Система проекции виртуального изображения на экран с эффектом устранения влияния солнечного излучения
Изобретение относится к устройствам дополненной реальности, а именно к проекции виртуального изображения на экран дополненной реальности, и позволяет устранить влияние солнечного излучения на дисплей. Система содержит экран, поляризационный фильтр, селективный дихроичный фильтр, первое зеркало, второе зеркало, дисплей. Поляризационный фильтр поляризует солнечное излучение, прошедшее через экран. Селективный дихроичный фильтр пропускает излучение рабочего диапазона дисплея, ультрафиолетовую составляющую излучения и/или инфракрасную составляющую излучения и отражает все остальные длины волн излучения. Первое зеркало отражает излучение, прошедшее через селективный дихроичный фильтр. Второе зеркало пропускает или поглощает ультрафиолетовую составляющую излучения и/или инфракрасную составляющую излучения, отраженного от первого зеркала, и направляет излучение с остальными длинами волн к дисплею. 5 н. и 13 з.п. ф-лы, 11 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится устройствам дополненной реальности, а именно к проекции виртуального изображения на экран дополненной реальности.
Описание предшествующего уровня техники
Системы проекционных дисплеев Head-up Display (HUD) для проекции изображения на полупрозрачный экран становятся все более популярными. Такие системы используются в шлемах виртуальной реальности, а также для проекции изображения, например, на лобовое стекло автомобиля и т.д. Системы проекции изображения на лобовое стекло заимствованы у военной авиации, с помощью таких систем пилоты имеют возможность считывать данные полета не с панели приборов, а с лобового стекла самолета. При проекции изображения проекционного дисплея на лобовое стекло возникает проблема перегрева проекционного дисплея солнечным излучением, поступающим из окружающей среды через лобовое стекло. Система проекционного дисплея для проекции изображения состоит из дисплея, проекционной оптики и лобового стекла, солнечное излучение, проходя через лобовое стекло вызывает сильную засветку дисплея, при этом дисплей начинает перегреваться, что приводит к искажению передачи цветов от дисплея и, в конечном счете к поломке дисплея.
Существуют различные решения, направленные на устранение проблемы перегрева дисплея солнечным излучением. Например, применяются вентиляторные системы, но такие системы являются громоздкими и шумными. Также известны решения водяного охлаждения, такие системы являются сложными и дорогими.
В уровне техники существуют решения, устраняющие засветку дисплея и улучшающие цветопередачу дисплея, но как правило такие решения являются малоэффективными. Например, из уровня техники известно решение, описанное в документе US20150098029A1 (дата публикации 09.04.2015). Предусмотрено устройство отображения на лобовом стекле (HUD), способное предотвращать повреждение жидкокристаллического устройства отображения из-за попадания внешнего света. Устройство HUD имеет жидкокристаллическую панель и снабжено жидкокристаллическим устройством отображения, средством управления. Плоское зеркало, составляющее оптическую систему, позволяет инфракрасным лучам падающего света проходить за зеркалом и отражать видимый свет. Устройство HUD снабжено датчиком инфракрасного излучения, расположенным за плоским зеркалом. Недостатком этого решения является невозможность устранения ультрафиолетовой составляющей засветки.
Также из уровня техники известно решение, раскрытое в документе US20180101005A1 (дата публикации 12.04.20180). Известное устройство отображения на лобовом стекле снабжено: проектором, предназначенным для излучения света дисплея, который показывает изображение дисплея; экраном пропускающего типа, имеющим светопринимающую поверхность, которая принимает свет дисплея, и излучающую поверхность, которая излучает свет дисплея; и вторым отражающим зеркалом, которое отражает свет дисплея, исходящий от экрана пропускающего типа. С помощью известного решения невозможно устранить значительную часть излучения, засвечивающего дисплей, поскольку устройство не использует поляризаторы.
Также известно решение, раскрытое в документе US2014177040A1 (дата публикации 26.06.2014). Известное устройство отображения содержит панель отображения, имеющую поверхность отображения, слой фильтра, отсекающего инфракрасное излучение, расположенный на стороне поверхности отображения панели отображения, и слой поляризации, расположенный в положении, более удаленном от поверхности отображения, чем слой фильтра, отсекающего инфракрасное излучение. Недостатком известного устройства также является невозможность устранения ультрафиолетовой составляющей засветки, также не устраняется видимая составляющая засветки.
Необходимо решение, которое могло бы устранить большую часть вредного излучения засветки, тем самым предотвращая искажение изображения, проецирующегося на экран, и предотвращая перегрев дисплея.
Сущность изобретения
Предлагается система проекции изображения на экран с эффектом устранения влияния солнечного излучения на дисплей, содержащая: экран; поляризационный фильтр; селективный дихроичный фильтр; первое зеркало; второе зеркало; дисплей; причем поляризационный фильтр, селективный дихроичный фильтр, первое зеркало, второе зеркало расположены между экраном и дисплеем; поляризационный фильтр выполнен с возможностью поляризации солнечного излучения, прошедшего через экран; селективный дихроичный фильтр расположен за поляризационным фильтром и выполнен с возможностью пропускания излучения рабочего диапазона дисплея, ультрафиолетовой составляющей излучения и/или инфракрасной составляющей излучения и отражения всех остальных длин волн излучения; первое зеркало выполнено с возможностью отражения излучения, прошедшего через селективный дихроичный фильтр; второе зеркало выполнено с возможностью пропускания или поглощения ультрафиолетовой составляющей излучения и/или инфракрасной составляющей излучения, отраженного от первого зеркала, и направления излучения с остальными длинами волн к дисплею. Причем система дополнительно содержит источник излучения, расположенный за дисплеем. Причем поляризационный фильтр может представлять собой одно из следующего: линейного s-поляризатора с четвертьволновой пластинкой, линейного р-поляризатора с четвертьволновой пластинкой, циркулярного поляризатора с левой поляризацией, циркулярного поляризатора с правой поляризацией, линейного s-поляризатора, линейного p-поляризатора.
В другом варианте воплощения предлагаемого изобретения система проекции изображения на экран с эффектом устранения влияния солнечного излучения на дисплей содержит экран; поляризационный фильтр; селективный дихроичный фильтр; фильтр; первое зеркало; второе зеркало; дисплей; причем поляризационный фильтр, селективный дихроичный фильтр, фильтр, первое зеркало, второе зеркало расположены между экраном и дисплеем; поляризационный фильтр выполнен с возможностью поляризации солнечного излучения, прошедшего через экран; селективный дихроичный фильтр расположен за поляризационным фильтром и выполнен с возможностью пропускания излучения рабочего диапазона дисплея, ультрафиолетовой составляющей излучения и/или инфракрасной составляющей излучения, и отражения остальных длин волн излучения; фильтр выполнен с возможностью поглощения ультрафиолетовой составляющей и инфракрасной составляющей излучения и пропускания остальных длин волн излучения; первое зеркало выполнено с возможностью отражения излучения, прошедшего все упомянутые поляризационный фильтр, селективный дихроичный фильтр и фильтр; второе зеркало, выполненное с возможностью направления излучения от первого зеркала к дисплею. Причем систем дополнительно содержит источник излучения, расположенный за дисплеем. Причем фильтр может быть расположен до поляризационного фильтра или после селективного дихроичного фильтра. Поляризационный фильтр может представлять собой одно из следующего: линейного s-поляризатора с четвертьволновой пластинкой, линейного р-поляризатора с четвертьволновой пластинкой, циркулярного поляризатора с левой поляризацией, циркулярного поляризатора с правой поляризацией, линейного s-поляризатора, линейного p-поляризатора.
В следующем варианте воплощения предлагаемого изобретения система проекции изображения на экран с эффектом устранения влияния солнечного излучения на дисплей, содержит экран; первое зеркало; второе зеркало; поляризационный фильтр; селективный дихроичный фильтр; дисплей; причем первое зеркало, второе зеркало, поляризационный фильтр, селективный дихроичный фильтр расположены между экраном и дисплеем; первое зеркало выполнено с возможностью направления солнечного излучения, прошедшего через экран на второе зеркало; второе зеркало выполнено с возможностью пропускания или поглощения ультрафиолетовой составляющей солнечного излучения и/или инфракрасной составляющей солнечного излучения и направления излучения с остальными длинами волн на поляризационный фильтр; поляризационный фильтр выполнен с возможностью поляризации излучения; селективный дихроичный фильтр расположен за поляризационным фильтром и выполнен с возможностью пропускания излучения рабочего диапазона дисплея, направления пропущенного излучения к дисплею, и отражения излучения с остальными длинами волн. Причем система дополнительно содержит источник излучения, расположенный за дисплеем. Поляризационный фильтр может представлять собой одно из следующего: линейного s-поляризатора с четвертьволновой пластинкой, линейного р-поляризатора с четвертьволновой пластинкой, циркулярного поляризатора с левой поляризацией, циркулярного поляризатора с правой поляризацией, линейного s-поляризатора, линейного p-поляризатора.
В следующем варианте воплощения предлагаемого изобретения система проекции изображения на экран с эффектом устранения влияния солнечного излучения на дисплей, содержит экран; поляризационный фильтр; первое зеркало; второе зеркало; дисплей; причем поляризационный фильтр, первое зеркало, второе зеркало, расположены между экраном и дисплеем; поляризационный фильтр выполнен с возможностью поляризации солнечного излучения; первое зеркало выполнено с возможностью отражения излучения рабочего диапазона дисплея, ультрафиолетовой составляющей солнечного излучения и/или инфракрасной составляющей солнечного излучения, прошедшего поляризационный фильтр, и поглощения всех остальных длин волн солнечного излучения, и направления отраженного излучения на второе зеркало; второе зеркало выполнено с возможностью пропускания или поглощения ультрафиолетовой составляющей солнечного излучения и инфракрасной составляющей солнечного излучения, отражения всех остальных длин волн солнечного излучения, и направления отраженного излучения к дисплею. Причем первое зеркало выполнено в виде селективного дихроичного зеркала. Систем может дополнительно содержать источник излучения, расположенный за дисплеем. Причем поляризационный фильтр может представлять собой одно из следующего: линейного s-поляризатора с четвертьволновой пластинкой, линейного р-поляризатора с четвертьволновой пластинкой, циркулярного поляризатора с левой поляризацией, циркулярного поляризатора с правой поляризацией, линейного s-поляризатора, линейного p-поляризатора.
В еще одном варианте воплощения предлагаемого изобретения система проекции изображения на экран, с эффектом устранения влияния солнечного излучения на дисплей, содержит экран; поляризационный фильтр; первое зеркало; второе зеркало; дисплей; причем поляризационный фильтр, первое зеркало, второе зеркало, расположены между экраном и дисплеем; поляризационный фильтр выполнен с возможностью поляризации солнечного излучения; первое зеркало выполнено с возможностью пропускания или поглощения ультрафиолетовой составляющей солнечного излучения и/или инфракрасной составляющей солнечного излучения, прошедшего поляризационный фильтр, отражения всех остальных длин волн солнечного излучения, и направления отраженного излучения ко второму зеркалу; второе зеркало выполнено с возможностью отражения излучения рабочего диапазона дисплея, и поглощения всех остальных длин волн солнечного излучения, и направления отраженного излучения к дисплею. Причем второе зеркало может быть выполнено в виде селективного дихроичного зеркала. Система может дополнительно содержать источник излучения, расположенный за дисплеем. Причем поляризационный фильтр может представлять собой одно из следующего: линейного s-поляризатора с четвертьволновой пластинкой, линейного р-поляризатора с четвертьволновой пластинкой, циркулярного поляризатора с левой поляризацией, циркулярного поляризатора с правой поляризацией, линейного s-поляризатора, линейного p-поляризатора.
Краткое описание чертежей
Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:
Фиг. 1 иллюстрирует оптическую схему системы устранения солнечной засветки дисплея в системе проекции изображения на экран.
Фиг. 2 иллюстрирует вариант воплощения изобретения, в котором поляризационный фильтр представляет собой линейный s-поляризатор 4a в сочетании с четвертьволновой пластинкой.
Фиг.3 иллюстрирует вариант воплощения изобретения, содержащий фильтр, поглощающий ультрафиолетовую составляющую и инфракрасную составляющую.
Фиг.4 иллюстрирует вариант воплощения изобретения, в котором поляризационный фильтр и селективный дихроичный фильтр расположены непосредственно после дисплея.
Фиг. 5 иллюстрирует вариант воплощения изобретения, в котором первое зеркало выполнено в виде селективного дихроичного зеркала.
Фиг. 6 иллюстрирует вариант воплощения изобретения, в котором второе зеркало выполнено в виде селективного дихроичного зеркала.
Фиг. 7 иллюстрирует схематичный спектр пропускания селективного дихроичного фильтра.
Фиг. 8a иллюстрирует график плотности солнечной засветки дисплея без применения предлагаемой системы.
Фиг. 8b иллюстрирует график плотности солнечной засветки дисплея в случае применения системы проекции изображения на экран, содержащей только линейный s-поляризатор и четвертьволновую пластинку.
Фиг. 8с иллюстрирует график плотности солнечной засветки дисплея в случае применения системы проекции изображения на экран, содержащей только линейный s-поляризатор, четвертьволновую пластинку и селективный дихроичный фильтр.
Фиг. 8d иллюстрирует график плотности солнечной засветки дисплея в случае применения предлагаемой системы проекции изображения на экран с эффектом устранения влияния солнечного излучения, содержащей линейный s-поляризатор, четвертьволновую пластинку, дихроичный фильтр и фильтр, устраняющий ультрафиолетовую и инфракрасную составляющие излучения.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение решает проблему устранения перегрева дисплея, в устройстве проекции изображения на экран, а также проблему искажения изображения от дисплея, вызванного засветкой дисплея излучением, попавшим из окружающей среды. В качестве экрана может использоваться любая прозрачная или полупрозрачная поверхность.
Принципиальная схема устройства проекции изображения на экран состоит из осветительной оптики, дисплея, проекционной оптики, экрана. С помощью проекционной оптики и экрана изображение дисплея перенаправляется в глаза наблюдателя.
Солнечное излучение, то есть излучение от внешней среды, попадает через экран и проходит тот же оптический путь, что и излучение от дисплея, только в обратную сторону, фокусируется на дисплее, что вызывает перегрев дисплея, что может приводить к поломке устройства и повышается вероятность возникновения воспламенения. Для устранения перегрева дисплея необходимо устранить солнечную засветку дисплея.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является необходимость снижения теплового перегрева дисплея устройства проекции виртуального изображения на прозрачный экран путем минимизации нагрузки солнечного излучения на дисплей.
Для решения поставленной задачи необходимо:
- устранение части неполяризованного солнечного излучения;
- частичное устранение видимого спектра солнечного излучения;
- устранение инфракрасного и ультрафиолетового спектра солнечного излучения.
На фигуре 1 показана предлагаемая система проекции изображения на прозрачный экран с эффектом устранения влияния солнечного излучения.
Система (устройство) проекции изображения на экран состоит из дисплея 1, системы 2 зеркал и экрана 3. В общем случае излучение от дисплея 1 (показано сплошной стрелкой) отражаясь от системы 2 зеркал проецируется на экран 3. Пользователь видит изображение, спроецированное от дисплея 1 на экран 3.
Устранение влияния солнечного излучения происходит за счет системы оптических элементов, представляющих собой поляризационный фильтр 4, селективный дихроичный фильтр 5 и покрытие 6, нанесенное на одно из зеркал, устраняющее инфракрасную и ультрафиолетовую составляющие солнечного излучения.
Селективный дихроичный фильтр 5 пропускает только длины волн рабочего излучения, на котором работает дисплей 1, а также ультрафиолетовую составляющую солнечного излучения и инфракрасную составляющую солнечного излучения. Покрытие 6, нанесенное на одно из зеркал, пропускает или поглощает ультрафиолетовое излучение и инфракрасное излучение и отражает оставшуюся часть солнечного излучения.
В этом случае система проекции изображения на экран с эффектом устранения влияния солнечного излучения содержит следующие элементы, расположенные по ходу солнечного излучения:
экран 3;
поляризационный фильтр 4, выполненный с возможностью поляризации солнечного излучения;
селективный дихроичный фильтр 5, выполненный с возможностью пропускания излучения рабочего диапазона дисплея 1, ультрафиолетовой составляющей солнечного излучения и инфракрасной составляющей солнечного излучения, и отражения всех остальных длин волн солнечного излучения;
первое зеркало a, выполненное с возможностью отражения любого излучения;
второе зеркало b, выполненное с возможностью пропускания или поглощения ультрафиолетовой составляющей солнечного излучения и инфракрасной составляющей солнечного излучения и отражения остальной составляющей солнечного излучения;
дисплей 1.
В случае, если дисплей 1 является прозрачным, то он может иметь отдельную осветительную часть 8.
Излучение от солнца (ход лучей солнечного излучения показан пунктирной линией, ход лучей от дисплея показан сплошной линией), проходит через экран 3, попадает на поляризационный фильтр 4, на котором поляризуется. Поляризатор пропускает только линейно-поляризованную часть солнечного излучения, тем самым устраняя до 50% солнечной засветки. Поляризованное излучение попадает на селективный дихроичный фильтр 5, который частично устраняет видимый спектр солнечного излучения, при этом селективный дихроичный фильтр 5 пропускает излучение рабочего диапазона дисплея 1, ультрафиолетовую составляющую солнечного излучения и инфракрасную составляющую солнечного излучения и отражает остальное видимое излучение. Далее оставшееся солнечное излучение попадает на первое зеркало a, и отразившись от него попадает на второе зеркало b, на которое нанесено покрытие 6, поглощающее или пропускающее ультрафиолетовую составляющую и инфракрасную составляющую солнечного излучения, и отражающее оставшуюся часть солнечного излучения. Оставшееся солнечное излучение попадает на дисплей 1. Причем обработанное таким образом солнечное излучение обладает очень маленькой интенсивностью и мощностью и не может нагреть дисплей 1. Кроме того, обработанное солнечное излучение не может вносить помехи в работу дисплея 1 и искажать изображение, проходящее от дисплея 1 на экран 3.
Как показано на фиг. 2 поляризационный фильтр 4 может представлять собой линейный s-поляризатор 4а в сочетании с четвертьволновой пластинкой 4b. S-поляризатор 4а пропускает только s-поляризованное излучение, поглощая оставшуюся часть излучения. Линейный s-поляризованный свет проходит через четвертьволновую пластинку 4b без ослабления, но его поляризация преобразуется в круговую поляризацию. Узкие спектральные линии видимого спектра частично пропускаются селективным дихроичным фильтром 5, остальная часть излучения отражается и не проходит дальше, а возвращается на четвертьволновую пластинку 4b, где возвращается к линейной поляризации, но поворачивается на 90 °, достигает s-поляризатора 4а и поглощается им. Линейный s-поляризатор 4а и четвертьволновая пластинка 4b сделаны из кристаллических материалов (например, кварца) и должны быть расположены в устройстве проекции в соответствии с ориентацией их осей и оси поляризации дисплея 1.
Четвертьволновая пластинка 4b также используется для преобразования эллиптически поляризованного (или неполяризованного) излучения из дисплея в линейный s-поляризованный свет. Необходимо отметить, что вместо s-поляризатора можно использовать p-поляризатор, но лучше использовать именно s-поляризатор, поскольку линейная s-поляризация предпочтительна для более высокого френелевского отражения полезного излучения от поверхности экрана 3 для проецирования изображения. В случае, когда дисплей излучает эллиптически-поляризованный свет, его нужно преобразовать в s-поляризованный, чтобы достичь максимального отражения от лобового стекла, поскольку коэффициент отражения s-поляризации гораздо выше, чем коэффициент отражения p-поляризации, это происходит всегда из-за разного коэффициента отражения и пропускания для света с разной поляризацией, что следует из формул Френеля.
Селективный дихроичный фильтр 5 состоит из многочисленных слоев, толщина которых рассчитывается по спектральным линиям λn пропускания. Фильтр 5 представляет собой стеклянную подложку, на которую нанесены слои из диэлектрических материалов, толщину и количество слоев можно рассчитать таким образом, чтобы отражались только некоторые длины волн, такие фильтры используются в лазерных резонаторах, в делителях пучка, в интерферометрах. Спектральные линии пропускания λn соответствуют рабочим длинам волн λn и длинам волн ИК (инфракрасного) и УФ (ультрафиолетового) диапазонов дисплея.
Покрытие, нанесенное на зеркало, пропускающее ИК и УФ диапазоны излучения, представляет собой многочисленные слои, толщина которых рассчитывается в соответствии с пропусканием спектральных диапазонов. Действие диэлектрического зеркала основано на интерференции световых лучей, отраженных от границ между слоями диэлектрического покрытия. Толщины слоев определяют положение максимума кривой пропускания. От числа слоев зависит ширина зоны пропускания фильтра и степень подавления ненужной части спектра. Обработанное таким образом солнечное излучение преобразуется в излучение с селективными длинами волн, которые являются рабочими длинами волн для дисплея.
На фиг. 3 показана система проекции изображения на экран с эффектом устранения влияния солнечного излучения, содержащая следующие элементы:
экран 3;
дисплей 1;
поляризационный фильтр 4;
селективный дихроичный фильтр 5;
УФ/ИК (ультрафиолетовый/инфракрасный) фильтр 9;
первое зеркало a;
второе зеркало b.
Поляризационный фильтр 4, селективный дихроичный фильтр 5, УФ/ИК фильтр 9, первое зеркало a, второе зеркало b расположены между экраном 3 и дисплеем 1.
Солнечное излучение, показанное пунктирной стрелкой (ход лучей солнечного излучения показан пунктирной линией, ход лучей от дисплея показан сплошной линией), проходит через экран 3 и попадает на поляризационный фильтр 4. Поляризационный фильтр 4 пропускает только линейно-поляризованную часть солнечного излучения, устраняя 50% солнечной засветки. Далее излучение попадает на селективный дихроичный фильтр 5, частично устраняющий видимый спектр солнечного излучения. Селективный дихроичный фильтр 5 пропускает излучение рабочего диапазона дисплея 1, ультрафиолетовую составляющую солнечного излучения и инфракрасную составляющую солнечного излучения и отражает остальное видимое излучение. Далее излучение попадает на УФ/ИК фильтр 9, который выполнен с возможностью поглощения ультрафиолетовой составляющей и инфракрасной составляющей излучения и пропускания остальных длин волн излучения. УФ/ИК фильтр 9 может располагаться как до поляризационного фильтра 4, так и после селективного дихроичного фильтра 5. После фильтров оставшееся после фильтрации солнечное излучение попадает на первое зеркало a, которое направляет излучение на второе зеркало b. Второе зеркало b в свою очередь направляет оставшееся солнечное излучение на дисплей.
Также, как и в первом варианте воплощения за дисплеем может располагаться осветительная система, а также поляризационный фильтр 4 может представлять собой s-поляризатор в сочетании с четвертьволновой пластинкой.
На фиг. 4 показан вариант воплощения, в котором поляризационный фильтр и селективный дихроичный фильтр расположены непосредственно рядом с дисплеем.
В таком варианте воплощения предлагаемого изобретения система проекции изображения на прозрачный экран, с эффектом устранения влияния солнечного излучения содержит следующие элементы:
экран 3;
дисплей 1;
первое зеркало a;
второе зеркало b;
поляризационный фильтр 4;
селективный дихроичный фильтр 5; причем
первое зеркало a, второе зеркало b, поляризационный фильтр 4, селективный дихроичный фильтр 5 расположены между экраном 3 и дисплеем 1.
В этом варианте воплощения первое зеркало a расположено таким образом, что на него попадает солнечное излучение (ход лучей солнечного излучения показан пунктирной линией, ход лучей от дисплея показан сплошной линией), прошедшее через экран 3. Солнечное излучение отражается от первого зеркала a и направляется на второе зеркало b. Второе зеркало b выполнено с возможностью пропускания (или поглощения) ультрафиолетовой составляющей солнечного излучения и инфракрасной составляющей солнечного излучения и направления (отражения) всех остальных длин волн излучения на поляризационный фильтр 4. Поляризационный фильтр 4, также как и в остальных вариантах воплощения изобретения пропускает только линейно-поляризованную часть солнечного излучения, тем самым устраняя до 50% солнечной засветки. Поляризованное излучение попадает на селективный дихроичный фильтр 5, который устраняет видимый спектр солнечного излучения и пропускает излучение рабочего диапазона дисплея 1. Отфильтрованное таким образом солнечное излучение попадает на дисплей.
На фигуре 5 показан вариант воплощения изобретения, в котором вместо селективного дихроичного фильтра 5 используется селективное дихроичное зеркало, которое расположено на месте первого зеркала a. Селективное дихроичное зеркало в этом случае может быть выполнено в виде обычного зеркала с нанесенным на него селективным дихроичным покрытием. В этом варианте воплощения солнечное излучение проходит через экран 3, попадает на поляризационный фильтр 4, на котором поляризуется, причем, как и во всех вариантах воплощения, поляризатор пропускает только линейно-поляризованную часть солнечного излучения, тем самым устраняя до 50% солнечной засветки. Поляризованное излучение попадает на первое зеркало а, которое отражает только излучение рабочего диапазона дисплея 1, ультрафиолетовую составляющую солнечного излучения и инфракрасную составляющую солнечного излучения и поглощает остальное видимое излучение. Далее оставшееся солнечное излучение попадает на второе зеркало b, на которое нанесено покрытие 6, поглощающее или пропускающее ультрафиолетовую составляющую и инфракрасную составляющую солнечного излучения, и отражающее оставшуюся часть излучения. Оставшееся излучение попадает на дисплей 1. Причем, также, как и во всех вариантах воплощения, обработанное таким образом солнечное излучение обладает очень маленькой интенсивностью и мощностью и не может нагреть дисплей 1.
За дисплеем 1 может быть расположен источник света 8, который освещает дисплей 1.
На фигуре 6 показан вариант воплощения изобретения, в котором первое зеркало a выполнено с возможностью пропускания или поглощения ультрафиолетовой составляющей солнечного излучения и инфракрасной составляющей солнечного излучения и с возможностью отражения оставшейся части спектра. Второе зеркало b содержит покрытие, выполненное с возможностью отражения излучения рабочего диапазона дисплея, и поглощения всех остальных длин волн солнечного излучения, то есть второе зеркало b выполнено в виде селективного дихроичного зеркала.
В этом варианте воплощения солнечное излучение проходит через экран 3, попадает на поляризационный фильтр 4, на котором поляризуется, причем, как и во всех вариантах воплощения, поляризатор пропускает только линейно-поляризованную часть солнечного излучения, тем самым устраняя до 50% солнечной засветки. Поляризованное излучение попадает на первое зеркало а, на которое нанесено покрытие 6, поглощающее или пропускающее ультрафиолетовую составляющую и инфракрасную составляющую солнечного излучения, и отражающее оставшуюся часть излучения. Оставшееся излучение попадает на зеркало b, которое отражает только излучение рабочего диапазона дисплея 1 и поглощает остальное видимое излучение. Далее оставшееся солнечное излучение попадает на дисплей 1.
За дисплеем 1 может быть расположен источник 8 света, который освещает дисплей 1.
Изначально солнечное излучение, падающее на экран 3, является неполяризованным, то есть оно состоит из всех возможных состояний поляризации. Солнечное излучение, проходя через поляризационный фильтр 4 не изменяет свой спектральный состав, но изменяется амплитудная часть солнечного излучения, поскольку проходит только одна поляризация, которая разрешена для данного поляризационного фильтра. Как известно, неполяризованное излучение можно представить в виде двух ортогональных поляризаций, и амплитуда всего излучения делится поровну между этими двумя ортогональными поляризациями. Поэтому, поляризационный фильтр 4, устраняющий неполяризованное излучение, пропускает только 50% солнечного излучения. Поляризационный фильтр 4 может представлять собой комбинацию линейного s-поляризатора и четвертьволновой пластинки, комбинацию линейного р-поляризатора и четвертьволновой пластинки, циркулярный поляризатор с левой поляризацией или циркулярный поляризатор с правой поляризацией, линейный s- или p-поляризатор. Также можно использовать любую комбинацию поляризационных элементов, при этом оси поляризации элементов поляризационного фильтра должны соответствовать поляризации дисплея и отражательной способности экрана, то есть оси поляризации поляризатора и дисплея должны совпадать. Кроме того, поскольку степень отражения излучения от экрана 3 в глаза пользователя зависит от поляризации излучения, то при изготовлении предлагаемой системы требуется учесть согласованность поляризации излучения и вида используемого экрана.
Селективный дихроичный фильтр 5 имеет спектр пропускания, схематично изображенный на фиг. 7. Селективный дихроичный фильтр пропускает только длины волн, соответствующие длинам волн, на которых работает дисплей, остальные длины волн селективный дихроичный фильтр отражает. Селективный дихроичный фильтр устраняет около 17,5% солнечного излучения, а именно исключает излучение видимой области спектра солнечного излучения и пропускает только излучение в рабочем диапазоне дисплея. На фиг. 7 показаны длины волн λ1, λ2, λ3 …, которые пропускает селективный дихроичный фильтр, и которые являются рабочими длинами волн используемого в системе дисплея, то есть являются спектральным диапазоном дисплея.
При использовании поляризационного фильтра 4 и селективного дихроичного фильтра 5 улучшается баланс белого в виртуальном изображении, проектируемом дисплеем на прозрачный экран. При использовании дисплея с широким спектром излучения виртуальное изображение, получаемое на прозрачном экране, не будет иметь достаточную контрастность, поскольку цветное изображение формируется из трех составляющих спектра R, G, B, чем уже полосы каждого спектра, тем точнее происходит передача цвета у виртуального изображения. Для увеличения контрастности и улучшения баланса белого поляризационный фильтр и селективный дихроичный фильтр могут быть выполнены таким образом, чтобы пропускать только определенный необходимый рабочий диапазон длин волн дисплея.
Зеркало b или фильтр, выполнено с возможностью поглощения или пропускания ультрафиолетовой составляющей солнечного излучения и инфракрасной составляющей солнечного излучения, и устраняет около 28,5% солнечного излучения. Этот элемент может представлять собой подложку с многослойным тонкопленочным покрытием или фильтром, пропускающим, поглощающим или отражающим ультрафиолетовую (УФ) и инфракрасную (ИК) части спектра и отражающим или пропускающим видимую часть спектра. Также этот элемент можно выполнить поглощающим только ИК излучение, тогда засветка дисплея будет значительно выше, но изготовление такого фильтра (или зеркала) будет стоить гораздо дешевле, чем изготовление фильтра или зеркала с поглощением и ультрафиолетовой и инфракрасной составляющих солнечного излучения.
Зеркало a может быть полностью (или частично) отражающим зеркалом с асферической, или плоской, или произвольной формой поверхности. Вместо зеркала могут использоваться другие подходящие оптические элементы, а также линзовые системы.
Экран 3, на который проецируется изображение от дисплея может представлять собой автомобильное лобовое стекло, может быть полупрозрачным экраном, а также экраном или комбайнером, объединяющим реальное и виртуальное изображение, использующимся в шлемах виртуальной реальности, частично отражающим зеркалом, голографическим оптическим элементом.
Дисплей 1 может излучать эллиптически-поляризованный или неполяризованный свет. Дисплей может быть:
- ЖК (жидкокристаллический) дисплеем;
- диффузором в сочетании с: дисплеем LCoS (жидкокристаллический на кремнии), DLP-дисплеем с цифровой обработкой света; дисплеем MEMS (микроэлектромеханические системы).
Источник излучения может быть
- блоком подсветки с RGB (или белыми) светодиодами;
- RGB (или белой) светодиодной системой освещения;
- лазерной проекционной системой;
- галогеновой лампой.
Необходимо отметить, что характеристики всех элементов системы подбираются таким образом, чтобы согласовываться с характеристиками используемого дисплея.
На фиг. 8а показан график плотности солнечной засветки дисплея без применения предлагаемой системы. Мощность засветки дисплея без применения предлагаемой системы составляет 50 Вт, плотность засветки 21,2 кВт/м2.
На всех графиках 8а-8d ось Х соответствует координате Х (мм) на дисплее, условно 0 - середина экрана по оси Х, ось Y соответствует плотности засветки (Вт/мм2).
На фиг. 8b показан график плотности солнечной засветки дисплея в случае применения системы проекции изображения на экран, содержащей только линейный s-поляризатор и четвертьволновую пластинку. Мощность засветки в этом случае становится гораздо ниже и составляет 24,4 Вт, плотность засветки 10,3 кВт/м2.
На фиг. 8с показан график плотности солнечной засветки дисплея в случае применения системы проекции изображения на экран, содержащей только линейный s-поляризатор, четвертьволновую пластинку и селективный дихроичный фильтр. Мощность засветки в этом случае становится еще ниже и составляет 15,7 Вт, плотность засветки 6,6 кВт/м2.
На фиг. 8d показан график плотности солнечной засветки дисплея в случае применения предлагаемой системы проекции изображения на экран с эффектом устранения влияния солнечного излучения, содержащей линейный s-поляризатор, четвертьволновую пластинку, дихроичный фильтр и фильтр, устраняющий ультрафиолетовую и инфракрасную составляющие излучения. Мощность засветки в этом случае совсем мала и составляет 2,07 Вт, плотность засветки 0,9 кВт/м2.
Предлагаемое изобретение можно использовать в проекционных дисплеях, навигационных системах, при создании 3D-эффектов, в уличных рекламных дисплеях.
Предлагаемая система, в случае ее использования для приборной панели автомобиля, представляет собой корпус, который встраивается в приборную панель. В этом корпусе находятся все компоненты предлагаемой системы, корпус имеет окно для вывода излучения от дисплея на лобовое стекло.
Хотя изобретение описано в связи с некоторыми иллюстративными вариантами осуществления, следует понимать, что сущность изобретения, не ограничивается этими конкретными вариантами осуществления. Напротив, предполагается, что сущность изобретения включает в себя все альтернативы, коррекции и эквиваленты, которые могут быть включены в сущность и объем формулы изобретения.
Кроме того, изобретение сохраняет все эквиваленты заявляемого изобретения, даже если пункты формулы изобретения изменяются в процессе рассмотрения.
1. Система проекции изображения на экран с эффектом устранения влияния солнечного излучения на дисплей, содержащая:
экран;
поляризационный фильтр;
селективный дихроичный фильтр;
первое зеркало;
второе зеркало;
дисплей; причем
поляризационный фильтр, селективный дихроичный фильтр, первое зеркало, второе зеркало расположены между экраном и дисплеем;
поляризационный фильтр выполнен с возможностью поляризации солнечного излучения, прошедшего через экран;
селективный дихроичный фильтр расположен за поляризационным фильтром и выполнен с возможностью пропускания излучения рабочего диапазона дисплея, ультрафиолетовой составляющей излучения и/или инфракрасной составляющей излучения и отражения всех остальных длин волн излучения;
первое зеркало выполнено с возможностью отражения излучения, прошедшего через селективный дихроичный фильтр;
второе зеркало выполнено с возможностью пропускания или поглощения ультрафиолетовой составляющей излучения и/или инфракрасной составляющей излучения, отраженного от первого зеркала, и направления излучения с остальными длинами волн к дисплею.
2. Система по п.1, дополнительно содержащая источник излучения, расположенный за дисплеем.
3. Система по любому из пп.1, 2, в которой поляризационный фильтр представляет собой одно из следующего: линейного s-поляризатора с четвертьволновой пластинкой, линейного р-поляризатора с четвертьволновой пластинкой, циркулярного поляризатора с левой поляризацией, циркулярного поляризатора с правой поляризацией, линейного s-поляризатора, линейного p-поляризатора.
4. Система проекции изображения на экран с эффектом устранения влияния солнечного излучения на дисплей, содержащая:
экран;
поляризационный фильтр;
селективный дихроичный фильтр;
фильтр;
первое зеркало;
второе зеркало;
дисплей; причем
поляризационный фильтр, селективный дихроичный фильтр, фильтр, первое зеркало, второе зеркало расположены между экраном и дисплеем;
поляризационный фильтр выполнен с возможностью поляризации солнечного излучения, прошедшего через экран;
селективный дихроичный фильтр расположен за поляризационным фильтром и выполнен с возможностью пропускания излучения рабочего диапазона дисплея, ультрафиолетовой составляющей излучения и/или инфракрасной составляющей излучения и отражения остальных длин волн излучения;
фильтр выполнен с возможностью поглощения ультрафиолетовой составляющей и инфракрасной составляющей излучения и пропускания остальных длин волн излучения;
первое зеркало выполнено с возможностью отражения излучения, прошедшего все упомянутые поляризационный фильтр, селективный дихроичный фильтр и фильтр;
второе зеркало выполнено с возможностью направления излучения от первого зеркала к дисплею.
5. Система по п.4, дополнительно содержащая источник излучения, расположенный за дисплеем.
6. Система по любому из пп.4, 5, в которой фильтр расположен до поляризационного фильтра или после селективного дихроичного фильтра.
7. Система по п.6, в которой поляризационный фильтр представляет собой одно из следующего: линейного s-поляризатора с четвертьволновой пластинкой, линейного р-поляризатора с четвертьволновой пластинкой, циркулярного поляризатора с левой поляризацией, циркулярного поляризатора с правой поляризацией, линейного s-поляризатора, линейного p-поляризатора.
8. Система проекции изображения на экран с эффектом устранения влияния солнечного излучения на дисплей, содержащая:
экран;
первое зеркало;
второе зеркало;
поляризационный фильтр;
селективный дихроичный фильтр;
дисплей; причем
первое зеркало, второе зеркало, поляризационный фильтр, селективный дихроичный фильтр расположены между экраном и дисплеем;
первое зеркало выполнено с возможностью направления солнечного излучения, прошедшего через экран, на второе зеркало;
второе зеркало выполнено с возможностью пропускания или поглощения ультрафиолетовой составляющей солнечного излучения и/или инфракрасной составляющей солнечного излучения и направления излучения с остальными длинами волн на поляризационный фильтр;
поляризационный фильтр выполнен с возможностью поляризации излучения;
селективный дихроичный фильтр расположен за поляризационным фильтром и выполнен с возможностью пропускания излучения рабочего диапазона дисплея, направления пропущенного излучения к дисплею и отражения излучения с остальными длинами волн.
9. Система по п.8, дополнительно содержащая источник излучения, расположенный за дисплеем.
10. Система по п.9, в которой поляризационный фильтр представляет собой одно из следующего: линейного s-поляризатора с четвертьволновой пластинкой, линейного р-поляризатора с четвертьволновой пластинкой, циркулярного поляризатора с левой поляризацией, циркулярного поляризатора с правой поляризацией, линейного s-поляризатора, линейного p-поляризатора.
11. Система проекции изображения на экран с эффектом устранения влияния солнечного излучения на дисплей, содержащая:
экран;
поляризационный фильтр;
первое зеркало;
второе зеркало;
дисплей; причем
поляризационный фильтр, первое зеркало, второе зеркало расположены между экраном и дисплеем;
поляризационный фильтр выполнен с возможностью поляризации солнечного излучения;
первое зеркало выполнено с возможностью отражения излучения рабочего диапазона дисплея, ультрафиолетовой составляющей солнечного излучения и/или инфракрасной составляющей солнечного излучения, прошедшего поляризационный фильтр, и поглощения всех остальных длин волн солнечного излучения, и направления отраженного излучения на второе зеркало;
второе зеркало выполнено с возможностью пропускания или поглощения ультрафиолетовой составляющей солнечного излучения и инфракрасной составляющей солнечного излучения, отражения всех остальных длин волн солнечного излучения и направления отраженного излучения к дисплею.
12. Система по п.11, в которой первое зеркало выполнено в виде селективного дихроичного зеркала.
13. Система по любому из пп.11, 12, дополнительно содержащая источник излучения, расположенный за дисплеем.
14. Система по любому из пп.11, 12, в которой поляризационный фильтр представляет собой одно из следующего: линейного s-поляризатора с четвертьволновой пластинкой, линейного р-поляризатора с четвертьволновой пластинкой, циркулярного поляризатора с левой поляризацией, циркулярного поляризатора с правой поляризацией, линейного s-поляризатора, линейного p-поляризатора.
15. Система проекции изображения на экран с эффектом устранения влияния солнечного излучения на дисплей, содержащая:
экран;
поляризационный фильтр;
первое зеркало;
второе зеркало;
дисплей; причем
поляризационный фильтр, первое зеркало, второе зеркало расположены между экраном и дисплеем;
поляризационный фильтр выполнен с возможностью поляризации солнечного излучения;
первое зеркало выполнено с возможностью пропускания или поглощения ультрафиолетовой составляющей солнечного излучения и/или инфракрасной составляющей солнечного излучения, прошедшего поляризационный фильтр, отражения всех остальных длин волн солнечного излучения и направления отраженного излучения ко второму зеркалу;
второе зеркало выполнено с возможностью отражения излучения рабочего диапазона дисплея, и поглощения всех остальных длин волн солнечного излучения, и направления отраженного излучения к дисплею.
16. Система по п.15, в которой второе зеркало выполнено в виде селективного дихроичного зеркала.
17. Система по любому из пп. 15, 16, дополнительно содержащая источник излучения, расположенный за дисплеем.
18. Система по любому из пп.15, 16, в которой поляризационный фильтр представляет собой одно из следующего: линейного s-поляризатора с четвертьволновой пластинкой, линейного р-поляризатора с четвертьволновой пластинкой, циркулярного поляризатора с левой поляризацией, циркулярного поляризатора с правой поляризацией, линейного s-поляризатора, линейного p-поляризатора.
