專(zhuān)利名稱(chēng)：用于平視彩色顯示設(shè)備的衍射組合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及特別地用于汽車(chē)的平視顯示器設(shè)備。特別地，本發(fā)明涉及一種用于此類(lèi)設(shè)備、特別是用于彩色信息顯示的衍射組合器。
背景技術(shù)：
平視顯示設(shè)備通常包括投影單元，其產(chǎn)生意圖指向組合器以用于圖像、特別是采取位于駕駛員的視場(chǎng)中的虛像的形式的車(chē)輛的操作或駕駛信息的投射的光束。此類(lèi)設(shè)備最初是基于來(lái)源于航空應(yīng)用的技術(shù)而制造的。其制造成本因此常常是高的，從而阻止其商業(yè)性開(kāi)發(fā)及其在低檔或中檔車(chē)輛中的大規(guī)模安裝。所述成本特別地來(lái)源于所使用的技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)起來(lái)是復(fù)雜的且此外并不始終允許在充分保證光學(xué)特性的穩(wěn)定性的情況下進(jìn)行組合器的批量復(fù)制。例如對(duì)于在文獻(xiàn)JP I 0048562中公開(kāi)的設(shè)備而言情況如此，其描述了落在指數(shù)調(diào)制全息圖領(lǐng)域內(nèi)的系統(tǒng)，其制造是基于由感光層制成的感光板的使用，具有沉積在充當(dāng)機(jī)械支撐的襯底上的膠質(zhì)基座。此類(lèi)部件只能以單獨(dú)的單元來(lái)制造，因?yàn)槠渖婕耙詡€(gè)別為基礎(chǔ)進(jìn)行執(zhí)行的記錄且其不適合于以合理的工業(yè)成本進(jìn)行批量生產(chǎn)。在此類(lèi)感光板上形成的全息部件另外對(duì)在沒(méi)有添加保護(hù)涂層的情況下可能將其損壞的UV輻射敏感。對(duì)于在文獻(xiàn)EP 0467328中公開(kāi)的系統(tǒng)而言情況也是如此，其示出了基于膠質(zhì)制造的體積光學(xué)處理組合器，并要求與多個(gè)波長(zhǎng)相交互的多個(gè)全息層，這使得系統(tǒng)的光學(xué)特性的可靠再現(xiàn)甚至更加不確定。此外，此系統(tǒng)僅以反射方式起作用。在文獻(xiàn)US 4930847中還描述了一種用多個(gè)波長(zhǎng)以反射方式操作的系統(tǒng),具有基于具有上述限制的膠質(zhì)類(lèi)型的感光材料每次使用不同的幾何結(jié)構(gòu)和波長(zhǎng)的記錄過(guò)程。
在專(zhuān)利US 6005714中描述了具有至少兩個(gè)層的另一結(jié)構(gòu)，層的倍加增加了在批量生產(chǎn)期間保持要提供的光學(xué)功能的正確穩(wěn)定性的困難。文獻(xiàn)US 6005714的衍射結(jié)構(gòu)在形成衍射浮雕的相對(duì)面中包括透明襯底。該浮雕被相互組合以獲得對(duì)反射光的衍射效應(yīng)，同時(shí)本質(zhì)上抵消對(duì)通過(guò)襯底的光的凈衍射效應(yīng)。鑒于能夠向汽車(chē)的駕駛員顯示的大量信息，現(xiàn)在需要投射色彩圖像。在本申請(qǐng)的背景下，“彩色”圖像或“全色”圖像特別地意指由原色(正常地紅色、綠色和藍(lán)色)的單色圖像的合成獲得的圖像。單色圖像的疊加允許顯示色彩空間的二次色(青色(藍(lán)綠色)、品紅色、黃色)或任何其它色彩(例如白色)。假定由光學(xué)衍射光柵透射或反射的光的偏轉(zhuǎn)角取決于光的波長(zhǎng)，借助于衍射組合器進(jìn)行的彩色的圖像顯示不是小問(wèn)題。結(jié)果，需要確保形成彩色圖像的單色圖像的虛像在駕駛員的視場(chǎng)中被正確地疊加，并且寄生圖像被放置在觀察者的視場(chǎng)外面。在以上已經(jīng)提到的文獻(xiàn)EP O 467 328中公開(kāi)的組合器包括用以沿著同一方向?qū)⒌谝蝗肷洳ㄩL(zhǎng)和第二入射波長(zhǎng)的光衍射在沿入射方向的光學(xué)衍射光柵上的復(fù)用全息光學(xué)衍射光柵。替換地，EP O 467 328提出了“多層光學(xué)衍射光柵”，即被堆疊并粘在一起的多個(gè)全息光學(xué)衍射光柵，每層與特定的波長(zhǎng)相關(guān)聯(lián)。兩個(gè)替換首先遭受很大的缺點(diǎn)，即光學(xué)衍射光柵是在感光板(對(duì)UV輻射敏感)上形成的，這實(shí)際上使得需要添加保護(hù)層?，F(xiàn)在，必須使用被粘或?qū)訅涸谝黄鸬亩鄠€(gè)層的事實(shí)使組合器的生產(chǎn)復(fù)雜化。特別是必須采用保證不同層在組裝時(shí)的適當(dāng)對(duì)準(zhǔn)的措施。另一個(gè)非常大的問(wèn)題是不同層的均勻性，主要是在其老化方面。存在層變得松開(kāi)或者一個(gè)或另一層的光學(xué)性質(zhì)被降低的風(fēng)險(xiǎn)。從而，諸如在文獻(xiàn)EP0467328中所述的組合器的實(shí)現(xiàn)是困難的，并且結(jié)果將始終是要最優(yōu)化的多個(gè)參數(shù)之間的或多或少的成功折中。另外應(yīng)注意的是所公開(kāi)的組合器具有用于兩個(gè)波長(zhǎng)的選擇性。為了能夠在“全色”模式下運(yùn)行，將需要至少三層的光學(xué)衍射光柵或至少三重的光柵。此類(lèi)自適應(yīng)因此將引起更大的復(fù)雜性。并且，在上文引用的文獻(xiàn)中，衍射效率的控制是靠經(jīng)驗(yàn)的且非常有限，這暗示著用于所獲得的虛像的亮度水平標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題。本發(fā)明彌補(bǔ)了這些不足并提出一種解決方案，其允許與“全色”平視顯示器設(shè)備兼容的衍射組合器的批量生產(chǎn)
發(fā)明內(nèi)容

提出了一種用于平視顯示器設(shè)備的衍射組合器，其包括第一光學(xué)衍射光柵，其被配置成沿著衍射方向?qū)⒌谝蝗肷洳ㄩL(zhǎng)的光衍射在沿第一入射方向的第一光學(xué)衍射光柵上；第二光學(xué)衍射光柵，其被配置成沿著相同的衍射方向?qū)⒌诙肷洳ㄩL(zhǎng)的光衍射在沿入射方向的第二光學(xué)衍射光柵上。該組合器包括由具有相對(duì)第一和第二面的透明材料制成的支撐體，在所述相對(duì)的第一和第二面上分別以浮雕方式形成了第一和第二光學(xué)衍射光柵。第一和第二光學(xué)衍射光柵中的至少一個(gè)被形成為波長(zhǎng)復(fù)用光學(xué)衍射光柵，其被配置成沿著衍射方向?qū)⒌谌肷洳ㄩL(zhǎng)的光衍射在沿入射方向的第一和第二光學(xué)衍射光柵中的至少一個(gè)上。換言之，第一和第二光學(xué)衍射光柵是以這樣的方式配置的，即在離開(kāi)衍射組合器的第一、第二和第三波長(zhǎng)的第一階中衍射的光的傳播方向?qū)τ诮o定的入射方向而言是相等的。首先通過(guò)光柵的節(jié)距的自適應(yīng)或真正調(diào)制來(lái)執(zhí)行光柵對(duì)與其相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)的自適應(yīng)。在本說(shuō)明書(shū)的意義內(nèi)，可以將復(fù)用光柵理解為兩個(gè)光柵，每個(gè)適合于使用具有已調(diào)制節(jié)距的單個(gè)光柵執(zhí)行的沿要求方向(針對(duì)給定入射角)的波長(zhǎng)的衍射。在本說(shuō)明書(shū)的上下文中，因此可以替換地將其命名為二重光柵。依照本發(fā)明的組合器因此允許在以單塊形成的單個(gè)支撐體上獲得三個(gè)單(非復(fù)用)光學(xué)衍射光柵的效果。因此基本上降低了組合器的復(fù)雜性，特別是相對(duì)于在申請(qǐng)EP0467328中描述的那個(gè)。光柵在相對(duì)面上以浮雕方式形成的事實(shí)允許將必須被有效地保護(hù)的感光材料分散在組合器內(nèi)。因此可以產(chǎn)生單層組合器(即在單個(gè)支撐體上)，因此克服了材料的兼容性和現(xiàn)有技術(shù)的差分老化的問(wèn)題。另一方面，浮雕允許非常精確地控制衍射效率。優(yōu)選地，第一波長(zhǎng)的光是綠光(在從506至570 nm范圍內(nèi)的波長(zhǎng))，第二波長(zhǎng)的光是紅光(在從630至700 nm范圍內(nèi)的波長(zhǎng))，并且第三波長(zhǎng)的光是藍(lán)光(在從430至490 nm范圍內(nèi)的波長(zhǎng))。特別地，有利的波長(zhǎng)選擇將是532 nm、633 nm和445 nm，或者說(shuō)532 nm、633 nm 和 432 nm。依照本發(fā)明的衍射組合器的支撐體優(yōu)選地由玻璃或透明塑料材料制成，例如由PET (聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)、PMMA (甲基聚甲基丙烯酸酯)、PC (聚碳酸酯)、PVB (聚乙烯醇縮丁醛)等制成。第一和第二光學(xué)衍射光柵優(yōu)選地被配置成使得所述衍射方向?qū)?yīng)于用于第一、第二和第三波長(zhǎng)的衍射的第一階。 依照組合器的有利實(shí)施例，第一和第二光學(xué)衍射光柵被配置成針對(duì)第一、第二和第三波長(zhǎng)執(zhí)行相同焦距的透鏡功能。用于制造組合器的光柵的過(guò)程優(yōu)選地包括激光干擾納米光刻技術(shù)的過(guò)程。用此技術(shù)，借助于激光源，在對(duì)應(yīng)于其希望獲得的光柵的感光層中產(chǎn)生干涉條紋。然后，執(zhí)行化學(xué)雕刻步驟從而獲得感光層中的浮雕變化。然后將這些浮雕變化轉(zhuǎn)移到模具。對(duì)于依照本發(fā)明的組合器而言，對(duì)兩個(gè)面執(zhí)行此過(guò)程。然后可以使用兩個(gè)模具來(lái)批量生產(chǎn)組合器，每個(gè)對(duì)應(yīng)于一個(gè)面，例如用注射或壓花。在替換過(guò)程中，可以產(chǎn)生要產(chǎn)生的光柵的浮雕并通過(guò)數(shù)控雕刻或機(jī)械加工來(lái)以數(shù)字方式保存且轉(zhuǎn)置到各模具。下面我們將更詳細(xì)地描述用于用激光干擾納米光刻技術(shù)來(lái)制造單或復(fù)用光學(xué)衍射光柵的過(guò)程。假設(shè)光束具有η，η ^ I、波長(zhǎng)Xi, i = I至n，其以入射角θ p朝著組合器發(fā)送。情況η = I對(duì)應(yīng)于單光柵，即未被復(fù)用。該過(guò)程包括以下步驟
a)在固體表面(例如玻璃或石英)的扁平表面上沉積均勻厚度的感光層；
b)在由于來(lái)自激光源的兩個(gè)光束Rl和R2的干涉而引起的干涉條紋的感光層上曝
光;
c)將對(duì)應(yīng)于干涉條紋的被曝光的區(qū)域變換成感光層中的浮雕變化并制造再現(xiàn)這些變化的模具；以及
d)使用所述模具來(lái)將衍射浮雕結(jié)構(gòu)從襯底轉(zhuǎn)移到形成衍射組合器的均質(zhì)透明塑料元件。在步驟c)之前執(zhí)行步驟b) η次，每次從來(lái)自波長(zhǎng)λ e的同一光源的兩個(gè)光束Rl和R2開(kāi)始，其具有角Θ y i = I到n，在射束Rl與射束R2之間，等于
權(quán)利要求
1.一種用于平視顯示器設(shè)備(18)的衍射組合器(10)，所述組合器包括第一光學(xué)衍射光柵(14)，其被配置成沿著衍射方向?qū)⒌谝蝗肷洳ㄩL(zhǎng)的光衍射到沿入射方向的所述第一光學(xué)衍射光柵上；第二光學(xué)衍射光柵(16),其被配置成沿著所述衍射方向?qū)⒌诙肷洳ㄩL(zhǎng)的光衍射到所述沿入射方向的所述第二光學(xué)衍射光柵上，所述組合器的特征在于這樣的事實(shí)，即其包括 支撐體(12)，其由具有相對(duì)的第一和第二面的透明材料制成，在所述相對(duì)的第一和第二面上分別以浮雕方式形成有第一(14)和第二( 16)光學(xué)衍射光柵； 在于這樣的事實(shí)，即第一和第二光學(xué)衍射光柵中的至少一個(gè)是波長(zhǎng)復(fù)用光學(xué)衍射光柵，其被配置成沿著所述衍射方向?qū)⒌谌肷洳ㄩL(zhǎng)的光衍射到沿所述入射方向的所述第一和第二光學(xué)衍射光柵中的至少一個(gè)上。
2.如權(quán)利要求I所述的衍射組合器(10)，其中，所述第一波長(zhǎng)的光是綠光，所述第二波長(zhǎng)的光是紅光且所述第三波長(zhǎng)的光是藍(lán)光。
3.如權(quán)利要求I或2所述的衍射組合器(10)，其中，所述支撐體(12)由玻璃或透明塑料材料制成，例如由PET、PMMA、PC、PVB制成。
4.如權(quán)利要求I至3中的任一項(xiàng)所述的衍射組合器(10)，其中，第一(14)和第二(16)光學(xué)衍射光柵被配置成使得所述衍射方向?qū)?yīng)于用于所述第一、第二和第三波長(zhǎng)中的每一個(gè)波長(zhǎng)的衍射的第一階。
5.如權(quán)利要求I至4中的任一項(xiàng)所述的衍射組合器(10)，其中，所述第一(14)和第二(16)光學(xué)衍射光柵被配置成對(duì)第一、第二和第三波長(zhǎng)的光執(zhí)行相同焦距的透鏡功能。
6.一種平視顯示器設(shè)備(18)，包括 投影單元(20)，其能夠從由不同色彩的單色圖像的疊加產(chǎn)生的彩色圖像投射包含第一波長(zhǎng)的光、第二波長(zhǎng)的光和第三波長(zhǎng)的光的光束，所述不同色彩中的每一個(gè)分別對(duì)應(yīng)于所述波長(zhǎng)中的一個(gè)； 以及如權(quán)利要求I至5中的任一項(xiàng)所述的衍射組合器(10)，其被相對(duì)于投影單元(20)定位，從而接收由投影單元沿所述入射方向投射的光束，并沿著所述衍射方向衍射光束的第一、第二和第三波長(zhǎng)的光的至少一部分，以因此在用戶(hù)(24)的視場(chǎng)中產(chǎn)生由投影單元產(chǎn)生的圖像(28)的虛擬彩色圖像(26)。
7.如權(quán)利要求6所述的平視顯示器設(shè)備(18)，其中，衍射組合器(10)的第一(14)和第二(16)光學(xué)衍射光柵被配置成將虛像(26)定位于與衍射組合器(10)相距在I至3m范圍內(nèi)的距離處。
8.如權(quán)利要求6或7所述的平視顯示器設(shè)備(18)，與如權(quán)利要求4所述的衍射組合器(10 )相組合，其中，衍射組合器的第一(14 )和第二( 16 )光學(xué)衍射光柵被針對(duì)衍射組合器(10)的定位進(jìn)行調(diào)整，從而將寄生虛像(30)放置于用戶(hù)(24)的視場(chǎng)外面。
9.如權(quán)利要求8所述的平視顯示器設(shè)備(18)，其中，所述入射方向和所述衍射方向在它們之間形成大于30°、優(yōu)選地大于40°的角，以因此將寄生虛像(30)放置在用戶(hù)(24)的視場(chǎng)外面。
10.如權(quán)利要求6至9中的任一項(xiàng)所述的平視顯示器設(shè)備(18)，其中所述衍射組合器(10)被構(gòu)造成以透射方式操作。
11.如權(quán)利要求6至10中的任一項(xiàng)所述的平視顯示器設(shè)備(18)，其中，所述衍射組合器(10 )被構(gòu)造成以反射方式操作。
12.如權(quán)利要求11所述的平視顯示器設(shè)備(18)，其中，所述衍射組合器包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)反射層，例如部分地反射或二向色層，適合于在投影單元中使用的波長(zhǎng)。
13.如權(quán)利要求6至9中的任一項(xiàng)所述的平視顯示器設(shè)備(18)，其中，作為虛擬彩色圖像(26)的亮度水平的函數(shù)和/或虛像(26)中的對(duì)應(yīng)于第一、第二和第三波長(zhǎng)的色彩平衡的函數(shù)來(lái)選擇用于第一、第二和第三波長(zhǎng)的衍射組合器(10)的衍射效率。
14.如權(quán)利要求13所述的平視顯示器設(shè)備(18)，其中，通過(guò)控制衍射組合器(10)的第一(14)和第二( 16)光學(xué)衍射光柵的浮雕的深度來(lái)調(diào)整衍射組合器(10)的衍射效率。
全文摘要
一種用于平視彩色顯示器設(shè)備(18)的衍射組合器(10)包括第一光學(xué)衍射光柵(14)，其被配置成沿著衍射方向?qū)⒌谝蝗肷洳ㄩL(zhǎng)的光衍射在沿入射方向的第一光柵上；第二光學(xué)衍射光柵(16)，其被配置成沿著同一衍射方向?qū)⒌诙肷洳ㄩL(zhǎng)的光衍射在沿入射方向的第二光柵上。第一和第二光學(xué)衍射光柵在組合器的第一和第二向?qū)γ嫔弦愿〉穹绞叫纬?。第一?或第二光柵被形成為波長(zhǎng)復(fù)用光學(xué)衍射光柵并被配置成沿著衍射方向?qū)⒌谌肷洳ㄩL(zhǎng)的光衍射在沿入射方向的第一和/或第二光學(xué)衍射光柵上。
文檔編號(hào)G02B27/01GK102947736SQ201180013953
公開(kāi)日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2011年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月17日
發(fā)明者H.穆薩, I.埃爾阿菲迪 申請(qǐng)人:德?tīng)柗萍夹g(shù)公司, 斯特拉斯堡大學(xué)