Индикатор на ветровом стекле и автомобильное ветровое стекло с защитой от солнечного света
Изобретение относится к приборам для транспортных средств. Индикатор на ветровом стекле для транспортного средства содержит источник излучения, выполненный с возможностью излучения p-поляризованного информационного излучения, проекционную систему, выполненную с возможностью проецирования p-поляризованного информационного излучения от источника излучения в направлении ветрового стекла транспортного средства, и отражающий оптический элемент, обращенный в сторону пользователя транспортного средства. Отражающий оптический элемент выполнен с возможностью отражения в область зрения пользователя p-поляризованного информационного излучения, проецируемого проекционной системой, с длиной волны в одном или более выбранных диапазонах, при этом информационное излучение, проецируемое проекционной системой, падает на отражающий оптический элемент под углом, приблизительно равным углу Брюстера. Проекционная система содержит по меньшей мере один p-поляризатор, выполненный с возможностью поглощения излучения с s-поляризацией и проецирования излучения с p-поляризацией на отражающий оптический элемент, причём один или более диапазонов p-поляризованного информационного излучения, отражаемого в область зрения пользователя, соответствует части по меньшей мере одного из красного спектра, зеленого спектра и синего спектра. Изобретение обеспечивает повышение качества и улучшение видимости изображения, формируемого на индикаторе на ветровом стекле. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к приборам для транспортных средств, и более конкретно к индикатору на ветровом стекле (HUD) транспортного средства, и к ветровому стеклу для транспортного средства, например для автомобильного транспортного средства.
Уровень техники
В настоящее время известны индикаторы на ветровом стекле, применяемые в транспортных средствах, таких как, например, автомобильные транспортные средства или летательные аппараты, для отображения наиболее важных рабочих параметров транспортного средства, навигационных указаний и другой информации, относящейся к управлению транспортным средством, прямо перед глазами пользователя, осуществляющего управление, или другого пользователя транспортного средства, что повышает удобство управления, исключая необходимость периодически переносить взгляд с ветрового стекла на приборную доску и отвлекаться от наблюдения за обстановкой перед транспортным средством.
В известных индикаторах на ветровом стекле отображение информации как правило реализовано путем проецирования изображения на ветровое стекло посредством проекционной системы. Однако известные на сегодняшний день решения обладают рядом недостатков, связанных прежде всего с оптическими особенностями ветрового стекла и средств проецирования изображения на него. Среди важных требований, предъявляемых к индикаторам на лобовом стекле, следует отметить то, что поверхность, на которую проецируется изображение, должна быть совершенно прозрачной и не препятствовать обзору, а также то, что формируемое на ветровом стекле изображение должно быть коллимировано (спроецировано на бесконечность), чтобы оно оставалось всегда «в фокусе» вне зависимости от направления взгляда пользователя транспортного средства, исключая необходимость постоянного перефокусирования взгляда с проецируемого изображения на объекты за ветровым стеклом и создания таким образом дискомфорта для пользователя.
Из источника US 7355796 B2 (8 апреля 2008 г., ColorLink, Inc.) известна система автомобильного ветрового стекла для индикатора на ветровом стекле, содержащая простую отражательную многослойную структуру, прикрепленную к ветровому стеклу автомобиля или включенную в него, которая позволяет просматривать изображение индикатора на ветровом стекле (HUD) через противобликовые солнечные очки с p-поляризацией без создания эффекта двойного изображения и без значительного изменения состояния поляризации света. При этом в основе известного решения лежит пренебрежимо малое отражение p-поляризованного света на границах раздела материалов, ориентированных под характерными углами в системе HUD транспортного средства. Отражательная структура состоит из двух модифицирующих поляризацию пленок, между которыми находится s-поляризованный отражатель. Надлежащий отражатель может представлять собой среду, обеспечивающую естественное отражение от границ раздела между двумя пленками и одиночную среду с существенно отличным показателем преломления. В частности, в известном решении используются две растянутые полимерные полуволновые задерживающие пленки, разделенные воздушным зазором. Оптические оси пленок по существу пересекаются, будучи ориентированными под углом приблизительно в 45° по отношению к осям как s-, так и p-поляризации. К недостаткам данного известного решения можно отнести отсутствие возможности блокирования помехового излучения, отсутствие защиты от нагревания под действием солнечных лучей и сложность изготовления, вызванную наличием упомянутого воздушного зазора между пленками.
В источнике US 2004/0109251 A1 (10 июня 2004 г., PPG INDUSTRIES, INC.) описано ветровое стекло для автомобильного индикатора на ветровом стекле, включающее в себя первый слой стекла, имеющий постоянную толщину, второй слой стекла, имеющий постоянную толщину, и промежуточный слой, имеющий постоянную толщину в первой заданной области и уменьшающуюся толщину во второй заданной области. Первый и второй слои стекла скреплены упомянутым промежуточным слоем, образуя многослойную структуру, имеющую первую общую внешнюю поверхность, противолежащую вторую общую внешнюю поверхность, первую заданную область, определяемую упомянутой первой заданной областью промежуточного слоя, в которой упомянутые общие внешние поверхности по существу параллельны друг другу, и вторую заданную область, определяемую упомянутой второй заданной областью промежуточного слоя, в которой общее внешние поверхности не являются параллельными дуг другу таким образом, что изображения, отражаемые от непараллельных поверхностей многослойной структуры, по существу накладываются друг на друга, чтобы по меньшей мере уменьшить формирование двойного изображения для отражаемого изображения. К недостаткам данного известного решения можно отнести отсутствие возможности блокирования помехового излучения, отсутствие защиты от нагревания солнечным излучением, отсутствие видимости излучения от индикатора на ветровом стекле (HUD) через поляризационные очки, сложность изготовления многослойной структуры ветрового стекла, возможность искажения изображения или снижения качества изображения отражениями на внешней поверхности ветрового стекла, вызванными наличием на поверхности стекла воды, льда, грязи и т.п.
В источнике US 6952312 B2 (4 октября 2005 г., 3M Innovative Properties Company) описан индикатор на ветровом стекле, включающий в себя проекционную систему и окно, имеющее целевую область, в которой расположен отражающий поляризатор для отражения света от проекционной системы в область наблюдения. Свет от проекционной системы является p-поляризованным и падает на открытую поверхность(и) окна под острым углом для уменьшения или исключения множественных или «паразитных» изображений. Упомянутый острый угол близок к углу Брюстера для открытой поверхности(ей) окна. Отражающий поляризатор включает в себя многослойную структуру с показателями преломления отдельных слоев, выбранными таким образом, чтобы отражать p-поляризованный свет по существу в большей степени, чем s-поляризованный свет, в широком угловом диапазоне, который включает в себя острый угол. Также отражающий поляризатор может отражать инфракрасное излучение для уменьшения нагрева внутреннего пространства салона солнечным светом. К недостаткам данного известного решения следует отнести отсутствие возможности блокирования падающего помехового излучения и низкий уровень пропускания полезного падающего излучения или низкую способность к отражению проецируемой информации от индикатора на ветровом стекле.
В источнике US 5999314 A (19 ноября 1997 г., Central Glass Company Limited) описана система индикатора на ветровом стекле для автомобильного транспортного средства, содержащая листы стекла на внешней и внутренней сторонах поверхности транспортного средства, которые вместе составляют ветровое стекло транспортного средства. Между листами стекла на внешней и внутренней сторонах стекла транспортного средства расположена промежуточная пленка, скрепляющая листы стекла. На обращенной внутрь салона поверхности листа стекла, находящегося на внешней стороне стекла транспортного средства закреплен слой, изменяющий направление поляризации. Пленка, регулирующая угол Брюстера, прикреплена к обращенной внутрь салона поверхности листа стекла, находящегося на внутренней стороне стекла транспортного средства. Пленка, регулирующая угол Брюстера, имеет показатель преломления, отличный от показателя преломления у листов стекла. Предусмотрено устройство отображения для формирования света для отображения информации. Кроме того, предусмотрено устройство поляризации света для поляризации света отображения в S-волны. Свет отображения, содержащий S-волны, падает приблизительно под углом Брюстера, обеспечиваемым пленкой, регулирующей угол Брюстера, на переднее ветровое стекло таким образом, что он проходит через слой, изменяющий направление поляризации и отражается на обращенной наружу поверхности листа стекла, находящегося на внешней стороне стекла транспортного средства, в сторону устройства отображения. К недостаткам данного известного решения следует отнести отсутствие возможности блокирования падающего помехового излучения, отсутствие защиты от нагрева под действием солнечного излучения, а также наличие отражения на внешней поверхности ветрового стекла при наличии на ней воды, льда или грязи, что может искажать изображение или снижать его качество.
Раскрытие изобретения
Данный раздел, раскрывающий различные аспекты и варианты выполнения заявляемого изобретения, предназначен для представления краткой характеристики заявляемых объектов изобретения и вариантов его выполнения. Подробная характеристика технических средств и методов, реализующих сочетания признаков заявляемых изобретений, приведена ниже. Ни данное раскрытие изобретения, ни нижеприведенное подробное описание и сопровождающие чертежи не следует рассматривать как определяющие объем заявляемого изобретения. Объем правовой охраны заявляемого изобретения определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения.
С учетом вышеприведенных известных аналогов из уровня техники заявляемое изобретение направлено на устранение по меньшей мере вышеуказанных недостатков известных решений. Задача изобретения состоит в создании индикатора на ветровом стекле транспортного средства, такого как автомобильное транспортное средство, а также ветрового стекла для транспортного средства для использования с упомянутым индикатором на ветровом стекле и способа отображения информации на индикаторе на ветровом стекле, которые обеспечивали бы возможность блокирования падающего помехового излучения, отсутствие или уменьшение нагрева, вызываемого солнечным излучением, и отсутствие или уменьшение искажений и сохранение качества изображения на индикаторе на лобовом стекле при наличии на внешней поверхности ветрового стекла воды, льда или грязи за счет исключения отражений на внешней или внутренней поверхности ветрового стекла. Кроме того, согласно изобретению исключается двоение изображения на ветровом стекле и обеспечивается видимость изображения, формируемого на индикаторе на лобовом стекле, как через поляризационные (противобликовые) очки, так и без них. Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, состоит в повышении качества и улучшении видимости изображения, формируемого на индикаторе на ветровом стекле.
В одном аспекте настоящее изобретение относится к индикатору на ветровом стекле для транспортного средства, содержащему: источник излучения, выполненный с возможностью отображения информации посредством излучения p-поляризованного информационного излучения, проекционную систему, выполненную с возможностью проецирования p-поляризованного информационного излучения от источника излучения в направлении ветрового стекла транспортного средства, при этом индикатор на ветровом стекле согласно изобретению содержит отражающий оптический элемент, обращенный в сторону пользователя транспортного средства, при этом отражающий оптический элемент выполнен с возможностью отражения в область зрения пользователя p-поляризованного информационного излучения, проецируемого проекционной системой, с длиной волны в одном или более выбранных диапазонах, при этом информационное излучение, проецируемое проекционной системой, падает на отражающий оптический элемент под углом, приблизительно равным углу Брюстера. В варианте выполнения изобретения отражающий оптический элемент выполнен в виде многодиапазонного селективного отражающего дихроичного покрытия. В другом варианте выполнения изобретения отражающий оптический элемент выполнен в виде дифракционного оптического элемента (DOE). В другом варианте выполнения изобретения отражающий оптический элемент выполнен в виде голографического оптического элемента (HOE). Один или более диапазонов p-поляризованного излучения, отражаемого в область зрения пользователя, могут соответствовать части по меньшей мере одного из красного спектра, зеленого спектра и синего спектра. Отражающий оптический элемент может быть выполнен с возможностью отражения во внешнюю область по меньшей мере части падающего излучения инфракрасного и/или ультрафиолетового спектра. В варианте выполнения изобретения источник излучения представляет собой дисплей. Проекционная система может содержать по меньшей мере один p-поляризатор, выполненный с возможностью поглощения излучения с s-поляризацией и проецирования излучения с p-поляризацией на отражающий оптический элемент.
В другом аспекте изобретение относится к ветровому стеклу для транспортного средства для использования с индикатором на ветровом стекле по предыдущему аспекту, выполненному в виде многослойного ветрового стекла, содержащего по меньшей мере два слоя, при этом ветровое стекло содержит отражающий оптический элемент, обращенный в сторону пользователя транспортного средства, при этом отражающий оптический элемент выполнен с возможностью отражения в область зрения пользователя проецируемого p-поляризованного излучения с длиной волны в одном или более выбранных диапазонах. В варианте выполнения отражающий оптический элемент может быть выполнен в виде многодиапазонного селективного отражающего дихроичного покрытия. В другом варианте выполнения оптический отражающий элемент может быть выполнен в виде дифракционного оптического элемента (DOE). В другом варианте выполнения отражающий оптический элемент может быть выполнен в виде голографического оптического элемента (HOE). Один или более диапазонов p-поляризованного излучения, отражаемого в область зрения пользователя, могут соответствовать части по меньшей мере одного из красного спектра, зеленого спектра и синего спектра. Отражающий оптический элемент может быть выполнен с возможностью отражения во внешнюю область по меньшей мере части падающего излучения инфракрасного и/или ультрафиолетового спектра. Ветровое стекло может содержать два или более слоев стекла, при этом оптический отражающий элемент может быть расположен между слоями стекла.
Еще в одном аспекте предлагаемое изобретение относится к способу отображения изображения на индикаторе на ветровом стекле транспортного средства, содержащему этапы, на которых: излучают p-поляризованное информационное излучение в проекционную систему индикатора на ветровом стекле посредством источника излучения; проецируют p-поляризованное информационное излучение посредством проекционной системы индикатора на ветровом стекле на отражающий оптический элемент, обращенный в сторону пользователя транспортного средства; и отражают p-поляризованное информационное излучение посредством оптического отражающего элемента в поле зрения пользователя, при этом p-поляризованное информационное излучение, проецируемое проекционной системой, падает на отражающий оптический элемент под углом, приблизительно равным углу Брюстера. Способ может дополнительно содержать этап, на котором отражают во внешнюю область по меньшей мере часть падающего излучения инфракрасного и/или ультрафиолетового спектра.
Краткое описание чертежей
Чертежи приведены в настоящем документе для облегчения понимания сущности настоящего изобретения. Чертежи являются схематичными и выполнены не в масштабе. Некоторые элементы на чертежах могут быть увеличены, а другие элементы могут быть не показаны для более ясного представления признаков настоящего изобретения. Одинаковые ссылочные позиции на различных чертежах обозначают одинаковые элементы. Чертежи служат исключительно в качестве иллюстрации и не предназначены для определения объема настоящего изобретения.
На Фиг. 1 показана принципиальная схема системы индикатора на ветровом стекле транспортного средства согласно примерному варианту выполнения изобретения.
На Фиг. 2 показан график отражения и пропускания компонентов излучения с различными длинами волн отражающим оптическим элементом в соответствии с вариантами выполнения изобретения.
На Фиг. 3 приведено схематичное изображение оптической системы индикатора на ветровом стекле транспортного средства согласно изобретению, в которой проиллюстрировано проецирование информационного излучения от источника излучения через проекционную систему на отражающий оптический элемент и отражение информационного излучения в область обзора пользователя.
Осуществление изобретения
Ниже изобретение будет рассмотрено на примерном варианте реализации индикатора на ветровом стекле (HUD) для транспортного средства, такого как, не ограничиваясь, автомобильное транспортное средство. Однако специалистам в данной области техники будет понятно, что заявляемое изобретение может быть реализовано и в иных видах транспортных средств, таких как, не ограничиваясь, мотоциклы, поезда и т.п., а также в водных транспортных средствах, летательных аппаратах и т.п. Кроме того, специалистам в данной области техники будет очевидно, что заявляемое изобретение также может быть применено в наголовных и нашлемных дисплеях (таких как нашлемные целеуказатели), и в общем в различных устройствах, сочетающих в себе функциональные возможности наблюдения окружающей обстановки и отображения дополнительной информации в виде виртуального изображения в поле зрения пользователя, таких как, например, шлемы «дополненной реальности» или «виртуальной реальности» или интеллектуальные очки с «дополненной реальностью». Кроме того, изобретение относится к ветровому стеклу для транспортного средства, такого как автомобильное транспортное средство, выполненному с возможностью работы с индикатором на ветровом стекле по вышеприведенному аспекту изобретения. Изобретение также относится к способу отображения информации на индикаторе на ветровом стекле.
Известные системы индикаторов на ветровом стекле транспортных средств сочетают в себе функциональные возможности наблюдения за обстановкой за пределами ветрового стекла и отображения различной информации, такой как параметры движения транспортного средства, навигационные указания, важные предупреждения и т.п., по меньшей мере в некоторой области поверхности ветрового стекла. В известных системах индикаторов на ветровом стекле обычно используется принцип отражения излучения с s-поляризацией от одной или более поверхностей ветрового стекла, что обеспечивает значительное отражение излучения от упомянутых одной или более поверхностей. S-поляризация - это поляризация света, для которой напряженность электрического поля электромагнитной волны перпендикулярна плоскости падения (т.е. плоскости, в которой лежат и падающий, и отраженный луч). Кроме того, известные системы индикаторов на ветровом стекле содержат источник излучения (такой как дисплей, например OLED-дисплей) и проекционную систему, которая проецирует излучение от источника излучения на ветровое стекло. Как показано выше, известным системам индикаторов на ветровом стекле присущ ряд недостатков, связанных, в частности, с упомянутым выше использованием s-поляризации, что не позволяет просматривать изображение на индикаторе на ветровом стекле через поляризационные очки, а также с отсутствием возможности ограничения пропускания помехового оптического излучения, по существу представляющего собой солнечный свет, и солнечного излучения в инфракрасном (ИК) и ультрафиолетовом (УФ) спектрах, двоением и искажением изображения на индикаторе на ветровом стекле.
С учетом вышеупомянутых недостатков уровня техники предложено изобретение, которое в первом аспекте относится к индикатору на ветровом стекле для транспортного средства. Индикатор на ветровом стекле согласно изобретению содержит источник излучения, проекционную систему и отражающий оптический элемент, находящийся на обращенной к пользователю стороне ветрового стекла транспортного средства.
В качестве источника излучения используется p-поляризованный дисплей. P-поляризация - это поляризация света, для которой вектор напряженности электрического поля лежит в плоскости падения. Источник излучения (дисплей) служит для излучения «информационного» излучения в систему индикатора на ветровом стекле, на основании которого формируется виртуальное изображение на ветровом стекле транспортного средства. Данные для отображения информации индикатором на ветровом стекле согласно изобретению могут приниматься из различных источников, таких как один или более датчиков транспортного средства (таких как датчики скорости, оборотов двигателя, температуры воздуха, освещения, дождя, средства системы помощи при вождении и/или радар(ы) системы помощи при парковке и т.п.), бортовой(ые) компьютер(ы) транспортного средства, электронный(е) блок(и) управления, соединенный(е) с одной или более системами транспортного средства, приемник(и) одной или более систем спутниковой навигации, таких как GLONASS, GPS, GALILEO и т.п., приемник(и) систем специализированной связи ближнего действия (DSRC) между транспортными средствами или между транспортным средством и элементами дорожной инфраструктуры, а также, например, от одного или более портативных вычислительных устройств и/или устройств связи, носимых водителем и другими пользователями транспортного средства. Следует отметить, что выше перечислены лишь некоторые примеры источников данных для отображения индикатором на ветровом стекле в соответствии с изобретением, и специалистами в данной области техники могут быть предусмотрены и другие варианты источников данных, связанных с системой индикатора на ветровом стекле.
Проекционная система предназначена для проецирования излучения от источника излучения (т.е. дисплея) в направлении ветрового стекла транспортного средства. Проекционная система может представлять собой хорошо известную в уровне техники систему отражающих элементов (таких как, например, зеркала из различных материалов и т.п.), имеющих такое взаимное пространственное расположение, что проходящее через проекционную систему излучение падает на ветровое стекло под углом, приблизительно равным углу Брюстера.
Угол Брюстера рассчитывается для проекционной системы индикатора на ветровом стекле согласно изобретению в зависимости от характеристик используемого ветрового стекла. Следует отметить, что угол Брюстера представляет собой угол падения луча, при котором отраженный луч полностью поляризован. В соответствии с законом Брюстера, свет, отраженный от границы раздела двух диэлектриков, имеющих определенные показатели преломления, будет полностью поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения.
В вариантах выполнения изобретения, в которых заявляемая система индикатора на ветровом стекле реализуется в конструкции транспортного средства, такого как автомобильное транспортное средство, такие компоненты системы индикатора на ветровом стекле, как источник излучения (дисплей) и проекционная система, размещены в приборной панели транспортного средства, в частности расположены на верхней поверхности приборной панели или встроены в верхнюю поверхность приборной панели. При этом расположение отражающих элементов в проекционной системе и их положение относительно ветрового стекла транспортного средства выбираются в соответствии с условием, согласно которому, как указано выше, угол падения излучения от источника излучения, проецируемого проекционной системой, на ветровое стекло должен быть приблизительно равен углу Брюстера. Следует также отметить, что кроме источника излучения (дисплея) p-поляризатор может при необходимости быть дополнительно размещен, например, в проекционной системе.
Еще одним компонентом системы индикатора на ветровом стекле согласно изобретению является отражающий оптический элемент, расположенный на стороне ветрового стекла транспортного средства, обращенной к пользователю, и выполненный в виде многодиапазонного селективного отражающего покрытия. Отражающий оптический элемент предназначен для отражения в область зрения пользователя p-поляризованного излучения, проецируемого проекционной системой, с длиной волны в одном или более выбранных диапазонах. Для этого отражающий оптический элемент выполнен в виде тонкой (имеющей толщину микронного порядка) пленки, состоящей из одного или более слоев с различными оптическими характеристиками, сочетание которых приводит к отражению p-поляризованного излучения в одном или более узких диапазонах, которые выбраны таким образом, чтобы обеспечивать наилучшую видимость отображаемой информации на индикаторе на ветровом стекле. В качестве неограничивающего примера, учитывая, что дисплей может быть выполнен в виде RGB-светодиодного дисплея, диапазоны отражаемого p-поляризованного излучения могут быть выбраны таким образом, чтобы соответствовать части красного, зеленого и синего спектра, соответственно, что обеспечивает высокую контрастность и четкость изображения, формируемого на индикаторе на ветровом стекле. Однако следует учитывать, что в качестве источника излучения в индикаторе на ветровом стекле согласно изобретению могут также использоваться не только RGB-светодиоды, но и, например, белые светодиоды, лазерные диоды, светящиеся лампы и т.п.
Кроме того, отражающий оптический элемент выполнен с возможностью по меньшей мере частичного отражения «помехового» излучения, поступающего с внешней стороны ветрового стекла и обычно приводящего к различным «засветкам», бликам и т.п. на ветровом стекле, которые ухудшают как наблюдение за обстановкой за пределами транспортного средства, так и видимость информации, отображаемой на индикаторе на ветровом стекле. При этом отражающий оптический элемент может также быть выполнен с возможностью отражения во внешнюю среду и непропускания через ветровое стекло солнечного излучения инфракрасного (ИК) и ультрафиолетового (УФ) спектров, что позволяет снизить нагрев элементов индикатора на ветровом стекле и внутреннего пространства транспортного средства. Отражающий оптический элемент, выполненный в виде многодиапазонного селективного отражающего покрытия, размещен на стороне ветрового стекла, обращенной к пользователю, и в предпочтительном варианте реализации - между стеклянными слоями в многослойном ветровом стекле. При этом упомянутое покрытие имеет очень малую толщину (микронного порядка) и интегрировано в ветровое стекло без каких-либо зазоров, полостей и т.п. между покрытием и слоями стекла, в отличие от приведенных выше аналогов из уровня техники.
В вариантах выполнения изобретения отражающий оптический элемент может быть выполнен в виде многодиапазонного селективного отражающего дихроичного покрытия, либо в виде дифракционного оптического элемента (DOE) или голографического оптического элемента (HOE) (голографической пленки). Как и в случае дихроичного покрытия, DOE и HOE также характеризуются селективностью пропускания и отражения излучения по конкретным подобранным узким диапазонам.
DOE представляет собой по существу набор дифракционных решеток, для которых направление распространения излучения после взаимодействия зависит от угла падения и длины волны падающего излучения.
В HOE за счет специально подобранного освещения при формировании пленки («условия записи») формируется объемная структура. При формировании HOE в качестве опорного пучка для «записи» голограммы используется излучение, имитирующее излучение от источника излучения в системе индикатора на ветровом стекле (другими словами, излучение от дисплея), в качестве сигнала имитирующее виртуальное изображение дисплея. После записи виртуальное изображение дисплея восстанавливается с помощью излучения от дисплея, т.е. «опорного пучка».
На основании условия Брэгга обеспечивается селективность пропускания и отражения излучения по длинам волн и по углам. DOE/HOE представляют собой по существу зеркало с толщиной около 10 микрон. Отражение происходит внутри стекла, влияние внешней и внутренней поверхности стекла минимально. С поверхности сцены устраняются все s-поляризованные отражения.
Дихроичное покрытие, используемое в одном из вариантов выполнения изобретения, представляет собой набор тонких слоев покрытия из материалов с разными показателями преломления. Толщина слоя покрытия (также называемая «фазовой толщиной») обычно соответствует выбранной длине волны отражаемого излучения для данного слоя покрытия, деленной на 8. Слои дихроичного покрытия чередуются таким образом, чтобы отражения на границе раздела этих материалов суммировались (т.н. положительная многолучевая интерференция), в результате увеличивается отражение и блокируется прошедшее излучение. Толщина слоев покрытия как правило составляет не более 1-2 микрон. Материалы, из которых выполнены слои дихроичного покрытия, могут быть различными, как правило чередуются материалы с высоким показателем преломления и низким показателем преломления. В качестве примера материалов, из которых могут быть выполнены слои многодиапазонного дихроичного покрытия, следует отметить различные металлы (например, золото, серебро) или оксиды металлов (титана, хрома, алюминия и т.п.). Слои покрытия селективны в отношении угла падения и длины волны излучения. Многодиапазонное дихроичное покрытие обеспечивает несколько пиков, которые могут соответствовать наиболее желаемой длине волны красного, зеленого и синего цвета. Кроме того, может быть предусмотрено покрытие, работающее с длинами волны инфракрасного спектра, в частности для отражения во внешнее пространство излучения с длинами волн в области инфракрасного (ИК) и/или ультрафиолетового (УФ) спектра. Примером такого покрытия может быть многослойное диэлектрическое покрытие, известное в уровне техники как «холодное зеркало» (англ. cold mirror), выполненное с возможностью селективного пропускания и отражения различных длин волн.
В предлагаемой системе угол падения «информационного» излучения на ветровое стекло близок к углу Брюстера. Покрытие едино, в случае использования покрытия на несколько диапазонов длин волн толщины чередующихся слоев покрытия, составляющих единое покрытие, изменяются (например, покрытие может содержать два слоя материала, имеющих различные значения толщины). В частности, в варианте выполнения, в котором отражающий оптический элемент представляет собой многодиапазонное селективное отражающее дихроичное покрытие, толщина слоев покрытия может составлять от 10 нм до нескольких десятков нм в зависимости от пропускаемых и/или отражаемых длин волн.
В системах подсветки HUD часто используют RGB-светодиодные осветители. В предлагаемом решении обеспечивается интеграция в единую систему, обеспечивающая высокую прозрачность и селективность по длинам волн. Снимается проблема «рассовмещения» отражаемых лучей.
На Фиг. 1 показана принципиальная схема системы индикатора на ветровом стекле транспортного средства согласно примерному варианту выполнения изобретения. Кроме того, на Фиг. 1 проиллюстрировано падающее «помеховое» излучение, представляющее собой по существу солнечное излучение и содержащее, в частности, составляющие как с s-, так и с p-поляризацией (ns1, np1, ns2, np2). Составляющая ns1 имеет s-поляризацию и компоненты с длинами волн λ2, λ4, λ6, λIR; составляющая np1 имеет p-поляризацию и компоненты с длинами волн λ2, λ4, λ6, λIR; составляющая ns2 имеет s-поляризацию и компоненты с длинами волн λ1, λ3, λ5, λ7; составляющая np2 имеет p-поляризацию и компоненты с длинами волн λ1, λ3, λ5, λ7. На Фиг. 1 показаны источник 1 излучения, p-поляризатор 2, проекционная система 3, содержащая один или более отражающих элементов, отражающий оптический элемент 4 и ветровое стекло 5.
При этом на Фиг. 1 видно, что отражающий оптический элемент 4 отражает составляющие ns1 и np1, содержащие компоненты с длинами волн λ2, λ4, λ6, λIR (последняя из упомянутых длин волн находится в инфракрасной области спектра) и пропускает составляющие ns2, np2 с длинами волн λ1, λ3, λ5, λ7. Излучение с s-поляризацией (ns2) поглощается p-поляризатором 2. При этом проекционная система 3 индикатора на ветровом стекле отражает в направлении ветрового стекла 5 только составляющую np2, имеющую p-поляризацию и содержащую длины волн λ1, λ3, λ5, λ7. P-поляризатор 2 может быть предусмотрен непосредственно на источнике излучения, таком как дисплей. Кроме этого, p-поляризатор также может быть дополнительно предусмотрен по существу на любом участке оптического пути информационного излучения, в частности в проекционной системе 3 индикатора на ветровом стекле.
Селективное пропускание и отражение компонентов излучения с различными длинами волн проиллюстрировано диаграммой на Фиг. 2, где показано, что компоненты с длинами волн λ1, λ3, λ5, λ7 пропускаются отражающим оптическим элементом 4 во внутреннее пространство транспортного средства, а компоненты с длинами волн λ2, λ4, λ6, λIR отражаются отражающим оптическим элементом 4 за пределы транспортного средства. Кроме того, проекционная система 3 индикатора на ветровом стекле проецирует на отражающий оптический элемент 4 p-поляризованное «информационное» излучение с определенными диапазонами длин волн от источника 1 излучения (такого как дисплей), а отражающий оптический элемент 4, в свою очередь, отражает упомянутое p-поляризованное излучение в поле зрения пользователя. При этом обеспечивается преимущество перед известными решениями, в частности, за счет того, что отражение на отражающем оптическом элементе 4 формируется только по существу внутри стекла 5, а не на внутренней и внешней его поверхностях. Это, в частности, исключает двоение изображения на индикаторе на ветровом стекле и искажение изображения вследствие наличия на внешней поверхности ветрового стекла грязи, воды или льда, как будет дополнительно пояснено ниже.
В известных аналогах изобретения излучение с s-поляризацией сначала в значительной мере отражается от передней грани, потом от задней грани лобового стекла. Из-за разности хода лучей получается двоящееся изображение. Информационное излучение в известных решениях имеет s-поляризацию, при этом только s-поляризация отражается от ветрового стекла без дополнительного покрытия. Вследствие закона отражения Френеля отражение излучения с p-поляризацией составляет приблизительно 0%, а отражение излучения с s-поляризацией составляет приблизительно 20%. Излучение, отражаемое от ветрового стекла, имеет такую же поляризацию, что и падающее помеховое излучение, и поглощается поляризационными очками. Вследствие этого в таких известных решениях излучение от HUD не попадает в глаза пользователя, если пользователь носит поляризационные очки.
Отражающий оптический элемент 4, выполненный, согласно одному из вариантов выполнения, в виде дихроичного покрытия, служит для отражения информационного излучения с p-поляризацией от пленки с дихроичным покрытием с определенным коэффициентом отражения. На Фиг. 1 проиллюстрировано «помеховое» излучение, поступающее в систему индикатора на ветровом стекле извне, а также излучаемое источником 1 излучения и проецируемое проекционной системой 3 индикатора на ветровом стекле на ветровое стекло 5 транспортного средства. При этом излучение (ip) от HUD, также называемое в настоящем документе «информационным излучением», имеет p-поляризацию. Излучение (ip) отражается отражающим оптическим элементом 4 в поле зрения водителя. Падающее излучение (ins, inp) имеет как s-, так и p-поляризованные составляющие. Отраженное помеховое излучение (nrs) имеет s-поляризацию вследствие закона отражения Френеля. В случае, если пользователь носит поляризационные очки, такие очки поглощают s-поляризованное излучение и пропускают p-поляризованное излучение. Отраженное помеховое излучение (nrs) и половина падающего излучения (ins) поглощается поляризационными очками. Благодаря использованию p-поляризованного излучения индикатор на лобовом стекле согласно изобретению может использоваться как с поляризационными очками, так и без них.
Как указано выше со ссылкой на Фиг. 1, многодиапазонное дихроичное покрытие отражающего оптического элемента 4 пропускает излучение с диапазонами длин волн λ1, λ3, λ5, λ7 и отражает излучение с диапазонами длин волн λ2, λ4, λ6, λIR. Солнечное ИК-излучение отражается отражающим оптическим элементом 4 и направляется за пределы салона транспортного средства, не нагревая приборную доску и HUD.
На Фиг. 3 приведено схематичное изображение оптической системы индикатора на ветровом стекле согласно изобретению, в которой проиллюстрировано проецирование информационного излучения от источника 1 излучения через проекционную систему 3 на отражающий оптический элемент 4 и отражение информационного излучения отражающим оптическим элементом 4 в область обзора пользователя. На Фиг. 3 показан угол α, под которым p-поляризованное информационное излучение, проецируемое проекционной системой 3 HUD, падает на отражающий оптический элемент 4 (угол α приблизительно равен углу Брюстера). За счет этого на ветровом стекле 5 транспортного средства возникает только одно отражение p-поляризованного информационного излучения на отражающем оптическом элементе 4. Это исключает двоение изображения, а также искажение изображения вследствие наличия на внешней поверхности ветрового стекла воды, грязи или льда.
В варианте выполнения, в котором отражающий оптический элемент 4 выполнен в виде многодиапазонного селективного отражающего дихроичного покрытия, такое дихроичное покрытие может отражать один или более спектральных диапазонов. В качестве примера, дихроичное покрытие с 4 спектральными диапазонами может отражать излучение трех различных цветов от HUD и защищать HUD от инфракрасного излучения. С таким покрытием изображение, отображаемое на HUD, может быть представлено в виде RGB-изображения, либо в виде изображения в каком-либо другом цветовом пространстве (например, CMYK). В другом варианте выполнения дихроичное покрытие с одним спектральным диапазоном может отражать от HUD только один цвет. При таком покрытии изображение на HUD будет монохромным. Дихроичное покрытие с двумя спектральными диапазонами может отражать от HUD один цвет и защищать HUD от инфракрасного излучения. При таком покрытии изображение на HUD также будет монохромным.
Вследствие закона отражения Френеля для угла падения излучения на поверхность, близкого к углу Брюстера, отражение p-поляризованного излучения составляет приблизительно 0%, отражение s-поляризованного излучения составляет приблизительно 20%. P-поляризованное излучение не отражается от внешней поверхности ветрового стекла 5, а отражается только от отражающего оптического элемента 4 (в различных вариантах выполнения представляющего собой многодиапазонное дихроичное покрытие или дифракционный оптический элемент (DOE), или голографический оптический элемент (HOE)) на ветровом стекле 5 в область обзора пользователя. Таким образом, отсутствует двоение изображения на ветровом стекле 5.
Вследствие отсутствия отражения p-поляризованного излучения от внешней поверхности ветрового стекла 5, от внутренней поверхности ветрового стекла 5, а также от воды, льда, грязи и т.п., расположенных на обращенной наружу внешней поверхности ветрового стекла 5, не происходит искажение изображения. Информационное излучение отражается отражающим оптическим элементом 4 (в различных вариантах выполнения представляющим собой многодиапазонное дихроичное покрытие или дифракционный оптический элемент (DOE), или голографический оптический элемент (HOE))) на ветровом стекле 5. Отражающий оптический элемент 4 может быть защищен от механического повреждения слоем покрытия. Кроме того, следует отметить, что отражающий оптический элемент 4 согласно изобретению находится с внутренней стороны ветрового стекла 5, в предпочтительном варианте выполнения изобретения - между слоями стекла в многослойном ветровом стекле 5, таком как триплекс. Ветровое стекло может быть выполнено из различных материалов, известных в данной области техники, таких как стекло, пластик и т.п., и может иметь различные покрытия (водоотталкивающие, солнцезащитные, металлические и т.п.), известные в данной области техники. При этом материал, из которого выполнен один или более слоев стекла, а также наличие упомянутых покрытий не влияют на реализацию заявляемого изобретения и достижение технического результата, указанного выше.
Как отмечено выше, отражающий оптический элемент 4 выполнен в виде покрытия, такого как многодиапазонное селективное отражающее оптическое покрытие, дифракционный оптический элемент (DOE) или голографический оптический элемент (HOE) и вплотную примыкает к одному или более слоям стекла без каких-либо зазоров между стеклом и отражающим оптическим элементом 4, что упрощает изготовление ветрового стекла 5 с отражающим оптическим элементом 4 в отличие от вышеуказанных аналогов из уровня техники, где для реализации определенных оптических эффектов предусматриваются зазоры между покрытием и слоем стекла.
Индикатор на ветровом стекле согласно изобретению может использоваться как с поляризационными очками, так и без них, при этом не изменяется видимость и качество изображения, отображаемого на индикаторе на ветровом стекле. Поляризационные очки поглощают s-поляризованное излучение и пропускают p-поляризованное излучение. Отраженное помеховое излучение и половина падающего излучения поглощаются поляризационными очками. P-поляризованное информационное излучение от HUD и половина падающего излучения пропускаются поляризационными очками, вследствие чего изобретение может использоваться как с поляризационными очками, так и без них, при этом информация, отображаемая на индикаторе на ветровом стекле, хорошо видна через поляризационные очки, в отличие от аналогов из уровня техники.
Описанной выше системой индикатора на ветровом стекле транспортного средства осуществляется способ отображения изображения на индикаторе на ветровом стекле, содержащий этапы, на которых: излучают p-поляризованное информационное излучение в проекционную систему 3 индикатора на ветровом стекле посредством источника 1 излучения; проецируют p-поляризованное информационное излучение посредством проекционной системы 3 индикатора на ветровом стекле на отражающий оптический элемент 4, обращенный в сторону пользователя транспортного средства; и отражают p-поляризованное информационное излучение посредством оптического отражающего элемента 4 в поле зрения пользователя, при этом p-поляризованное информационное излучение, проецируемое проекционной системой 3, падает на отражающий оптический элемент 4 под углом, приблизительно равным углу Брюстера. При этом, как отмечено выше, источником данных для формирования изображения на индикаторе на ветровом стекле, которое представляет собой по существу виртуальное изображение дисплея транспортного средства, могут быть различные датчики, вычислительные и навигационные системы, блоки управления и другие внешние устройства, связанные с источником излучения. При этом p-поляризация излучения может осуществляться только в источнике 1 излучения посредством p-поляризатора 2, либо может осуществляться помимо этого также и на других участках оптического пути «информационного» излучения, излучаемого источником 1 излучения и проецируемого проекционной системой 3 на отражающий оптический элемент 4, от которого p-поляризованное излучение с выбранными диапазонами спектра отражается в поле зрения пользователя. В частности, p-поляризатор для этих целей может быть дополнительно предусмотрен в составе проекционной системы 3. Способ также может дополнительно содержать этап, на котором отражают во внешнюю область по меньшей мере часть падающего излучения инфракрасного (ИК) и/или ультрафиолетового (УФ) спектра.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что выше описаны и показаны на чертежах лишь некоторые из возможных примеров материально-технических средств, которыми могут быть реализованы варианты выполнения настоящего изобретения. Специалистам в данной области техники также будет понятно, что этапы описанного в настоящем документе способа не обязательно выполняются в той последовательности, в которой они описаны, а по меньшей мере некоторые из этапов способа могут выполняться в порядке, отличном от описанного, в том числе по существу одновременно, или некоторые этапы могут быть пропущены. Приведенное выше подробное описание вариантов выполнения изобретения не предназначено для ограничения или определения объема правовой охраны настоящего изобретения.
Другие варианты выполнения, которые могут входить в объем настоящего изобретения, могут быть очевидными для специалистов в данной области техники после внимательного прочтения вышеприведенного описания с обращением к сопровождающим чертежам, и все такие очевидные модификации, изменения и/или эквивалентные замены считаются входящими в объем настоящего изобретения. Все источники из уровня техники, приведенные и рассмотренные в настоящем документе, настоящим включены в данное описание путем ссылки, когда это применимо.
При том, что настоящее изобретение описано и проиллюстрировано с обращением к различным вариантам его выполнения, специалистам в данной области техники будет понятно, что в нем могут быть выполнены различные изменения в его форме и конкретных подробностях, не выходящие за рамки объема настоящего изобретения, который определяется только нижеприведенной формулой изобретения и ее эквивалентами.
1. Индикатор на ветровом стекле для транспортного средства, содержащий:
источник излучения, выполненный с возможностью излучения p-поляризованного информационного излучения,
проекционную систему, выполненную с возможностью проецирования p-поляризованного информационного излучения от источника излучения в направлении ветрового стекла транспортного средства, и
отражающий оптический элемент, обращенный в сторону пользователя транспортного средства, при этом отражающий оптический элемент выполнен с возможностью отражения в область зрения пользователя p-поляризованного информационного излучения, проецируемого проекционной системой, с длиной волны в одном или более выбранных диапазонах, при этом информационное излучение, проецируемое проекционной системой, падает на отражающий оптический элемент под углом, приблизительно равным углу Брюстера,
причём проекционная система содержит по меньшей мере один p-поляризатор, выполненный с возможностью поглощения излучения с s-поляризацией и проецирования излучения с p-поляризацией на отражающий оптический элемент, причём один или более диапазонов p-поляризованного информационного излучения, отражаемого в область зрения пользователя, соответствует части по меньшей мере одного из красного спектра, зеленого спектра и синего спектра.
2. Индикатор на ветровом стекле по п. 1, в котором отражающий оптический элемент выполнен в виде многодиапазонного селективного отражающего дихроичного покрытия.
3. Индикатор на ветровом стекле по п. 1, в котором отражающий оптический элемент выполнен в виде дифракционного оптического элемента (DOE).
4. Индикатор на ветровом стекле по п. 1, в котором отражающий оптический элемент выполнен в виде голографического оптического элемента (HOE).
5. Индикатор на ветровом стекле по п. 1, в котором один или более диапазонов p-поляризованного излучения, отражаемого в область зрения пользователя, соответствует части по меньшей мере одного из красного спектра, зеленого спектра и синего спектра.
6. Индикатор на ветровом стекле по п. 1, в котором источник излучения представляет собой дисплей.
7. Ветровое стекло для транспортного средства для использования с индикатором на ветровом стекле по любому из пп. 1-6, выполненное в виде многослойного ветрового стекла, содержащего по меньшей мере два слоя, при этом ветровое стекло содержит отражающий оптический элемент, обращенный в сторону пользователя транспортного средства, при этом отражающий оптический элемент выполнен с возможностью отражения в область зрения пользователя проецируемого p-поляризованного излучения с длиной волны в одном или более выбранных диапазонах.
8. Ветровое стекло по п. 7, в котором отражающий оптический элемент выполнен в виде многодиапазонного селективного отражающего дихроичного покрытия.
9. Ветровое стекло по п. 7, в котором оптический отражающий элемент выполнен в виде дифракционного оптического элемента (DOE).
10. Ветровое стекло по п. 7, в котором отражающий оптический элемент выполнен в виде голографического оптического элемента (HOE).
11. Ветровое стекло по п. 7, в котором один или более диапазонов p-поляризованного излучения, отражаемого в область зрения пользователя, соответствует части по меньшей мере одного из красного спектра, зеленого спектра и синего спектра.
12. Ветровое стекло по п. 7, в котором отражающий оптический элемент выполнен с возможностью отражения во внешнюю область по меньшей мере части падающего излучения инфракрасного и/или ультрафиолетового спектра.
13. Ветровое стекло по п. 7, содержащее два или более слоев стекла, при этом оптический отражающий элемент расположен между слоями стекла.
14. Способ отображения изображения на индикаторе на ветровом стекле транспортного средства, содержащий этапы, на которых:
излучают p-поляризованное информационное излучение в проекционную систему индикатора на ветровом стекле посредством источника излучения;
проецируют p-поляризованное информационное излучение посредством проекционной системы индикатора на ветровом стекле на отражающий оптический элемент, обращенный в сторону пользователя транспортного средства; и
отражают p-поляризованное информационное излучение посредством оптического отражающего элемента в поле зрения пользователя, при этом p-поляризованное информационное излучение, проецируемое проекционной системой, падает на отражающий оптический элемент под углом, приблизительно равным углу Брюстера,
причём упомянутое проецирование содержит поглощение излучения с s-поляризацией и проецирование излучения с p-поляризацией на отражающий оптический элемент, причём один или более диапазонов p-поляризованного информационного излучения, отражаемого в область зрения пользователя, соответствует части по меньшей мере одного из красного спектра, зеленого спектра и синего спектра.
15. Способ по п. 14, дополнительно содержащий этап, на котором отражают во внешнюю область по меньшей мере часть падающего излучения инфракрасного и/или ультрафиолетового спектра.
