够平移移动，而所述第一偏转镜子（22）与所述机构联接，以便枢转一个角度，该角度根据所述第二偏转镜子（24）的位移确定。

2.如权利要求1所述的设备（10），其中，该机构优选地由马达（34）来驱动。

3.如权利要求1所述的设备（10），其中，所述投影器（12）包括背光照明液晶显示器（14）。

4.如权利要求3所述的设备（10），其中，所述投影器（12）包括背光照明光源（16），该背光照明光源被布置为用于穿过所述液晶显示器（14）发送背光照明光束，该背光照明光束还未承载待显示的信息，并且其中，所述液晶显示器（14）被安装为能够横向于所述背光照明光束的方向移动。

5.如权利要求4所述的设备（10），其中，所述组合器（20）为半反射性镜子或衍射组合器。

6.如权利要求5所述的设备（10），其中，所述组合器（20）被实现为除了其显示位置外还具有存放位置的可收放组合器。

7.如权利要求6所述的设备（10），其中，所述组合器与铰接机构（26、28、30、32、36）连接，该铰接机构被配置为用于使所述组合器（20）在所述显示位置和所述存放位置之间移动。

8.如权利要求7所述的设备（10），包括盒子（25），在所述盒子中布置有所述投影器（12）、所述光学系统和所述组合器（20），所述盒子（25）包括第一开口和第二开口，当所述组合器（20）在所述显示位置和存放位置之间移动的时候所述组合器（20）能够通过所述第一开口，所述背光照明光束能够通过所述第二开口从所述光学系统射向所述组合器（20）。

9.如权利要求8所述的设备（10），其中，所述盒子（25）包括闭合帘幕（42），用于在所述组合器（20）位于其存放位置的时候关闭所述第一开口。

10.如权利要求9所述的设备（10），其中，所述组合器在从所述存放位置转到所述显示位置时进行的运动被设计为使得所述组合器迫使所述帘幕离开所述组合器的路径，以释放通过所述第一开口的通道。

11.如权利要求9所述的设备（10），其中，所述组合器在从所述存放位置转到所述显示位置时进行的运动被设计为使得所述组合器和所述组合器连接的铰接机构迫使所述帘幕离开所述组合器的路径，以释放通过所述第一开口的通道。

12.如权利要求11所述的设备（10），其中，所述盒子（25）包括活门（46），用于在所述组合器（20）位于其存放位置的时候关闭所述第二开口，所述活门（46）包括槽座，用于在所述帘幕（42）被迫离开所述组合器（20）的路径时接收所述帘幕（42）。

13.如权利要求12所述的设备（10），包括所述活门（46）的打开关闭机构，该打开关闭机构与所述用于使所述组合器（20）在所述显示位置和存放位置之间移动的机构（26、28、30、32、36）联接。

14.如权利要求13所述的设备（10），包括回复装置，该回复装置被布置为用于在所述帘幕（42）被迫离开所述组合器（20）的路径时积累机械能并在所述组合器（20）从其显示位置转到其存放位置时使所述帘幕（42）回复到关闭所述第一开口的位置，该回复装置优选地为回复弹簧（52）。