帶偏振光源與廣角p偏振反射偏振鏡的平視顯示器的製作方法

2023-05-18 03:52:06

專利名稱：帶偏振光源與廣角p偏振反射偏振鏡的平視顯示器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用戶在觀看顯示信息的同時能大體看到其它信息源的投影顯示器，顯示信息可從視窗、目鏡元件或用戶還能通過其觀看其它信息源的部分映出。
這裡使用的術語「平視顯示器」(HUD)指應用於飛機、輪船或陸上運輸工具(包括汽車、卡車與摩託車等機動車)等車輛的視窗內或防護鏡或安全帽護目鏡等更小規模系統或者其它各種場合裡的此類顯示系統。
背景已知有各種HUD系統。通常，投影系統組合一分鏡(分反射鏡與分窗)，作為形成能被用戶觀察的投影圖像的最後光學元件，同時用戶可通過該分鏡看其它景像。分鏡是影響顯示可用性的重要元件。一般，分鏡的反射率必須足以反射來自投影儀的光，但也必須透明得足以通過它舒適地觀看。
分鏡一般置於防風罩、坐艙罩或其它透明基板上，這裡通常稱為窗。或者，有時把裸露的窗表面用作自身的分鏡。在任一場合中，分鏡反射與窗內外表面之一或二者的反射相結合，會產生重像即「疊影」問題。當窗增厚而且穿過窗的視線變得更不透明時，該問題更明顯。對於典型的系統，窗厚度在約1mm和以上時，疊影更明顯。
一種解決方法是對窗的內外表面加楔，使從一個表面反射離開的(S偏振為主的)光在角度上與從分鏡或相對表面反射離開的光分開。然而，對防風罩加楔會增加成本和製造複雜性，而且能對實用設備實現的楔角極為有限。


圖1示出美國專利No.5,999,314(Asakura等人)揭示的另一已知的HUD系統。系統S包括與外側玻璃板1A的內側表面接合的偏振方向變化層2，它與內側面玻璃板1B和中間膜4(聚乙烯醇縮丁醛等)一起形成層壓玻璃5，用於汽車前面的防風罩玻璃W。來自顯示器6的光穿過偏振器7而被p偏振(在入射平面內偏振)。在板1B內側表面形成由TiO2構成的布儒斯特調角膜3。來自顯示器6的p偏振光以布儒斯特調角膜3的布儒斯特角(θ＝63°)入射層壓玻璃5，由於p偏振光以布儒斯特角入射，故在板1B內側表面不作反射。於是光射入層壓玻璃5後達到偏振方向變化層2，P波變成S波。得出的s偏振光接著在板1A外側表面部分反射(約20％)，而反射的s偏振光在再次通過層2時再轉換成p偏振光，於是通過膜3被司機眼睛可看到。該文獻還討論了在板1A外側表面形成選用的反射膜9(由鋁、金、銀或銅構成的薄膜)，以進一步提高反射率。該文獻指出，通過消除來自顯示器6的光從板內側表面1B反射離開，並從圖中可見的其它界面提供可以忽略的反射，就不會形成雙像。
圖1系統的一個問題在於其對外窗表面反射的依賴性，水、冰、髒物等會嚴重畸變或損害像質。另一問題是依賴於偏振方向變化層該層在大的入射角下正常工作，但在整個可見光譜內難以如此，一般實現不了。
其它已知HUD系統向觀看者投射其它類型的偏振光，諸如s偏振光或圓形偏振光。此類系統一般遇到這樣的情況導向觀看者的部分或全部圖像光在水平面內偏振這正是被普通偏振太陽鏡拒絕的偏振分量。故若使用這類太陽鏡，就更難見到投影圖像。
因此，本領域要求可減少或消除疊影的改進的HUD系統。

發明內容
在簡要內容中，本說明書揭示包括窗構件、顯示源與反射偏振鏡的HUD系統。窗構件有一靶區和在靶區的至少一個第一暴露窗表面，第一法向軸與該暴露窗表面相關聯。自身包括一個或多個偏振器(包含例如輸出偏振器)的顯示源，沿照明軸向靶區發射p偏振光，照明軸與第一法向軸成銳角θ1。反射偏振鏡接近靶區，把來自顯示源的至少一部分p偏振光向觀察位置反射。顯然，在包括角θ1的角度範圍內，反射偏振鏡對p偏振光的反射率高於對s偏振光的反射率。在諸較佳實施例中，該角度範圍至少為20°，更希望至少為40°、60°以上。
期望反射偏振鏡對某些斜入射光的s偏振分量基本上呈透明，而且對p偏振分量至少部分反射。例如，在角度範圍內，對p偏振光的反射率至少為20％，更佳為40％，而對S偏振光的反射率則小於10％，更佳小於5％。
再者，偏振器的入射光包括部分或全部電磁波譜的可見部分，還可包括紅外波長。或者，可將反射偏振鏡配置成使s與p偏振光以近正入射與斜射角在紅外區強反射，這樣可額外排斥太陽輻射。
下面更具體地提出附加和/或其它特徵。
附圖簡介整個說明書都參照諸附圖，圖中用同樣的標號表示同樣的元件，其中圖1是原有技術顯示系統的部分剖視圖；圖2是本文所述HUD系統的部分剖視圖；圖3示出撞擊部分反射器的各種斜射光線；圖4a～b是薄得足以用作分鏡的單一金屬塗層的簡化理想曲線，表示分別在X-z平面和y-z平面內反射率與入射角(空氣中)的定性特性；圖5a～b是類似於圖4a～b的多層反射偏振鏡的曲線，其中對於諸交替層而言，Δnx很大，Δny幾乎為零，Δnz很大且與Δnx同極性；圖6a～b是類似於圖5a～b的多層反射偏振鏡的曲線，其中對諸交替層而言，Δnx很大，Δny幾乎為零，而Δnz為零或相比Δnx為極小；圖7a～b是類似於圖6a～b的多層反射偏振鏡的曲線，其中對諸交替層而言，Δnx很大，Δny幾乎為零，而Δnz很大但與Δnx反極性；圖8a～b是類似於圖7a～b的多層反射偏振鏡的曲線，其中對諸交替層而言，Δnx和Δny幾乎都為零，但Δnz很大；圖9是對寬帶反射偏振鏡一個正入射線性偏振分量計算的透射率與波長曲線；圖10是能產生圖9曲線的多層薄膜堆的層厚度分布曲線；圖11是對另一寬帶反射偏振鏡一個正入射線性偏振分量計算的透射率與波長曲線；和圖12是能產生圖11曲線的多層厚膜堆的層厚度分布曲線。
示例實施例的詳述示例HUD系統10的部分示意圖示於圖2。總之，投影系統12把光14傳向窗18的靶區16，於是位於靶區16附近的反射偏振鏡20將至少部分投影光朝預定的觀看者22反射。同時，反射偏振鏡20和窗18發射來自外部環境的至少部分光24，讓觀看者22觀看。
投影系統12是一投影可見光束或圖像的普通系統，包括諸已知的元件，諸如LCD、電致發光面板、白熾或螢光源、CRT、LED與透鏡、準直鏡、反射鏡和/或偏振鏡。發射光基本上為單色、多色、窄帶和寬帶，但較佳地重迭至少一部分約400～700nm的(可見)光譜。重要的是，射向靶區16的光14基本上在圖示平面內線性的偏振。應該理解，系統12在有限的角錐體內發光，但為便於圖示，只繪出一條光線14。再者，系統12可包括斜鏡等機構或位移裝置，以便改變發射光的角度和/或位置，適合處於不同位置或高度的觀看者。
光14沿照明軸26運行並撞擊窗18的第一暴露的主表面18a。如前所述，窗18包括任一種各種各樣的透明構件，可以是單一的或層壓的、平坦或彎曲的(單一或複合的曲率)、水透明或染色的，具有聚焦特性(如在防護鏡或其它眼罩的場合中)，可由任一普通的玻璃和/或塑料構成。為實現廉價與輕量，窗包括一片玻璃或其它有平面平行表面的透明材料。如圖所示，偏振光14撞擊表面18a，與在入射點垂直於表面18a的軸28成一銳角θ1。法向軸28和照明軸26限定的入射平面與圖示平面一致，光14在該入射平面的偏振，故定為「p偏振」光。已知玻璃與塑料等普通光學材料在空氣中呈現布儒斯特角，它與具體光學材料的折射率有關，對於一般窗材料，為55～60°。嚴格地說，由於色散，θB與光波長有關，但這種影響一般極小，在大多數情況下，在可見光譜內可將θB視為常數。對於以布儒斯特角入射的光，任何p偏振分量的反射率都為零，但任何S偏振分量(其電場矢量垂直於入射平面)的反射率甚至比其在接近正入射時的反射率更大。以接近θB角入射的p偏振光經歷非零，但反射率極低。因此，使入射角θ1保持等於或接近θB，並保證光14很少或沒有S偏振分量，則在表面18a不產生投影光14的明顯反射，從而避免在表面18a形成「重迭」圖像。θ1能與θB偏離並仍保持「不明顯反射」的度數，取決於許多系統變量與要求，一般能偏離至少若干弧度。在有些場合中，偏離大於5度甚至10度可以接受，因與近正入射尤其是小於θB的角度的反射率相比，這些角度的p偏振反射率仍要小得多。注意，在投影系統12以未經準直、靶區16被擴展和表面18a不平坦的情況下，與θB的一些角偏差是無法避免的。
根據反射偏振鏡20的特徵，有些光從系統12向前傳播到窗18的第二暴露主表面18b。對有些實施例，表面18b將基本上平行於表面18a，局部法向軸30平行於法向軸28，而且表面18b的布儒斯特角與表面18a的布儒斯特角相同，但這些條件一般不被滿足。若滿足或接受滿足了這些條件，則光14將以與θ1一樣的出射角θ2從窗18出射而再次經歷不明顯的反射，因為實際上不存在s偏振光，並以或接近布儒斯特角傳播，故避免了「重迭」圖像。
有些實施例希望或必須在表面18a和/或18b上設置防反膜。大入射角(空氣中至少為40度)的p偏振光比這些角的s偏振光更容易製作此光膜。另外，希望的話，還可在暴露的窗表面設置如Asakura等人在美國專利5,999,314所述的布儒斯特角調節膜，以便適當調節θB而保持表面18a、18b低的反射率。但對許多實施例而言，完全可不設防反膜和布儒斯特角調節膜。
理想的HUD系統應對來自成像系統的光提供明顯的反射率，同時對來自外部環境的光提供高透射性。為此，HUD系統10配用了反射偏振鏡20。偏振鏡20基本上能完全透射一種偏振光(s偏振)，並對另一種偏振(p偏振)提供選擇性的反射與透射。偏振鏡20較佳地包括多層交替材料堆，諸如美國專利No.5,882,774(Jonza等人)所述。通過適當的層厚度選擇，可把偏振專用反射特性做成波長專用，使偏振鏡對所選波長以外的所有波長實際上都透明，只對p偏振光反射。所選波長可以是單窄帶、多窄帶或寬帶。通過控制層間折射率差和偏振鏡總層數，可對所選波長帶實現任何合適的反射率。偏振鏡20可用數十種上百種共擠壓聚合物層製作，這些聚合物層在可見光和近紅外波長中基本上不吸收，因而偏振鏡的反射率與透射率之和為100％。
出於本申請的目的，除非另有所指，與偏振膜有關的反射率和透射率不計及可能出現在偏振膜最外表面的任何菲涅耳反射。因此，在空氣中對偏振膜樣品的測量，由於這種菲涅耳反射，一般將得出較高的反射率和較低的透射率，除非例如在膜的外表面設置防反膜。
適當控制堆內鄰層的所謂Z折射率差(即沿垂直於偏振鏡平面的軸線的折射率差)，能消除偏振鏡的布儒斯特角，高效地反射p偏振光。這種反射在寬的角範圍內也有效，使同樣的偏振膜適用於各種入射角θ1不同的HUD系統，而且/或者提供更大的設計靈活性。例如，偏振鏡20無須平行於表面18a或18b，使光14a的出射角θ3(從軸線28測得)不同於入射角θ1。
雖然反射偏振鏡一般只遍布一小部分窗(該部分一般對應於靶區16)，但在有些實施例中，該反射偏振鏡能以連續條的形式延伸穿過整個窗18，或甚至與窗18完全共同擴張。對於機動車輛，該條能沿防風罩的上、下或中部水平延伸。根據窗大小和應用，靶區同樣只遍布小部分、一條或整個窗。
HUD系統10的一個好處是與偏振型太陽鏡相容。對於許多機動車應用，來自外部環境的眩光易於沿水平軸偏振。圖2用標號32代表眩光。與之相比，來自投影系統被偏振鏡20朝觀看者22反射的光部分14a，則沿位於垂直平面的軸線偏振。普通偏振型太陽鏡有選擇地發射垂直偏振光而阻斷水平偏振光，因而阻斷了眩光32，但發射HUD反射的光14a。注意，太陽鏡還阻斷所需外部環境光24的水平偏振分量。反射偏振鏡20在此情況下不得反射所有可見的p偏振光，因為帶太陽鏡的觀看者22應能通過靶區16看到極少量所需的外部環境光24。
現在轉看圖3，圖示的部分反射鏡40或其局部平坦部分位於x-y-z笛卡兒坐標系的x-y平面內。以下討論將用該參照系統描述某些部分反射鏡相對於HUD系統10其它反射鏡的特性和優點。圖示光線斜撞在反射鏡上，有些光線位x-z平面，另一些光線位於y-z平面，這些平面內的光都具有s和p兩種偏振分量。在部分反射鏡40為偏振鏡時，y軸定為通過軸，x軸定為阻斷或反射軸。入射角θ在入射光線空氣方向與z軸之間為銳角，與部分反射鏡40正交。
圖4～8用於比較，圖中曲線表示S和p偏振光作為某些部分反射鏡的入射角函數的通用定性反射率特性，並非取自真實的或甚至計算的數據，但用於比較已足夠精確了。如上所述，曲線假定光波長在期望的譜帶內。
在圖4a和4b中，對分別入射x-z與y-z平面的光示出了簡型半「鍍銀」鏡的反射率特性。這種部分反射鏡可用澱積至透明基片上的一薄層單一的銀、鋁、金或其它普通金屬構成，金屬厚度可反射50％正入射光。注意，正入射的透射將小於50％，因為金屬一般吸收可見光。兩圖相同，因為金屬膜為各向同性。θ增大時，S偏振光的反射率增大，p偏振光的反射率先有點下降，然後增大。在斜入射角寬廣的角範圍內，包括玻璃與塑料典型的布儒斯特角，儘管p偏振反射率很高，但這種部分反射鏡在HUD系統10中並不優化地工作，因為它難以通過這種反射鏡看到外部環境。主要原因在於，在整個角範圍內，S偏振反射率的量級等於或高於p偏振反射率。減小金屬層厚度可增強分鏡透射而提高對外部環境的能見度，但會降低投影圖像亮度。
圖5a和5b對分別入射x-z和y-z平面的光示出多層雙折射反射偏振鏡的反射率特性。多層堆內鄰層間的折射率關係為Δnx≈大(+)Δny≈0Δnz≈大(+)這被稱為「Z失配型」偏振鏡。Δnx與Δnz的「+」號說明這些差值為同極性——x方向折射率nx較高的層也具有較高的z方向折射率n2，，反之亦然。Δnx的「大」表明對於堆中給定的層數，折射率差足以將正入射光的一種偏振反射至少20％，更佳為50％或以上。對於已知的雙折射聚合物堆，這一般至少為0.1或0.2。Δny的零表明，對於堆中給定的層數，折射率差小得對正入射光的正交偏振足以反射可予以忽略的量，較佳的小於10％或5％。對已知的雙射聚合物堆，這一般至多為0.02或0.01。Δnz的「大」表示為Δnx的量級。
如圖所示，z失配偏振鏡在x-z與y-z兩平面內具有斜角的某一p偏振反射率。在y-z平面內，p偏振反射率在寬角範圍內很明顯，但不幸得很，s偏振反射率在同一範圍內也極大。在x-z平面內，在寬角範圍內，p偏振反射率大於s偏振反射率，但有的地方前者變零，原因在於多層堆自身的布儒斯特角效應。再者，在零反射率點附近，p偏振反射率隨入射角迅速地變化。y-z平面內的高s偏振反射率和x-z平面內的布儒斯特角效應與p偏振反射率的迅速擾動，說明z失配偏振鏡也不能作為HUD系統10裡的部分反射鏡而優化地工作。
對於分別入射x-y與y-z平面的光，圖6a和6b示出了一不同多層雙折射反射偏振鏡的反射率特性。該多層堆內鄰層間的折射率關係為Δnx≈大Δny≈0Δnz≈0被稱為「z匹配型」偏振鏡。Δnx的「大」和Δny的零與圖5a-b一樣。Δnz的零說明折射率差的絕對值至少小於Δnx的一半，更佳地小於Δnx的1/4或1/10。
如圖6a所示，在寬的入射角範圍內，實際上在整個入射角範圍內，對x-z平面內的光的p偏振反射率相對恆定，比s偏振反射率高得多。對於與Δnx同極性的小Δnz值，增大θ使p偏振反射率略減小，而對於與Δnx相反極性的小Δnz值，增大θ使p偏振反射率略增大，這一特徵用虛線表示。S偏振反射率可忽略不計——在整個入射角範圍內低於10％與5％。相比之下，在整個入射角範圍內，入射y-z平面的光令隨角度經受高而不斷增大的s偏振反射率，而p偏振反射率可忽略不計。顯然，z匹配型反射偏振鏡完全適合在HUD系統10中用作部分反射鏡。但如圖6a與6b的差異所示，為實現較佳性能，偏振鏡必須正確定向，較佳的，x-z平面與圖2的平面相一致。在機動車應用中，偏振鏡的通過軸(y軸)較佳為水平。
對於分別入射x-z與y-z平面的光，圖7a與7b示出一不同多層雙折射反射偏振鏡的反射率特性。該多層堆內鄰層問的折射率關係為Δnx≈大(+)Δny≈0Δnz≈大(-)這被稱為「負z失配型」偏振鏡。Δnx的「大」和Δny的零與圖6a-b中一樣，Δnx的「大」表示其量級與Δnx一樣，「+」與「-」號說明Δnx與Δnz為反極性nx值較高的層具有較低的nz值，反之亦然。
對於y-z平面內的光(與圖7b和5b相比)，負z失配型偏振鏡的反射率特性與其它z失配型偏振鏡一樣，但對於x-z平面內的光，p偏振反射率不只是維持，而是隨角度增大，如圖7a所示，s偏振反射率則對所有入射角保持可被忽略。希望的話，為降低圖7a的p偏振反射率曲線並增大或消除p偏振反射率達到飽和的角度，可減少堆的總層數和/或減小Δnx的幅值。不管是否這樣做，對x-z平面內的光而言，在一寬角範圍內，實際上在所有入射角內，負z失配型反射偏振鏡都提供高的p偏振反射率和可以忽略的s偏振反射率，使它總是適用HUD系統10。但在某些場合中，p偏振光隨θ明顯增加是不利的。
對分別入射x-z與y-z平面的光，圖8a與8b示出又一多層雙折射反射偏振鏡的反射率特性。該多層堆內鄰層間的折射率關係為Δnx≈0Δny≈0Δnz≈大這被稱為「離軸型」偏振鏡。Δnx與Δny的零表示小得足以對任一偏振產生可以忽略的同軸(θ＝0)反射率量，如小於10％或5％。Δnz為「大」說明大得足以產生大量期望的離軸反射率。優選的Δnz值為0.1或以上。可參考題為「具有大E軸折射率差的P偏振器「(P-Polarizer With Large E-axis Re-fractive IndexDifference)的共同轉讓的美國專利申請流水號10/334,836和題為「帶有設計的色移的光偏振器」(Optical Polariziug Films With Designed Color Shifts)的美國專利申請流水號10/335,460。
首先注意，圖8a與8b相同，因為離軸偏振鏡在膜平面(x-y平面)內基本上對稱。此外，在寬角範圍內，實際上對所有入射角，s偏振反射率都可以忽略。在這方面，平面內標出的折射率並不精密地匹配，有少量s偏振反射率隨θ增大。但要指出，p偏振發射率隨θ增大而迅速地增大。虛線表明，對於較大的Δnz值(和/或堆內更多層)，曲線能更快地隨角度上升，對於較小的Δnz值(和/或堆內更少層)，曲線則更慢地隨角度上升。當然，再減小可防止p偏振反射率總是達到飽和。在任何情況下，該離軸型偏振鏡能在寬度範圍內提供大量p偏振反射率和少量s偏振反射率。有利的是，這類偏振鏡和至少是負z失配型偏振鏡，以較大的入射角(更可能是HUD入射角θ1)提供更高等級的p偏振反射率，而在近正入射時更透明。離軸型偏振鏡在正入射時基本上透明。離軸型偏振鏡特有的另一重要優點是能在HUD系統內定位而與偏振鏡取向無關，因為它在平面內對稱。但如前所述，在有些場合中，p偏振反射率隨角度明顯增大可能是不利的。
現在轉向合適反射偏振鏡的期望的譜特性。這些特性不僅受到多層堆交替層折射率的影響，還明顯受到整個堆層厚度分布的影響，而且還隨入射角變化。
可用各種反射偏振鏡設計使p偏振光部分透射通過HUD系統的部分反射鏡，其中的兩種設計是(1)只反射所選p偏振光可見波長的著色偏振鏡，和(2)以中等反射率諸如25％或50％均勻反射所有p偏振光可見波長的寬帶偏振鏡。在第一類型中，帶內反射率可選到100％。應理解，這裡討論的反射帶考慮了光源相對偏振鏡的角位置所造成的任何譜移，即反射帶是偏振鏡在預定應用角度時的反射帶，不必正入射，除非另有規定。
一例第一類光譜特性是通過插入透射帶而分開多樣性反射帶的反射偏振鏡，例如把膽甾型或薄膜反射偏振鏡設計成在可見光譜的紅綠蘭部分中反射三個較窄的波長帶。眾所周知，以各種組合方式添加紅綠蘭光，實際上可產生任一種譜色，這樣不用反射整個可見光譜的偏振鏡也能形成全色的HUD。在400～480nm、500～570nm和600～700nm之間的譜範圍內，可在反射偏振鏡中設置蘭綠紅反射帶。為使透射效率最大，偏振鏡只反射其中每一範圍的窄部分，寬度(半最大值的全寬度)較佳為50nm或以下，更佳為10～40nm，最佳為10～30nm。對於能為具有高最大反射率值的窄反射帶提供銳帶緣的層厚度分布技術，可參照美國專利Ni.6.157.490(Wheatley等人)。若顯示源以三個(或小於三個)窄帶寬發光，則偏振鏡在預定入射角下的窄反射帶重迭該源的發射波長。在有些實施例中，該偏振鏡只能在可見光區設置一個或二個反射帶。另外，在車輛應用中，偏振鏡還可包括一個或多個紅外反射帶，可減少駕駛室內太陽光熱量。
在應用第一類譜特性的另一例HUD系統中，反射偏振鏡在正入射時的反射帶基本上全部位於紅外範圍(包括近紅外範圍)，但在以選擇的入射角入射時，該帶移入可見光波長，通常為紅波長。結果，該反射偏振鏡在使用角度下反射紅色(並發射青色，即紅的補色)的p偏振光。除可適用於HUD外，這種反射偏振鏡的另一優點在於，通過把至少一種偏振的紅外輻射反射得遠離觀看者，可起到冷卻作用。本例可用的反射偏振鏡可以是膽甾型反射偏振鏡和薄膜反射偏振鏡，二者的特徵是反射率譜隨入射角θ增大而移向更短的波長。本例的顯示源例如提供在偏移波長範圍內的紅光。紅光反射率經修改，使足量紅光透射窗的靶區，從而看到諸如交通信號燈之類的外部紅色物體。後者只在觀看者也帶偏振型太陽鏡時涉及到，這種太陽鏡基本上阻斷了所有正交偏振的(即水平偏振的)紅光。
由於膽甾型偏振鏡反射圓偏振光，故要用1/4波板將線性的s和p偏振光轉換到圓形。控制膜的x、y和z的相對摺射率值，可優化1/4波板的斜特性。
對於在任何照明條件下反射鏡無顯色作用的全色HUD系統，使用寬帶反射偏振鏡是有利的。調節反射率可滿足窗的任何透射要求，且仍對投射光提供高反射率，例如有些機動車的前面防風罩至少要求70％的平均透射比。這樣，可將寬帶反射偏振鏡做成對圖9所示的正入射的一種線性偏振具有透射譜，而正交線性偏振的透射比幾乎為100％。這種膜對非偏振光的平均透射比接近75％。同時，由於較佳偏振鏡的反射率與透射比之和基本上為100％。故約50％的偏振投影儀光指向觀看者。具有這些譜特性的z匹配型薄膜偏振鏡可以製成有224個獨立層，層厚度分布示於圖10。諸點落在兩條曲線上。下面的曲線針對第一交替材料(如對苯二甲酸乙二醇聚酯(PET)，其折射率nx高達1.68；上面的曲線針對第二交替材料(如共聚多酯)，其折射率nx較低，為1.54。所有層的y與z折射率均為1.54。該例應用了分級的1/4波堆設計，多層堆裡的光學重複單元基本上包括兩個鄰層，指定光學重複單元的總光學厚度為光學反射波長的一半。
還試用過其它已知的堆設計，如每個光學重複單元應用的層數超過二個。在一種此類設計中(Arends等人在美國專利No.5,360,659中揭示的)，各光學重複單元有6層，其中安排了兩種交替材料，相對光學厚度為7-1-1-7-1-1。在美國專利No.5,103,337(Schrenk等人)揭示的另一種設計中，各光學重複單元有4層，其中三種材料A、B、C的折射率為nA＞nB＞nC，nB=nAnC]]>排成ABCB，相對光學厚度分別為1/3、1/6、1/3、1/6.還試用過混合膜設計，應用了1/4波結構、7-1-1-7-1-1結構和ABCB結構中的一種以上。
實現寬帶反射的另一方法是在多層光學堆裡使用厚得多的層，例如像圖12所示，使用124個較厚層的z匹配型偏振鏡可得到圖11所示的透射光譜。在圖12中，下面的曲線針對nx≈1.85的第一交替材料(PEN)，上面的曲線針對nx≈1.565的第二交替材料(購自伊斯特曼化學公司的PETG)，y與z折射率都匹配於1.565，在所有角度下對通過偏振得出無色的透射。這些折射率可用PEN實現，而PEN單軸定向，使膜沿非擴張方向收縮。注意，該膜對p偏振具有從400nm擴展到1800nm的50％反射率，故反射所有太陽輻射的25％。由於z折射率匹配，該反射率級別在θ增大時不變。
本領域的技術人員將明白本發明的各種修正與替代方法而不違背本發明的範圍與精神，而且應該理解，本發明並不限於這裡所提出的諸示例性實施例。
權利要求
1.一種向觀看位置顯示信息的系統，其特徵在於，包括具有靶區和在靶區的至少第一暴露窗表面的窗構件，第一暴露窗表面有一與之關聯的第一法向軸線；沿照明軸線向靶區發射偏振光的顯示源，照明軸線與第一法向軸線成銳角θ1，發射的光基本上p偏振，並包括至少一個有關的可見光波長；和位於靠近靶區的反射偏振鏡，把至少一部分來自顯示源的p偏振光朝觀看位置反射；其中在入射角包括角θ1的角範圍內，在至少一個有關可見光波長下，反射偏振鏡對p偏振光比對s偏振光具有更高的反射率。
2.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述窗構件包括第二暴露窗表面，所述反射偏振鏡位於第一與第二暴露窗表面之間。
3.如權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述窗構件包括至少兩個窗層，所述反射偏振鏡位於至少兩個窗層之間。
4.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述角範圍至少為20度。
5.如權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述角範圍至少為40度。
6.如權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述角範圍至少為60度。
7.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，在角範圍內，所述反射偏振鏡在至少一個有關可見光波長下，對在垂直於反射偏振鏡的第一平面內入射的p偏振光具有至少約20％的反射率。
8.如權利要求7所述的系統，其特徵在於，在角範圍內，所述反射偏振鏡在至少一個有關可見光波長下，對在第一平面內入射的p偏振光具有至少約40％的反射率。
9.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，在角範圍內，所述反射偏振鏡在至少一個有關可見光波長下，對在垂直於反射偏振鏡的第一平面內入射的s偏振光具有小於約10％的反射率。
10.如權利要求9所述的系統，其特徵在於，在角範圍內，所述反射偏振鏡在至少一個有關可見光波長下，對在第一平面內入射的s偏振光具有小於約5％的反射率。
11.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，在至少一個有關可見光波長下，所述第一暴露窗表面具有與之關聯的布儒斯特角θB，θ1與θB相差小於約10度。
12.如權利要求11所述的系統，其特徵在於，θ1與θB相差小於約5度。
13.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述反射偏振鏡選自z匹配型反射偏振鏡、負z失配型反射偏振鏡和離軸偏振鏡。
14.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述反射偏振鏡對正入射光大於約700納米的波長包括至少一個反射帶。
15.一種向觀看位置顯示信息的系統，其特徵在於，包括具有靶區和在靶區的至少第一暴露窗表面的窗構件，第一暴露窗表面有一與之關聯的第一法向軸線；沿照明軸線向靶區發射偏振光的顯示源，照明軸線與第一法向軸線成銳角θ1，發射的光基本上p偏振，並包括至少一個有關的可見光波長；和位於靠近靶區的反射偏振鏡，把至少一部分來自顯示源的p偏振光朝觀看位置反射；其中第一法向軸線與照明軸線形成第一平面，而在包括照明軸線的角範圍內，在第一平面內入射光的至少一個有關可見光波長下，所述反射偏振鏡對s偏振光基本上透明，對p偏振光基本上反射。
16.如權利要求15所述的系統，其特徵在於，在至少一個有關可見光波長下，所述第一暴露窗表面具有與之關聯的布儒斯特角θB，θ1與θB相差小於約5度。
17.如權利要求15所述的系統，其特徵在於，所述寬角範圍至少20度。
18.如權利要求15所述的系統，其特徵在於，在至少一個有關可見光波長下和寬角範圍內，所述反射偏振鏡對p偏振光的反射率至少為約40％，對s偏振光的反射率小於約5％。
19.一種向觀看位置顯示信息的系統，其特徵在於，包括具有靶區和在靶區的至少第一暴露窗表面及相對單一暴露窗表面的第二暴露窗表面的窗構件，第一暴露窗表面具有與之關聯的第一法向軸線；沿照明軸線向靶區發射偏振光的顯示源，照明軸線與第一法向軸線構成銳角θ1，發射的光基本上p偏振並包括至少一個有關的可見光波長；和位於靠近靶區的反射偏振鏡，把至少一部分來自顯示源的p偏振光朝觀看位置反射；其中反射偏振鏡位於第一與第二暴露窗表面之間，對於在至少一個有關可見光波長下沿照明軸線入射的光，反射偏振鏡反射比s偏振光更多的p偏振光。
20.如權利要求19所述的系統，其特徵在於，在至少一個有關可見光波長下，所述第一暴露窗表面具有與之關聯的布儒斯特角θB，而θ1與θB相差小於約5度。
21.如權利要求19所述的系統，其特徵在於，對於在至少一個有關可見光波長下沿照明軸線入射的光，所述反射偏振鏡對p偏振光的反射率至少為約40％，對s偏振光的反射率小於約5％。
22.如權利要求21所述的系統，其特徵在於，在至少一個有關可見光波長下在至少20度的角範圍內入射的光，所述反射偏振鏡對p偏振光的反射率至少為約40％，對s偏振光的反射率小於約5％，而所述角範圍包括照明軸線。
23.一種適用於HUD系統的元件，其特徵在於，包括具有靶區和在靶區至少第一暴露窗表面的窗構件，第一暴露窗表面有一與之關聯的第一法向軸線和布儒斯特角θB和靠近靶區的反射偏振鏡；其中在至少一個有關可見光波長下，對於第一入射方向與第一法向軸線成角θB的光，反射偏振鏡對p偏振光比對s偏振光具有更高的反射率。
24.如權利要求23所述的元件，其特徵在於，所述窗構件還具有與第一暴露窗表面相對的第二暴露窗表面，所述反射偏振鏡位於第一與第二暴露窗表面之間。
25.如權利要求24所述的元件，其特徵在於，所述窗構件包括至少兩個窗層，所述反射偏振鏡位於該至少兩個窗層之間。
26.如權利要求23所述的元件，其特徵在於，所述反射偏振鏡選自z匹配型反射偏振鏡、負z失配型反射偏振鏡和離軸偏振鏡。
27.如權利要求23所述的元件，其特徵在於，在至少一個有關可見光波長下，對於角範圍至少20度的光(角範圍包括第一入射方向)，所述反射偏振鏡對p偏振光比對s偏振光具有更高的反射率。
全文摘要
平視顯示器包括投影系統與窗，窗的靶區設一反射偏振鏡，把來自投影系統的光反射到觀看區。來自投影系統的光經p偏振以銳角撞擊暴露的窗表面，減少或消除了重像。該銳角與暴露窗表面的布儒斯特角精密匹配。反射偏振鏡有一多層堆，各層的折射率選擇成以在包含該銳角的寬角範圍內，對p偏振光的反射比對s偏振光的反射強得多。該反射偏振鏡還能反射紅外光，以減少駕駛室內的太陽輻射熱。
文檔編號G02B5/30GK1732404SQ200380107707
公開日2006年2月8日 申請日期2003年12月24日 優先權日2002年12月31日
發明者M·F·維伯, A·J·烏德柯克, J·A·惠特利 申請人:3M創新有限公司