СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УСТРОЙСТВА ВИЗУАЛИЗАЦИИ РЕАЛЬНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
METHOD FOR OBTAINING ACTUAL IMAGE VISUALIZING DEVICE

Настоящее изобретение относится к области систем визуализации изображений, проецируемых на прозрачные экраны, в частности лобовое стекло автомобиля или окна в зданиях.
В частности, настоящее изобретение относится, хотя не ограничивается этим, к области систем визуализации изображений, например систем визуализации, называемых системами бортовой индикации, в технике называемых также HUD или Head-Up Display. Такие системы визуализации изображений применимы, в частности, в кабинах пилота самолета, поездах, а в настоящее время также в личных автомобилях (легковых, грузовых и т.д.). Изобретение относится, в частности, к устройствам отображения на стекле, характеризующимся образованием реального изображения, на основе лазерного проектора.
В таких системах остекление обычно имеет сэндвич-структуру, содержащую в простейшем случае два листа из прочного материала, такого как стеклянные листы. Листы из прочного соединены между собой промежуточным термоформующимся тонким листом, содержащим или состоящим чаще всего из поливинилбутираля (PVB).
Такие системы визуализации на лобовом стекле, позволяющие отображать информацию, проецируемую на окно, которая отражается в сторону водителя или наблюдателя, уже известны. Эти системы позволяют, в частности, информировать водителя транспортного средства, не требуя, чтобы он переставал следить за происходящим впереди этого транспортного средства, что позволяет значительно повысить безопасность.
В самом начале такое изображение получали, проецируя информацию на лобовое стекло, имеющее многослойную структуру, то есть состоящее из двух стеклянных листов и вставки из пластмассы. Водитель воспринимает виртуальное изображение, которое находится на некотором расстоянии сзади лобового стекла. Однако в таком случае водитель видит двойное изображение: первое изображение, отраженное поверхностью лобового стекла, ориентированной внутрь кабины, и второе изображение из-за отражения от наружной поверхности лобового стекла, причем эти два изображения немного смещены относительно друг друга. Это смещение может нарушить восприятие информации. Для устранения этой проблемы можно назвать решение, предложенное в патенте US 5,013,134, в котором описана система бортовой визуализации, использующая многослойное лобовое стекло, состоящее из двух стеклянных листов и вставки из поливинилбутираля (PVB), причем обе внешние стороны стела не параллельны друг другу, а сходятся в форме клина, чтобы изображение, проецируемое источником отображения и отраженное стороной лобового стекла, ориентированной в кабину, практически накладывалось на то же изображение, происходящее из того же источника, но отраженное стороной лобового стекла, ориентированной наружу. Чтобы избавиться от раздвоенного изображения, многослойное стекло классически делают  клиновидным, используя промежуточный лист, толщина которого уменьшается от верхнего края стекла к нижнему краю. Однако необходимо, чтобы профиль PVB был очень точным и не имел колебаний толщины, так как это переносится в ходе сборки на лобовое стекло и ведет к локальным колебаниям угла. Согласно такому способу стремятся к максимальному увеличению отражения света на поверхности стекла, чтобы получить максимальную интенсивность сигнала, проецируемого на поверхность стекла.
Альтернативно, в патенте US 6,979,499 B2 предлагается направлять падающий луч подходящей длины волны на люминофоры, встроенные прямо в остекление, которые способны отвечать на возбуждение испусканием излучения в диапазоне видимого света. Таким образом, изображение, образованное прямо на лобовом стекле, является теперь не виртуальным, а реальным. Кроме того, это изображение могут видеть все пассажиры транспортного средства. Патент US 6,979,499 B2 описывает, в частности, многослойное остекление с промежуточным тонким листом типа поливинилбутираля (PVB), обе внешние стороны которого параллельны, и в который введен дополнительный слой люминофора. Люминофоры выбирают в зависимости от длины волны падающего возбуждающего излучения. Эта длина волны может лежать в диапазоне ультрафиолета или ИК. Люминофоры под действием этого падающего излучения испускают вторичное излучение в видимом диапазоне. В таком случае говорят о преобразовании с понижением частоты, когда падающее излучение является УФ-излучением, и о преобразовании с повышением частоты, когда падающее излучение является ИК-излучением. Такая структура позволяет, согласно этому документу, воссоздать прямо на лобовом стекле или окне изображение любого объекта. Согласно этому описанию люминофорные матрицы наносят на всю главную поверхность одного из листов, из которых состоит многослойное остекление (PVB или стекло) в виде сплошного слоя, содержащего несколько типов люминофоров. Искомое изображение получают путем избирательного возбуждения определенной площади люминофорного слоя. Локализация изображения и его форма достигаются с помощью источника возбуждения, управляемого и модулируемого внешними средствами.
Эксперименты, проведенные авторами заявки, показали, что такие устройства HUD, включающие люминофоры в сборном остеклении, характеризуются слишком слабым свечением под действием обычного источника возбуждения УФ- или ИК-излучения. Чтобы получить достаточное свечение и тем самым видимость сигнала, проецируемого на лобовое стекло, в частности, в условиях сильного солнечного освещения, необходимо использовать нетрадиционные источники света, то есть генерирующие лучи концентрированного излучения, типа лазера или электролюминесцентного диода.
2
2
2
2
2
Можно, в частности, использовать источники возбуждения, генерирующие концентрированное и направленное УФ-излучение, создаваемое более специфическими источниками типа диодных лазеров. Под концентрированным в контексте настоящего описания понимается, что поверхностная мощность луча, испущенного генератором, превышает 120 мВт/см на уровне остекления и предпочтительно составляет от 200 мВт/см до 20000 мВт/см, или от 500 мВт/см до 10000 мВт/см.
Заявка WO 2010/139889 описывает применение люминофорного материала типа гидрокситерефталата, имеющего сильное свечение, обеспечиваемое хорошим квантовым выходом при возбуждении падающим УФ-излучением и хорошую стойкость в испытаниях на старение при возбуждении УФ-лазером.
Однако использование таких источников можно допустить только при ограниченной мощности, чтобы предотвратить проблемы, связанные с опасностью излучения, в первую очередь наружу транспортного средства. В частности, при работе на длине волны порядка 400 нм можно избежать выхода большей части лазерного излучения наружу, так как на этих длинах волн PVB сильно поглощает УФ-излучение.
Однако мощность падающего светового излучения лазера также может быть очень опасной для находящихся в кабине, в частности, для водителя транспортного средства, из-за отражения, происходящего на стеклянных поверхностях окна, образующего лобовое стекло. Такое отражение создает риск повреждения глаз и ожога у находящихся в транспортном средстве. Это отражение в первом приближении является довольно высоким (порядка нескольких процентов), если, кроме того, принять во внимание, например, кривизну и наклон лобового стекла.
Эта опасность тем более значительна, что источник света должен испускать очень мощное исходное излучение, чтобы водитель мог воспринимать информацию с достаточным контрастом, чтобы ее можно было быстро прочесть.
Настоящее изобретение относится к способу, позволяющему обеспечить безопасность пассажиров, существенно снижая отражение падающего излучения от стеклянной поверхности.
В частности, фирмой-заявителем было обнаружено, что такое обеспечение безопасности может быть достигнуто в результате воздействия на множество параметров, в том числе по меньшей мере на:
- природу падающего луча и, в частности, его поляризацию,
- угловую апертуру падающего луча,
- радиус кривизны лобового стекла и его наклон в зоне, освещаемой лучом.
Учет этих параметров в соответствии со способом по настоящему изобретению позволяет, в частности, определить оптимальное позиционирование источника в кабине и по отношению к зоне лобового стекла, в которой должна быть визуализирована информация, чтобы эффективно разрешить вышеупомянутые проблемы безопасности.
Более точно, настоящее изобретение относится к способу получения устройства визуализации на лобовом стекле (HUD) в пассажирской кабине, содержащей остекление, в частности, многослойное остекление, причем указанное устройство содержит источник излучения типа лазера, излучающего в УФ- и видимой области или в ИК-диапазоне, или типа светодиода, испускающий луч, направленный к части указанного остекления, содержащей люминофор, поглощающий указанное излучение, чтобы испустить вторичное излучение в области видимого спектра, причем освещение указанной части лучом позволяет визуализировать реальное изображение на остеклении, причем указанный способ отличается тем, что он включает следующие этапы:
[1;n]
- составляют список совокупности позиций i в кабине, где можно разместить источник,
1
- после первого позиционирования i источника в кабине он испускает падающий луч, поляризованный таким образом, чтобы его электромагнитное поле было поперечно-магнитным,
1
1(Rmax)
1max
1
- для всего участка остекления, освещенного лучом, измеряют отклонения угла падения θ и определяют максимальное значение угла θ, для которого отражение R падающего излучения от остекления является максимальным в указанной освещенной зоне при указанном позиционировании источника i,
2
2(Rmax)
2max
2
- после второго позиционирования i источника, излучение которого направлено так, чтобы освещать по существу ту же часть указанного остекления, действуют как на двух предыдущих этапах, чтобы определить величину угла θ, для которого отражение R падающего излучения от остекления является максимальным в указанной освещенной зоне при указанном позиционировании источника i,
n
- таким образом поступают для всех возможных i позиционирований источника,
imax
- наконец, источник помещают в позицию i, для которой определенное таким способом значение R является минимальным.
Согласно некоторым предпочтительным вариантам осуществления настоящего способа, которые при необходимости могут, конечно, комбинироваться друг с другом:
- источник генерирует лазерное излучение в видимой и УФ-области в диапазоне от 380 до 410 нм, предпочтительно на 405 нм;
1/2
- источник является лазером, генерирующим УФ-излучение на угловой полуапертуре γ от 5° до 25°, предпочтительно от 10° до 20°, что позволяет освещать часть остекления, использующуюся для визуализации изображения;
- устройство выбрано из группы, состоящей из: проекторов на основе микрозеркальных MEMS (микроэлектромеханические системы) с лазерным источником, проекторы на основе матриц DLP, LCD или LCOS с лазерным или светодиодным источником, проекторов на основе зеркал, установленных на гальванометрах, отражающих излучение лазерного источника;
- указанное остекление является многослойным остеклением типа лобового стекла автомобиля, или остеклением в здании, содержащим систему из по меньшей мере двух прозрачных листов из неорганического стекла или прочного органического материала, соединенных друг с другом вставкой из термоформуемого материала или многослойными листами, включающими такую вставку, причем указанное остекление отличается тем, что люминофорный материал введен в указанную вставку, что позволяет указанную визуализацию;
- термоформуемый материал, из которого образована указанная вставка, выбран из группы PVB, пластифицированных PVC, полиуретана PU или этиленвинилацетата EVA;
x
- указанный люминофор является гидроксиалкилтерефталатом R-OOC-Ф(OH)-COOR структурной формулы:
в которой Φ означает бензольное ядро, замещенное по меньшей мере одной гидроксигруппой (OH), R означает углеводородную цепь, содержащую от 1 до 10 атомов, и x равно 1 или 2, в частности диэтил-2,5-дигидрокситерефталат.
Настоящее изобретение относится также к пассажирской кабине автомобиля, содержащей устройство визуализации на лобовом стекле (HUD), и к остеклению, в частности, многослойному остеклению, причем указанное устройство содержит источник, испускающий луч концентрированного и направленного излучения типа лазерного, направленный к части указанного остекления, содержащей люминофор, поглощающий указанное излучение и испускающий вторичное излучение в области видимого спектра, причем освещение указанной части лучом позволяет визуализировать реальное изображение на указанном остеклении, и причем указанный источник позиционирован в кабине с применением вышеописанного способа.
Изобретение и его преимущества станут более понятными при изучении следующего описания воплощений изобретения, которое проводится в сочетании с фиг. 1.
На фиг. 1 схематически показано лобовое стекло и устройство, находящееся в кабине автомобиля (не показана).
Лобовое стекло 1 состоит из двух листов 2 и 9, обычно из стекла, но листы могут быть также выполнены из прочной пластмассы типа поликарбоната. Между этими двумя листами находится промежуточный пластмассовый тонкий лист 3, например, из PVB (поливинилбутираль), пластифицированного PVC, PU или EVA, или же многослойный термопластичный тонкий лист, включающий, например, PET (полиэтилентерефталат), с последовательностью слоев, например, PVB/PET/PVB.
По меньшей мере на часть внутренней поверхности промежуточного термопластичного тонкого листа 3 перед ламинированием, то есть перед соединением разных тонких листов, осаждают частицы органического люминофора терефталатного типа, согласно изобретению.
Частицы люминофора имеют распределение по размерам в основном в диапазоне от 1 до 100 микрон. Под выражением "в основном" понимается, что более 90% частиц, из которых состоит коммерческий порошок, имеют диаметр от 1 до 100 микрон. Предпочтительно, частицы люминофора терефталатного типа подвергают предварительной обработке, способствующей их проникновению в тонкий термопластичный лист из PVB. Более точно, частицы предварительно покрывают связующим на основе PVB.
Лазерный источник 4, испускающий возбуждающее световое излучение, используется для направления концентрированного падающего излучения 7 с длиной волны, равной 405 нм, на часть 10 лобового стекла, на которой должно быть образовано реальное изображение, причем по меньшей мере эта часть остекления содержит подходящий люминофор. Люминофор предпочтительно является люминофором типа гидрокситерефталата, какой описан в заявке WO 2010/139889, например, сольватированном в молекулярной форме в промежуточном термопластичном тонком листе 3. Люминофор имеет высокой коэффициент поглощения падающего излучения. Затем он испускает вторичное излучение в видимом диапазоне, то есть излучение на длине волны, близкой к 450 нм, с выходом выше 80%. Предпочтительно, лазерный проектор содержит также поляризатор, позволяющий поляризовать падающий луч, в частности так, чтобы его электромагнитное поле было поперечно-магнитным.
В контексте настоящего изобретения под поперечно-магнитным понимается, что отношение поляризаций TM : TE составляет по меньшей мере 100:10, предпочтительно по меньшей мере 100:1.
Видимое излучение, испущенное люминофором, становится видимым непосредственно для глаза 5 водителя, который, таким образом, визуализирует объект на лобовом стекле, не выпуская из вида дорогу. Таким образом, изображение можно напрямую материализовать на многослойном лобовом стекле без необходимости адаптации его конструкции, например, толщины промежуточного тонкого листа, что делает возможным экономически выгодное производство систем HUD.
Согласно изобретению, источник, используемый для генерации концентрированного излучения, предпочтительно является источником типа УФ-лазера. Например, но без ограничений, он является твердотельным лазером, полупроводниковым лазерным диодом, газовым лазером, лазером на красителе, эксимерным лазером. Вообще говоря, в качестве источника возбуждения по изобретению может применяться любой известный источник, создающий концентрированный и направленный, в контексте настоящего изобретения, поток УФ-излучения. Альтернативно, можно также использовать источники некогерентного света, такие как электролюминесцентные диоды, предпочтительно мощные диоды и излучающие в области близкого УФ.
Согласно одному возможному варианту осуществления, можно использовать DLP-проектор (на цифровых светопроцессорах) для модулирования волны накачки в соответствии со способом, описанным в заявке US 2005/231652, абзац [0021]. Согласно изобретению, можно также использовать в качестве источника возбуждения УФ-излучения устройство, описанное в заявке US 2004/0232826, в частности, какое описано в связи с фиг. 3.
Применение таких систем позволяет освещать конкретные участки остекления лазерным излучением, чтобы проявить там любую информацию, полезную для водителя при вождении, в частности, для его безопасности или для ориентирования.
Предыдущий вариант осуществления никоим образом не является, разумеется, ограничивающим настоящее изобретение ни в одном из описанных выше аспектов.
Согласно изобретению, освещение рассматриваемой зоны можно получить посредством устройства, работающего в режиме быстрого сканирования указанной зоны источником или посредством одновременной активации точечных элементов изображения (пикселей) в указанной зоне с помощью множества зеркал, освещаемых указанным источником.
В частности, согласно первому варианту, используют проектор на основе микрозеркальных MEMS с лазерным источником. Согласно другому варианту, используют проекторы на основе матриц DLP, LCD или LCOS с лазерным или светодиодным источником. Альтернативно, согласно изобретению можно использовать проектор на основе зеркал, установленных на гальванометры, отражающие лазерный источник.
В кабине такого транспортного средства для обеспечения ее безопасности, когда устройство работает, основная сложность заключается в том, что часть излучения, отраженная от поверхности лобового стекла, может быть, в первом приближении, довольно высокой и направленной в глаза пассажиров, учитывая, в частности, наклон и кривизну многослойного лобового стекла в зоне, освещаемой падающим лучом.
Согласно изобретению, источник, например, УФ-лазер, устанавливают в кабине, применяя способ по настоящему изобретению, таким образом, чтобы минимизировать отражение излучения, падающего на внутреннюю стенку лобового стекла, к кабине.
В качестве примера, в случае кабины автомобиля проектор может быть размещен во множестве позиций, но чаще всего, хотя этот список не является исчерпывающим, на уровне приборной доски, на уровне потолка автомобиля или же на стойках на лобовом стекле. Таким образом, для заданной кабины и в зависимости от участка лобового стекла, на который желательно проецировать изображение, можно составить список всех позиций, где можно установить проектор.
Следующие примеры, основанные на моделировании только что описанного варианта осуществления, показывают преимущества, полученные благодаря применению настоящего способа при позиционировании лазерного проектора, в целях минимизации вышеописанных рисков для пассажиров транспортного средства путем существенного уменьшения отражения луча, испущенного источником к поверхности лобового стекла.
ПРИМЕРЫ
В данных примерах воспроизведен вариант осуществления, описанный выше в связи с фиг. 1, в котором многослойное лобовое стекло 1, содержащее люминофор, освещается источником или проектором 4 лазерного излучения, который освещает часть 10 остекления.
На приложенной фиг. 2 показаны различные возможные конфигурации позиционирования проектора, для простоты только в вертикальной плоскости лобового стекла (проекция 1D). Разумеется, в реальном случае освещенная зона будет включать в себя также горизонтальную составляющую, не показанную здесь.
1/2
Предполагается, что используемый проектор является лазером видимого и УФ-диапазона, который излучает на волне 405 нм и который вследствие своей конструкции имеет угловую полуапертуру γ, равную 10°.
Под угловой полуапертурой в контексте настоящего изобретения понимается угол между наиболее сильно расходящимися лучами, которые могут быть испущены проектором, и оптической осью проектора.
1
Для первого положения устройство помещают в позицию 1 (фиг. 2), чтобы освещать зону 10 на лобовом стекле 1. Как показано на фиг. 2 и в соответствии с контекстом настоящего описания, угол падения θ определен как угол между лучом, когда он испускается в центральном положении лазерного устройства (то есть вдоль оптической оси проектора), и нормалью к остеклению в точке падения на стекло, учитывая его кривизну и наклон.
1min
1max
1/2
1/2
Для каждой точки, освещенной таким образом, в интервале от θ до θ, соответствующем предельным углам апертуры устройства (то есть, соответственно, -γ и +γ вблизи центральной позиции луча), определяют процент R отражения падающего излучения, например, классическими способами моделирования.
1(Rmax)
1max
Наконец, для этой первой позиции определяют величину θ и отвечающее ей отражение R, соответствующие максимальному значению отражения волны для условий, когда:
- падающее излучение не поляризовано (NP),
- падающее излучение является поперечно электрически поляризованным (TE),
- падающее излучение является поперечно магнитно-поляризованным (TM).
2
2
Затем проектор смещают в другое положение i таким образом, чтобы проектором можно было освещать ту же зону 10. В этой конфигурации луч доходит до стекла при другом угле падения, равном θ.
2min
2max
2(Rmax)
2max
Как и для предшествующей конфигурации, для каждой просканированной так точки в интервале между θ и θ определяют процент отражения R падающего излучения, а также величину θ и соответствующее ей отражение R в зависимости от поляризации падающей волны.
Основные результаты, полученные в зависимости от разных расчетных позиций, представлены в следующей таблице 1.
Таблица 1
Угол θ
Поляризация
Максимальное значение отражения R<sub>imax</sub> в интервале ±γ<sub>1/2</sub>
0°0°0°
TMTENP
4,54%4,73%4,55%
20°20°20°
TMTENP
4,36%6,50%4,70%
55°55°55°
TMTENP
1,16%24,4%12,8%
60°
TM
4,04%
Данные, приведенные в таблице 1, показывают, что степень отражения можно ограничить, когда поляризация волны является поперечно-магнитной (TM) и когда угол падения луча θ на лобовое стекло составляет около 50°, с учетом кривизны и наклона стекла и угловой апертуры источника.
1/2
Во второй серии экспериментов источник модифицируют таким образом, чтобы его угловая полуапертура γ была равна 20°.
Действуя аналогично тому, что описано выше, и применяя настоящий способ, определяют оптимальный угол, при котором отражение падающей волны от лобового стекла минимально. Полученные результаты приведены в сравнении с предыдущим примером в следующей таблице 2.
Таблица 2
Поляризация
Оптимальный угол θ
γ<sub>1/2</sub>
Максимальное значение отражения R<sub>max</sub> в интервале θ±γ<sub>1/2</sub>
TM
55°
10°
1,16%
не поляризован
0°
10°
4,55%
TM
48°
20°
3,12%
не поляризован
0°
20°
4,57%
Совместный анализ результатов, представленных в таблицах 1 и 2, показывает, что оптимальное позиционирование источника может быть определено с применением настоящего способа на основе описанных выше принципов и параметров, в зависимости от типа кабины, формы и позиционирования лобового стекла.