用于平视显示器系统的投影装置
1.本发明涉及用于平视显示器的投影装置。
2.现代运载工具越来越多地配备有所谓的平视显示器(hud，“平视显示器”)技术。平视显示器是一种显示系统，该显示系统向运载工具驾驶员在其视野中投影图像形式的附加信息。平视显示器由投影器(成像单元)和用于将图像偏转或反射(反射)到投影面或反射面上的多个光学模块组成。在此，复合玻璃板，尤其运载工具的挡风玻璃板通常用作投影面。尽管图像投影到挡风玻璃板上，但是该图像在驾驶员的人眼察觉的情况下浮在运载工具发动机罩上方的一定距离处。
3.以这种方式，可以将附加信息投影到驾驶员的视野中，例如当前的行驶速度、导航或警告提示，驾驶员可以察觉到所述附加信息，而不必改变其视线方向。因此，平视显示器可以明显有助于提高交通安全性。
4.通常，通过投影器产生的图像由偏振的，尤其s偏振的光辐射构成。s偏振光以特定的入射角射到复合玻璃板上并且至少部分地既折射进入复合玻璃板、又作为s偏振光反射到驾驶员的视野中。然而，反射的图像并非不褪色、或以不期望的反射(所谓的重影)显示。
5.s偏振辐射的入射角通常为约65%，这约等于空气/玻璃过渡的布儒斯特角(对于钠钙玻璃为57.2
°
)。在此出现的问题是，投影器图像在从空气到玻璃和从玻璃到空气的两个外部过渡处被反射。由此，除了所需的主图像之外，也出现略微错位的副图像，即所谓的幻像(“幻像”)。通过将挡风玻璃板的各表面彼此成一定角度来布置，减轻了该问题。这通过在被设计为复合玻璃板的挡风玻璃板的层压时使用楔形中间层来实现。由此可以实现主图像和幻像的重叠。用于hud的具有楔形膜的复合玻璃例如从wo 2009/071135 a1、ep 1800855 b1或ep 1880243 a2中已知。
6.楔形膜昂贵，因此制造这种用于hud的复合玻璃板相当昂贵。因此需要可采用不含楔形膜的挡风玻璃板就可行的hud系统。因此，例如可以以p偏振辐射来运行hud投影器，该辐射在玻璃板表面上由于在布儒斯特角附近的辐射而基本上不被反射。作为用于p偏振辐射的反射面，挡风玻璃板取而代之具有反射涂层。反射涂层被设置用于反射s偏振辐射和p偏振辐射，其中其反射的s偏振辐射明显多于p偏振辐射。
7.de 10 2014 220189 a1公开了hud投影装置，其具有p偏振辐射和作为反射结构的金属层。wo 2019/046157 a1和us 2017/242247 a1也公开了具有p偏振辐射的hud系统。在此，使用具有至少两个金属层的反射涂层。
8.us 6,744,478 b1公开了hud系统，其中液晶显示器产生指向挡风玻璃板的光束。挡风玻璃板在透明板的第一表面上具有光学旋转层。旋转层包含液晶聚合物。反射层布置在该挡风玻璃板的内玻璃板的内侧上。
9.us 2009/195875 a1公开了具有挡风玻璃板的hud系统，其中双折射层布置在挡风玻璃板之中或之上。
10.本发明的目的在于，提供具有反射涂层的hud投影装置，所述反射涂层对可见光谱范围内的p偏振辐射具有良好的反射率并且改进图像的投影。
11.根据本发明，本发明的目的通过根据权利要求1的投影装置来实现。优选的实施方
式由从属权利要求得出。
12.本发明的用于平视显示器的投影装置包括具有hud区域的挡风玻璃板和投影器。该挡风玻璃板具有外玻璃板和内玻璃板，它们通过热塑性中间层相互接合。指向该挡风玻璃板的hud区域的投影器主要发射p偏振辐射。此外，该挡风玻璃板具有反射涂层，其用于反射由投影器发射的辐射。此外，该挡风玻璃板包括第一延迟层，其用于转换透过延迟层透射的辐射的偏振，其中第一延迟层布置在hud区域内，并且反射涂层布置在第一延迟层和外玻璃板或内玻璃板之间。
13.令人惊讶地发现，反射涂层和延迟层的这种布置导致明显更好的反射。由此实现了hud投影的颜色中性显示和玻璃板的颜色中性的整体印象。
14.优选地设置第一延迟层，其用于将透射的光辐射的p偏振光束转换成s偏振光束。通过从p偏振旋转到s偏振，反射涂层的全部效率得以发挥。换句话说，延迟层将平行于部件特定轴偏振的光相对于与此垂直偏振的光而言延迟半个波长。由此实现了特别好的结果。
15.在一个优选的实施方式中，第一延迟层具有至少一种光学各向异性材料或光学双折射材料，特别是石英或云母。原则上合适的其它材料是例如方解石(caco3)、铌酸锂(linbo3)、红宝石(al2o3)、金红石(tio2)和锆石(zrsio4)。第一延迟层优选布置在内玻璃板和外玻璃板之间。
16.在另一个优选实施方式中，挡风玻璃板具有第二延迟层，其用于转换在hud区域内由延迟层透射的光的偏振。
17.反射涂层优选布置在第一延迟层和外玻璃板或内玻璃板之间，其中反射涂层反射的s偏振辐射明显多于p偏振辐射。
18.特别地，反射涂层布置在第一延迟层和第二延迟层之间。由此显著降低图像失真并因此对于观察者实现图像的光学最佳显示。
19.反射涂层是薄层堆叠体。该薄层堆叠体由薄的单层的层序列构成。该薄层堆叠体包括至少一个基于银的导电层。所述基于银的导电层给予反射涂层基本的反射性能和此外红外反射作用和导电性。所述基于银的导电层也可以简化地被称为银层。
20.所述导电层被设计为基于银。该导电层优选含有至少90重量%的银，特别优选至少99重量%的银，非常特别优选至少99.9重量%的银。银层可以包含掺杂物，例如钯、金、铜或铝。银层的几何层厚度优选为最多15 nm，特别优选最多14 nm，非常特别优选最多13 nm。由此可以实现红外范围内的有利反射率，而不会过强地降低可见范围内的透射率。银层的几何层厚度优选为至少5 nm，特别优选至少8 nm。特别优选地，银层的几何层厚度为10 nm至14 nm或11 nm至13 nm。
21.在一个有利的实施方式中，反射涂层不包括折射率小于1.9的介电层。因此，反射涂层的所有介电层具有至少1.9的折射率。本发明的特别优点是，所需反射性能仅可以通过相对高折射率的介电层来实现。因为对于折射率小于1.9的低折射率层，尤其可考虑在磁场辅助阴极沉积中具有低沉积速率的氧化硅层，所以本发明的反射涂层可以如此快速且成本有利地制造。
22.所述反射涂层在银层上方和下方彼此独立地分别包含折射率为至少1.9的介电层或介电层序列。该介电层可以被设计为例如基于氮化硅、氧化锌、氧化锡锌、硅-金属混合氮化物如氮化硅锆、氧化锆、氧化铌、氧化铪、氧化钽、氧化钨或碳化硅。所述氧化物和氮化物
可以化学计量地、亚化学计量地或超化学计量地沉积。它们可以具有掺杂物，例如铝、锆、钛或硼。
23.上部的介电层或层序列的光学厚度优选为100 nm至200 nm，特别优选130 nm至170 nm。下部的介电层或层序列的光学厚度优选为50 nm至100 nm，特别优选60 nm至90 nm。由此获得良好的结果。
24.原则上，挡风玻璃板的hud区域配备有反射涂层就足够了。但是，其它区域也可以配备有反射涂层。挡风玻璃板可以基本上整面地配备有反射涂层，这由制造所致可能是优选的。
25.在本发明的一个实施方式中，玻璃板表面的至少80%配备有本发明的反射涂层。特别地，反射涂层施加在玻璃板表面的整面上，除了环绕的边缘区域和任选的局部区域，这些区域作为通讯、传感器或摄像机窗口应确保电磁辐射透过挡风玻璃板的透射率并且因此不配备有反射涂层。环绕的未涂覆的边缘区域例如具有高达20 cm的宽度。该边缘区域阻止了反射涂层与周围大气的直接接触，从而保护挡风玻璃板内部中的反射涂层免受腐蚀和损坏。
26.如在本发明中可用，反射涂层的制造和参数的其它可能性和指示也可以从未在先公开的ep 19212006.1中获知，其公开内容被整体引用。
27.所述投影器布置在挡风玻璃板的内部空间侧并且通过内玻璃板的内部空间侧表面照射挡风玻璃板。该投影器指向hud区域并且照射该区域以产生hud投影。根据本发明，该投影器的辐射主要是p偏振的，即具有大于50%的p偏振辐射比例。该投影器的总辐射中的p偏振辐射比例越高，则所需投影图像的强度越强，并且挡风玻璃板的表面上的不希望的反射的强度越弱。该投影器的p偏振辐射比例优选为至少70%，特别优选至少80%，特别是至少90%。在一个特别有利的实施方式中，该投影器的辐射基本上是纯p偏振的，即p偏振辐射比例为100%或仅不显著地偏离于此。偏振方向的说明在此基于辐射在挡风玻璃板上的入射平面。p偏振辐射表示其电场在入射平面中振荡的辐射。s偏振辐射表示其电场垂直于入射平面振荡的辐射。入射平面由被照射区域的几何中心中的入射矢量和挡风玻璃板的面法线撑开。
28.所述投影器的辐射优选以45
°
至75
°
，尤其60
°
至70
°
的入射角射到挡风玻璃板上。在一个有利的实施方式中，入射角与布儒斯特角相差最多10
°
。此时，p偏振辐射仅不显著地在挡风玻璃板的内部空间侧的内玻璃板的表面上反射，以使得不产生幻像。入射角是在hud区域的几何中心中在投影器辐射的入射矢量和内部空间侧的面法线(即挡风玻璃板的内部空间侧的外表面上的面法线)之间的角度。对于通常用于窗户玻璃板的钠钙玻璃的情况，空气/玻璃过渡的布儒斯特角是57.2
°
。理想地，入射角应当尽可能接近该布儒斯特角。但是，例如也可以使用65
°
的入射角，该入射角对于hud投影装置是常见的，可以在运载工具中毫无问题地实现并且仅以小程度偏离布儒斯特角，以使得p偏振辐射的反射仅不显著地增加。
29.由于投影器辐射的反射基本上发生在反射涂层上而不在外部的玻璃板表面上，不需要将外部的玻璃板表面彼此成角度地布置，以避免幻像。因此，挡风玻璃板的外表面优选基本上彼此平行地布置。热塑性中间层为此优选不被设计为楔形，而是具有基本上恒定的厚度，尤其也在挡风玻璃板的上边缘和下边缘之间的垂直走向中，如内玻璃板和外玻璃板一样。相反，楔形中间层在挡风玻璃板的下边缘和上边缘之间的垂直走向中具有可变的厚
度，特别是增加的厚度。中间层典型地由至少一个热塑性膜形成。因为标准膜比楔形膜明显更成本有利，挡风玻璃板的制造被设计得更有利。
30.外玻璃板和内玻璃板优选由玻璃制成，尤其由钠钙玻璃制成，这对于窗户玻璃板是常见的。但这些玻璃板原则上也可以由其它类型的玻璃(例如硼硅酸盐玻璃、石英玻璃、铝硅酸盐玻璃)或透明塑料(例如聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯)制成。外玻璃板和内玻璃板的厚度可以宽泛变化。优选使用厚度为0.8 mm至5 mm，优选1.4 mm至2.5 mm的玻璃板，例如具有标准厚度1.6 mm或2.1 mm的玻璃板。
31.外玻璃板、内玻璃板和热塑性中间层可以是清澈且无色的，但也可以是上色或着色的。在一个优选的实施方式中，透过挡风玻璃板(连同反射涂层)的总透射率大于70%。术语总透射率基于由ece-r 43，附录3，第9.1款所规定的机动车玻璃板透光率检测方法。外玻璃板和内玻璃板可以彼此独立地是未预加应力、部分预加应力或预加应力的。如果玻璃板的至少一个应具有预应力，则这可以是热或化学预应力。
32.在一个有利的实施方式中，外玻璃板是上色或着色的。由此可以降低挡风玻璃板的外侧反射率，由此玻璃板的印象对于外部观察者来说更舒适。然而，为了确保挡风玻璃板的70%的预定光透射率(总透射率)，外玻璃板应优选具有至少80%，特别优选至少85%的光透射率。内玻璃板和中间层优选是清澈的，即不是上色或着色的。例如，绿色或蓝色着色的玻璃可以用作外玻璃板。
33.挡风玻璃板优选在空间的一个或多个方向上弯曲，如对于机动车玻璃板常见的那样，其中典型的曲率半径为约10 cm至约40 m。但挡风玻璃板也可以是平坦的，例如当它被设置为用于公共汽车、火车或拖拉机的玻璃板时。
34.热塑性中间层包含至少一种热塑性聚合物，优选乙烯乙酸乙烯酯(eva)、聚乙烯醇缩丁醛(pvb)或聚氨酯(pu)或其混合物或共聚物或衍生物，特别优选pvb。中间层典型地由热塑性膜形成。中间层的厚度优选为0.2 mm至2 mm，特别优选0.3 mm至1 mm。
35.挡风玻璃板可以通过本身已知的方法制造。外玻璃板和内玻璃板通过中间层彼此层压，例如通过高压釜法、真空袋法、真空环法、压延法、真空层压机或其组合。外玻璃板和内玻璃板的接合在此通常在热、真空和/或压力的作用下进行。
36.反射涂层优选通过物理气相沉积(pvd)施加到玻璃板表面上，特别优选通过阴极溅射(“溅射”)，非常特别优选通过磁场辅助阴极溅射(“磁控溅射”)。优选在层压之前施加涂层。代替将反射涂层施加到玻璃板表面上，原则上也可以在载体膜上提供反射涂层，所述载体膜布置在中间层中。
37.下面借助附图和实施例详细解释本发明。附图是示意图并且不是按比例的。附图不以任何方式限制本发明。
38.其中：图1示出了这种类型的投影装置的复合玻璃板的俯视图，图2示出了穿过这种类型的投影装置的截面，图3a示出了s偏振光束穿过投影装置的挡风玻璃板的示意图，图3b示出了p偏振光束穿过投影装置的挡风玻璃板的示意图，图4示出了穿过本发明的投影装置的挡风玻璃板的截面。
39.在所有情况下，具有数值的说明不应理解为精确值，而是还包括+/
‑ꢀ
1%至+/
‑ꢀ
10%
的容差。
40.图1和图2分别示出了用于hud的这种类型的投影装置的细节。投影装置包括挡风玻璃板10，尤其载人轿车的挡风玻璃板。此外，投影装置具有投影器4，该投影器指向挡风玻璃板10的区域。该区域通常被称为hud区域b。在该区域中可以投影由投影器4产生的图像，当观察者5的眼睛位于所谓的眼动范围e内时，所述图像被观察者5(例如运载工具驾驶员)察觉为挡风玻璃板10的背离他的一面上的虚拟图像。
41.挡风玻璃板10由外玻璃板1和内玻璃板2形成，它们通过热塑性中间层3相互接合。其下边缘u向下朝着载人轿车发动机的方向布置，其上边缘o向上朝着顶部的方向。外玻璃板1在安装位置中面向外部环境，内玻璃板2面向运载工具内部空间。
42.图3a示出了当光束部分地在挡风玻璃板10的反射涂层20上反射时s偏振光的光束的示意图。挡风玻璃板10的外玻璃板1具有外侧表面i和内侧表面ii，该外侧表面在安装位置中面向外部环境，该内侧表面在安装位置中面向内部空间。同样地，内玻璃板2具有外侧表面iii和内部空间侧表面iv，该外侧表面在安装位置中面向外部环境，该内部空间侧表面在安装位置中面向内部空间。外玻璃板1和内玻璃板2例如由钠钙玻璃构成。外玻璃板例如具有2.1 mm的厚度，内玻璃板2具有1.6 mm或2.1 mm的厚度。中间层3例如由具有0.76 mm厚度的pvb膜形成。除了可能的专业常见的表面粗糙度外，pvb膜具有基本上恒定的厚度，其不被设计为所谓的楔形膜。
43.内玻璃板2的外侧表面iii配备有反射涂层20，其被设置作为用于投影器辐射的反射面(和可能附加地作为红外反射涂层)。
44.当这种挡风玻璃板10被s偏振光辐射照射并且该光辐射以约65
°
的入射角α(其接近于所谓的布儒斯特角)射到挡风玻璃板10上时，该辐射主要在表面iv、iii和i上反射。
45.图3b示出了当光束部分地在挡风玻璃板10的反射涂层20上反射时p偏振光的光束的示意图。
46.当这种挡风玻璃板10被p偏振光辐射照射并且该光辐射以约65
°
的入射角α射到挡风玻璃板10上时，该辐射仅不明显地在表面i和iv上反射。主反射发生在反射涂层20上。它充当用于产生hud投影的投影器4的辐射的反射面。
47.图4示出了根据本发明设计的挡风玻璃板10的一个实施方式。与图2不同，本发明的挡风玻璃板10具有反射涂层20和用于转换透过延迟层透射的辐射的偏振的第一延迟层6.1。
48.反射涂层20布置在第一延迟层6.1和第二延迟层6.2之间。具有反射涂层20的两个延迟层6.1和6.2施加在pvb膜3.1上。
49.中间层3在此因此是堆叠体，其具有反射涂层20、两个延迟层6.1和6.2以及pvb膜3.1。反射涂层20布置在延迟层6.1和6.2之间的中央。第一延迟层6.1位于反射涂层20上方。第二延迟层6.2和pvb膜3.1位于反射涂层20下方。中间层3将内玻璃板2和外玻璃板1接合。
50.反射涂层20被设置为用于由投影器4发射的p偏振辐射的反射面。
51.第一延迟层6.1和第二延迟层6.2分别包含石英。它们各自具有约28μm的厚度。第一延迟层6.1和第二延迟层6.2分别覆盖hud区域的整面。两个延迟层6.1和6.2被设计为透明的。
52.投影器4根据本发明发射p偏振辐射。由于投影器4以入射角65
°
照射挡风玻璃板
10，辐射仅不显著地在挡风玻璃板10的表面iv上反射。然而，反射涂层20针对p偏振辐射的反射进行了优化。在辐射射到反射涂层20上之前，p偏振辐射穿过第一延迟层6.1。辐射的偏振在此被转换。辐射的p偏振旋转成s偏振。s偏振辐射的一部分在反射涂层20上反射并且另一部分透射。
53.反射的s偏振辐射又穿过第一延迟层6.1并且再次改变其偏振，以使得反射的辐射作为p偏振辐射从挡风玻璃板10射出。
54.透射的s偏振辐射也穿过第二延迟层6.2。透射的s偏振辐射再次改变其偏振，以使得透射的辐射作为p偏振辐射在外玻璃板1的表面i上射出。
55.通过s偏振辐射的纯反射，hud投影增强可见。该结果对于本领域技术人员来说是令人意外且令人惊讶的。
56.反射涂层20是薄层堆叠体。反射涂层20包括基于银的导电层。直接在导电层上方布置有金属阻隔层。在其上布置有上部介电层序列，其从下向上由上部匹配层、上部折射率增加层和上部抗反射层组成。在导电层下方布置有下部介电层序列，其从上向下由下部匹配层、下部折射率增加层和下部抗反射层组成。
57.材料和层厚度可以从下面的实施例中获知。
58.根据实施例1至5的反射涂层20的层序列与各层的材料和几何层厚度一起在表1中示出。介电层可以彼此独立地是掺杂的，例如被硼或铝。
59.表1。
60.与图2不同，中间层3具有pvb膜3.1。替代地或额外地，中间层3可以具有由热塑性聚合物，优选eva、pu或其混合物或共聚物或衍生物制成的其它膜。pvb膜具有约0.38 mm的基本上恒定的厚度。
61.延迟层6.1和6.2包含例如石英。它们的厚度为约28μm (微米)。延迟层6.1和6.2覆盖hud区域的整面。替代地，延迟层6.1和6.2可包含金红石。在此，其厚度为约870 nm (纳米)。延迟层6.1和6.2被设计为透明的。
62.附图标记列表：1
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外玻璃板2ꢀꢀꢀ
内玻璃板3
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热塑性中间层3.1 pvb膜4
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投影器5
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观察者/运载工具驾驶员6.1 第一延迟层6.2 第二延迟层10
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挡风玻璃板20
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反射涂层o
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挡风玻璃板10的上边缘u
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挡风玻璃板10的下边缘b
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挡风玻璃板10的hud区域e
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眼动范围i
ꢀꢀꢀ
外玻璃板1的背离中间层3的外侧表面ii
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外玻璃板1的朝向中间层3的内部空间侧表面iii 内玻璃板2的朝向中间层3的外侧表面iv
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内玻璃板2的背离中间层3的内部空间侧表面。