CN1126321A - 车用平视显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种车用平视显示装置，该装置包括：由粘接在汽车前玻璃窗上的反射型全息光学元件构成的全息合像器；以及由形成文字和图案的光源、用来把由上述光源形成的文字图案投射到合像器上的透射型全息光学元件、和LCD所构成的全息投射光学系统。该装置能自行调节光路，用以利用透射型全息光学元件和反射型全息光学元件把各种行车信息显示在汽车前玻璃窗上。

Description

车用平视显示装置

本发明涉及利用全息光学元件的车用平视显示装置，特别地，涉及利用透射型全息光学元件和反射型全息光学元件的，能够在汽车的前玻璃窗上显示各种行驶信息(速度、旋转数、油量、温度、开门警告灯)的，以及显示大型货车的死角区和载有货物的特殊车辆的死角区的车用平视显示装置。

图1和图2分别是以往的车用平视显示装置和全息合像器的构造图，它们已在美国专利No.4，613，200中公开。

现在参考图1说明以往的车用平视显示装置。其中，在发动机室中设置有投射光学系统10，已变换成电信号的关于汽车的各种信息由上述投射光学系统的CRT(阴极射线管)11转换成影像信息，该影像经过透镜光学系统12的放大，再通过反射镜13投射到全息合像器20上，达到影像化的目的，使得各种信息得以进入驾驶员的视野50。

这种车用平视显示装置使驾驶员可以在观察出现在前玻璃窗上的各种汽车仪表盘的同时注视着前方的状况，从而能使驾驶员的操作方便，预防为了观察仪表盘而视线向下时所引起的安全事故。

然而，使用这种以往的平视显示装置的投射光学系统和全息合像器的构造极为复杂，还存在出现双像的缺点。

为了避免双像，必须使用在玻璃上进行了多层镀膜的合像器，不过，在玻璃上进行多层镀膜会提高成本，使经济负担变大。

另外，把全息光学元件粘接到玻璃上去的方法如图2所示，利用粘接剂4把上述全息光学元件20’夹入两块保护玻璃1之间进行结合，这个工序是极为复杂和困难的，这又是一个缺点。

另一方面，在汽车行驶中，在多数情形下，必须观察外部环境，这个外部方面往往比读取仪表盘这个内部方面是更重要的因素。

在以往的大型货车和特殊车辆中，驾驶员根据由安装在驾驶员座侧和助手座侧的后视镜所反射的车辆侧面影像信息和由安装在车内的室内镜所反射的一部分车辆背面影像信息，凭借着驾驶技术实行倒车。

再有，由于当货车载有货物时背面的景像被货物遮住，室内镜无法使用，驾驶员只能根据由后视镜反射得到的侧后面影像，对死角区的情况作出推测，进行倒车。

从而，对大型货物搬运车辆的特殊车辆来说，为了达到它们的特殊目的，有必要获得背面景像的信息；并且为了预防倒车时容易发生的安全事故，车辆背面情况的信息是极为重要的。

本发明的一个目的是为了解决上述以往的问题，提供一种平视显示装置，其中一方面通过利用透射型全息光学元件和反射型全息光学元件而使构造简单，一方面驾驶员自己可以调整光路。

还有，本发明的另一个目的是为了解决前述问题而改良以往高级轿车所用的平视显示装置，提供一种平视显示装置，其中为了能够有效地达到诸如大型货物搬运专用车辆、集装箱车辆和水泥搅拌车辆等那样的特殊车辆的特殊目的，也为了预防倒车时的安全事故，该平视显示装置能够使驾驶员容易看到车背面的情景。

为了达到上述目的的本发明平视显示装置由合像器和全息投射光学系统组成，其中合像器由粘接在汽车前玻璃窗上的反射型全息光学元件构成；全息投射光学系统由形成文字和图案的光源、用于把由上述光源所产生的文字图案投射在合像器上的透射型全息光学元件、以及LCD(液晶器件)构成。

根据本发明的合像器的特点是，在由干涉图形所形成的透明合像器的干涉图形一侧的透明表面上涂布有透明的缓冲剂，当该合像器粘接在前玻璃窗上时既可以最大限度地减少因受到压力而引起的干涉图形损伤，又可以简单地粘接，还能够获得良好的影像。

另外，根据本发明的全息投射光学系统由光源、决定自光源发出的光是否能够通过的LCD、以及使通过LCD的光成像的透射型全息光学元件构成，通过上述全息光学元件所成的像投射在粘接在玻璃上的合像器上。

为了达到上述目的的本发明的全息平视显示装置由用来读入车辆背面景像信息并把它转变成电信号的变换装置、用来使从上述变换装置输入的信息影像化并进行投射的投射光学系统、以及用来显示由上述投射光学系统入射的影像的全息合像器所构成。

上述变换装置在读入了车辆背面的景像信息之后，把它变换成电信号，并通过电线传送给投射光学系统；在投射光学系统的CRT中接收这个信号，并变换成影像；变换后的影像经过投射光学系统中的透镜光学系统的放大，投射到全息合像器上。

上述全息合像器对入射的影像进行反射，实现影像显示，从而使驾驶员能够容易地观察车辆背面的状况。

附图的简单说明

图1：已往的车用平视显示装置的构造图。

图2：图1中的全息合像器粘接在玻璃上的状态的放大图。

图3：安装后的根据本发明的平视显示装置的状态的结构图。

图4：详细说明图3中的全息投射光学系统的结构的图。

图5：本发明的全息投射光学系统所使用的LCD的文字图案的组成例子。

图6：制作本发明的全息光学元件的光路图。

图7：表示本发明的全息照相干板111的放大结构图。

图8：制作本发明的全息合像器的光路图。

图9：表示本发明的全息合像器的制作工序的工序图。

图10：说明在汽车玻璃上粘接了本发明的全息合像器的平视显示装置的功能的图。

图11：说明根据本发明的特殊车辆用平视显示装置的实施情况的结构图。

图12：说明根据本发明的特殊车辆用平视显示装置的另一个实施情况的结构图。符号说明1：前玻璃窗；             2：室内反射镜；30：全息投射光学系统；    31：镜筒；32：光源；                33：LCD(液晶器件)34：透射型全息光学元件；40：保护膜；70：全息合像器；    71：全息母板；72：复制得到的全息光学元件；73：缓冲剂；        74：粘接剂；230：CCD摄像机；    231：盖子；240：连接装置；     241：牵引车；242：承载车；

实施例

下面参考附图详细说明本发明。

图3是表示根据本发明的平视显示器安装后的状态的构造图，其构成是：由高亮度光源、决定光是否能通过的LCD、以及使通过LCD的光成像的全息光学元件所组成的全息投射光学系统30；用来防止尘土等异物进入全息投射光学系统30的保护膜40；以及把由投射光学系统所成的影像导向驾驶员视野50的合像器70。

图4是详细表示图3所示的全息光学投射系统30的结构图。

上述全息投射光学系统含有：圆筒形或四方形的镜筒31、作为发光波长范围比较窄的高亮度发光体的象卤素灯那样的光源32、能够通过电接通和电切断来调节图5所示的表示汽车状态的图案和文字等的LCD33、以及用来把通过上述LCD33的光投射到全息合像器70上的全息光学元件34。

虽然从上述光源32发出的光在通过LCD时会发生衍射，但由于各元件之间的间隙a、b极小，所以驾驶员不会看到衍射现象，对此可以不予考虑。

上述LCD33在开始接收到汽车电源的供电之时，电源变成接通状态，随着汽车条件变化的LCD状态受到断开信号的调节。

于是，LCD33根据断开信号使光线通过全息光学元件34。

图6和图8是用于制作本发明的全息光学元件34和全息合像器70的光学系统图。

下面说明全息光学元件34的制作过程。从激光器101发出的光被分束器102分成两束强度相同的光束。

分开的两束光分别由反射镜103、104和105形成共轴(ON AXIS)状态。

由于上述全息光学元件34的作用是把入射的平行光转换成球面波，所以必须进行平面波和球面波的干涉。

这样，因为由激光器101发射的激光是一束直径极小的平行光，所以可以用透镜106和针孔107产生球面波。

另外，因为经过反射镜104和105后传播的激光同样也是直径极小的平行光，所以可以利用扩束镜产生大直径的平行光。

再有，为了提高平行光的质量，通过采用针孔108而加进了空间滤波器的功能，通过使用扩束镜而获得了所希望的直径，从而能够使平行光的直径和球面发射波的直径相同，产生良好的干涉。

图7是全息照相干板111的放大结构图。

上述全息照相干板的构成是：胶片支座81，用来帮助胶片保持平板形状的如玻璃之类的透明平板82，涂布有一定厚度的感光材料84的基板83。

平面波和球面波的干涉形成圆形交替排列的相长干涉和相消干涉条纹，组成波带板图形，这样的光强分布使感光材料84的表面变成浮雕形光栅。

从这样的照相干板111上去除掉支座81和透明平板82后，再经过用适当的显影液显影和定影，就得到全息光学元件34。

如果用制作上述全息光学元件34时所用的平行光入射到该全息光学元件上，则将输出制作时所用的球面波。

把这样制作的全息光学元件34用作母板，采用模印方法便可以简单地复制出具有同样性能的全息光学元件。

全息合像器70的作用是反射由全息投射光学系统30投射的球面波，使它聚焦成驾驶员视野处的焦点。

因此，为了制作全息合像器必须形成两个球面波的干涉图形。

另外，因为从全息投射光学系统30到驾驶员的眼睛50的光路是非共轴(OFF AXIS)的，所以制作全息合像器的光路布置象图8所示那样是非共轴的，并且希望非共轴角(θ₁)和图10中的向全息合像器入射的光波与反射光波之间的夹角(θ₂)相同。

如果用制作上述全息合像器时所使用的两个球面波中的一个入射到全息合像器上，则反射的将是另一个球面波，在这里，入射光波是由全息投射光学系统发出的发散波，而反射波是以从全息合像器到驾驶员眼睛的距离为焦距的会聚波。

制作全息合像器时应该根据上述观点来选择进行干涉的两个光波。

图9是表示制作全息合像器的工序的工序图。

第一个工序表示，把通过由图8所示的过程所制作的全息合像器作为母板进行模印的过程。

在第一个工序中用全息图母板71压印在折射率和空气类似的透明材料上，在第二个工序中得到全息合像器母板的复制品72。

第三个工序是，为了保护表面的浮雕形状，注入起缓冲作用的材料73，上述缓冲材料选择其折射率与全息感光材料的折射率相类似的材料。

第四个工序是，在干涉图形上形成一层透明的粘接剂74，借助上述粘接剂层，能够把全息合像器粘接在汽车玻璃窗的预定位置上。

图10是表示完成上述过程后得到的全息合像器处于粘接状态的结构图。

利用粘接剂层可以把上述全息合像器粘接在预定的位置上，于是由上述全息投射光学系统30投射的光在全息合像器的浮雕表面上反射后就得以进入驾驶员的视野。

利用如上所述的本发明，车用平视显示器的构造可以简单化；由于投射光学系统的结构简单，所以光轴调整是容易的；并且，由于由反射型全息光学元件构成的全息合像器是覆盖在玻璃上的，所以能够得到比以往全息合像器较好的图像；还有，利用粘接剂可以容易地把上述全息合像器粘接在汽车玻璃窗的给定位置上。

作为本发明的第二实施例可参见图11，其中本发明的车用平视显示器适用于大型货车203。在大型货车203后面的下方设置有用来读取背面影像信息的CCD(电荷耦合器件)摄像机230，由上述CCD摄像机读取的信息被电子电路变换成电信号，再利用导线把它传送到投射光学系统的CRT11上。上述投射光学系统30是前述本发明第一实施例中的投射光学系统。

上述投射光学系统30设置在大型货车驾驶员席的上方，从CCD摄像机230通过导线输入的影像信息由CRT11接收，上述CRT中接收到的信息在变换成影像信息之后由透镜光学系统212放大，射到粘接在汽车前玻璃窗上的全息合像器70上。

上述全息合像器70是前述本发明第一实施例中的全息合像器，它一方面透过从车辆前方射入的影像，一方面通过反射由投射光学系统射入的影像，使得由投射光学系统射入的影像以全息合像器作为屏幕，从而达到影像化的目的。

上述全息合像器70粘接在汽车前玻璃窗上时最好粘接在玻璃窗的上部，关于设置在货车后面下方的CCD摄像机230，由于货车的特点容易在摄像机的透镜上粘着有尘埃等异物，所以设置有CCD摄像机保护筒，其上有可以开合的盖子231，在不使用摄像机时合上盖子，以保护CCD摄像机并防止异物粘着。

下面参考图12说明适用于集装箱运输车的本发明平视显示装置的第三个实施例。集装箱运输车包括互相分离的集装箱牵引车241和集装箱承载车242，还有用来连接集装箱牵引车的后面部分与集装箱承载车的前面部分的连接装置240，当利用上述集装箱承载车运送货物时，两辆车就连接在一起，运送到目的地之后两辆车就分离开来。

在这种情形下，驾驶员必须依靠后视镜使两辆车连接和分离，只有熟练于倒车技术的驾驶员才能够容易地把两辆车连接起来。

于是，通过在集装箱牵引车的连接装置240的一个部分A上设置CCD摄像机，使由上述CCD摄像机输入的信息经过投射光学系统30变换成影像信息，在全息合像器70上完成影像化，从而即使是不熟练的驾驶员也容易把集装箱牵引车和承载车连接在一起，并且，通过在集装箱承载车242的后尾B处设置CCD摄像机230，可以使驾驶员在到达目的地后需与集装箱承载车分离时不必求助于副驾驶员的帮助而容易地并且正确地实现分离。

下面对此再作稍详细的说明。投射光学系统30利用了透射型LCD33，使由背景光源32发出的光被LCD分离成透射部分和未透射部分。被变换成电信号的CCD摄像机信号经过倒相后其背景部分变为黑色，其影像部分变为白色，黑色部分不让背景光源透过，只有白色部分让背景光源透过，再经过全息透镜的放大被投射到全息合像器70上，从而实现影像化。

如上所述，利用本发明后，由于能够在大型货车等倒车时容易观察到车后的情况，所以可以事先预防发生安全事故，并且，由于驾驶员能够通过影像来判断卸货的位置，从而提高了工作效率，尤其是，对于集装箱运输车和水泥搅拌车等来说，通过利用平视显示装置可以使不熟练的驾驶员也能够容易地操作，达到这些车辆的特殊目的，并且能够提高工作效率。

Claims (10)

1、一种用于把汽车行驶信息变换成图象进行显示的车用平视显示装置，其中包括：

由利用高亮度发光元件的光源，根据电信号透过或挡住自光源发射的光的LCD，和使透过上述LCD的光成像的透射型全息光学元件等所构成的全息投射光学系统；以及由能够以反射方式显示被上述全息投射光学系统投射的光的反射型全息光学元件所形成的全息合像器。

2、根据权利要求1的车用平视显示装置，其中的上述透射型全息光学元件起着能够把由LCD发出的平行光变换成球面波的透镜的作用。

3、根据权利要求1的车用平视显示装置，其中的上述全息合像器的构成是，由全息母板复制而成的全息光学元件；用于保护上述全息光学元件上的干涉图形的缓冲剂；以及涂布在上述缓冲剂上的粘接剂。

4、根据权利要求1的车用平视显示装置，其中为了保护上述全息投射光学系统不受异物损伤，设置有保护膜40。

5、根据权利要求1的车用平视显示装置，其中上述投射光学系统的光源、LCD以及透射型全息光学元件由能够保持它们的给定光轴位置的镜筒(31)来支承。

6、根据权利要求1或3的车用平视显示装置，其中的上述全息合像器的全息光学元件由两个球面波的干涉图形形成。

7、根据权利要求2或3的车用平视显示装置，其中含有用来把读取的后面情况信息变换成电信号的变换装置，从而能够在上述全息合像器处显示车辆背面的情景。

8、根据权利要求7的车用平视显示装置，其中上述的变换装置是CCD摄像机。

9、根据权利要求8的车用平视显示装置，其中在车辆后尾设置有用来放置上述CCD摄像机的保护筒，在上述保护筒上带有可以开合的盖子。

10、根据权利要求8的车用平视显示装置，其中上述CCD摄像机设置在集装箱牵引车的连接部分。

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