CN105301775B - 一种高分辨率低畸变的全挡风玻璃hud成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高分辨率低畸变的全挡风玻璃HUD成像装置，包括显示屏(1)，显示屏(1)前方设有反射镜一(2)，反射镜一(2)斜下方设有反射镜二(3)，反射镜二(3)斜上方设有反射镜三(4)，显示屏(1)上的车辆信息经反射镜一(2)、反射镜二(3)和反射镜三(4)后投射至车辆挡风玻璃(5)上，再经车辆挡风玻璃(5)反射进入人眼(6)，显示屏(1)与反射镜二(3)空间上为平行关系，显示屏(1)与反射镜一(2)夹角为15‑30°，反射镜二(3)与反射镜三(4)夹角为1‑10°；本发明能够将仪表上的车辆信息通过车辆挡风玻璃形成虚像于驾驶员眼前，实现了驾驶员不低头即可获取高分辨率、低畸变、清晰的车辆信息图像。

Description

一种高分辨率低畸变的全挡风玻璃HUD成像装置
[技术领域]
本发明涉及车辆信息显示装置技术领域，具体地说是一种用于汽车上的高分辨率低畸变的全挡风玻璃HUD成像装置。
[背景技术]
目前，汽车安全越来越多的受到关注，驾驶员视线离开前方是车祸发生的主要原因之一。在行车过程中，驾驶员由注视前方转向仪表盘，读取汽车相关信息需要0.5-1秒的时间，在高速行驶时，视觉盲区会导致危险性的增加；另一方面，驾驶员视线由前方转向仪表盘时，人眼会进行调焦以看清远近不同的物体，而不断的调焦会增加驾驶员的视觉疲劳，从而使行车危险性增加。为了提高驾驶员的行车安全，抬头显示装置越来越受到关注。
抬头显示器(Head Up Display—HUD)最早应用于军用飞机上。它可使飞行员不需要低头即可获得仪表上的重要信息，避免了飞行员注意力的中断，提高了飞行安全。HUD最早出现在汽车上是在20世纪80年代末，HUD可将仪表上的重要信息(如：车速、油耗提示、导航等信息)显示于驾驶员的正前方，这样可以避免驾驶员因低头查看仪表盘造成的意识中断，提高了行车安全性。目前，市面上很多常见的‘HUD’并不能称为真正的HUD，其大多是在挡风玻璃底部黏贴一块屏幕或者在仪表盘上方直接放置一块屏幕，将影像直接投射到该屏幕上，这种方式并不能真正的实现影像信息成像在驾驶员的前方，驾驶员仍需低头查看影像信息。另一方面，人眼会根据物体距离自动调节晶状体实现调焦，以最放松的状态观看物体，晶状体最放松的状态是调焦在距离大于2米以上的位置，而目前市面上的HUD大部分成像距离在0.75～1.2米。因此，高分辨率、低畸变的清晰图像是提升用户体验的关键。传统的HUD普遍采用全反射式系统，全反射式系统存在像散难以校正的问题；此外，目前上市的HUD产品还存在图像倾斜的问题，降低了用户体验。
[发明内容]
本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种高分辨率低畸变的全挡风玻璃HUD成像装置，采用偏轴三反光学系统，能够将仪表上的车辆信息通过车辆挡风玻璃形成虚像于驾驶员眼前，真正实现了驾驶员不低头即可获取高分辨率、低畸变、清晰的车辆信息图像。
为实现上述目的设计一种高分辨率低畸变的全挡风玻璃HUD成像装置，包括显示屏1，所述显示屏1的前方设有反射镜一2，所述反射镜一2的斜下方设有反射镜二3，所述反射镜二3的斜上方设有反射镜三4，所述显示屏1上的车辆信息经反射镜一2、反射镜二3和反射镜三4后投射至车辆挡风玻璃5上，再经车辆挡风玻璃5反射进入人眼6，所述显示屏1与反射镜二3空间上为平行关系，所述显示屏1与反射镜一2夹角为15-30°，所述反射镜二3与反射镜三4夹角为1-10°。
所述反射镜一2为鞍形镜或多项式面型反射镜，所述反射镜二3、反射镜三4均为鞍形镜反射镜。
所述显示屏1为TFT液晶显示屏。
所述反射镜一2、反射镜二3、反射镜三4在X、Y、Z三个方向上均有倾斜和偏心。
所述反射镜一2、反射镜二3、反射镜三4的通光孔径均有一定的偏心和倾斜。
所述反射镜三4为可旋转式反射镜。
所述HUD成像装置的像面7处于人眼6前2.5-3米，所述像面7的成像尺寸为8-14英寸，所述像面7与人眼6所在水平面成3-5°夹角。
本发明同现有技术相比，具有如下优点：
(1)采用偏轴三反光学系统，能够实现高分辨率、低畸变、无倾斜地将仪表上的重要信息通过车辆挡风玻璃形成虚像于距离驾驶员眼前约2.5-3米的位置；
(2)将显示屏与反射镜二在空间上设置为平行关系，则能够缩短系统尺寸，便于系统整体外壳的加工和镜片的固定；
(3)由于车辆挡风玻璃在水平和竖直方向上的曲率变化范围较大，通过将三个反射镜设置为在X、Y、Z三个方向上均有倾斜和偏心，从而能够校正挡风玻璃引入的像差，尤其是校正较大的像散；
(4)由于反射镜一为鞍形镜或多项式面型，反射镜二和反射镜三为鞍形镜，鞍形镜和多项式面型在子午方向和弧矢方向有不同的曲率半径和高次项非球面系数，采用非对称的高次非球面可以针对挡风玻璃两个方向的不同曲率半径分别进行像差补偿，从而能够较好的校正挡风玻璃引入的像差；
(5)反射镜一、反射镜二和反射镜三的通光孔径均有一定的偏心和倾斜，从而可以使其面积最小，使得整个HUD成像装置的结构更加紧凑，体积更小；
(6)将反射镜三设置为可旋转式，则能够实现HUD像面的上下调节，以针对不同身高的驾驶员，均可实现像面处于最佳的显示位置；
(7)该HUD成像装置像面处于人眼前约2.5-3米，成像尺寸8-14英寸，与人眼所在水平面成3-5°夹角，该设计可真正的实现驾驶员不低头即可获取车辆信息，同时不影响正常驾驶；
(8)该HUD成像装置能够将系统畸变控制在2％以内，其高分辨率、低畸变的清晰图像提升了用户体验。
[附图说明]
图1是本发明的成像原理示意图；
图2是本发明中车辆挡风玻璃显示区域侧视图；
图3是本发明的整体成像系统示意图；
图4是本发明实施例中的源图像；
图5是本发明实施例中的成像效果图；
图中：1、显示屏 2、反射镜一 3、反射镜二 4、反射镜三 5、车辆挡风玻璃 6、人眼7、像面。
[具体实施方式]
下面结合附图对本发明作以下进一步说明：
如附图所示，本发明包括：显示屏1，显示屏1的前方设有反射镜一2，反射镜一2的斜下方设有反射镜二3，反射镜二3的斜上方设有反射镜三4，显示屏1上的车辆信息经反射镜一2、反射镜二3和反射镜三4后投射至车辆挡风玻璃5上，再经车辆挡风玻璃5反射进入人眼6，显示屏1与反射镜二3空间上为平行关系，显示屏1与反射镜一2夹角为15-30°，反射镜二3与反射镜三4夹角为1-10°。
本发明中，反射镜一2为鞍形镜或多项式面型反射镜，反射镜二3、反射镜三4均为鞍形镜反射镜，鞍形镜和多项式面型在子午方向和弧矢方向有不同的曲率半径和高次项非球面系数，采用非对称的高次非球面可以针对挡风玻璃两个方向的不同曲率半径分别进行像差补偿，从而较好的校正挡风玻璃引入的像差；显示屏1为TFT液晶显示屏，用于显示车辆信息，如车速、导航、油耗等信息。
其中，反射镜一2、反射镜二3、反射镜三4在X、Y、Z三个方向上均有倾斜和偏心；反射镜一2、反射镜二3、反射镜三4的通光孔径均有一定的偏心和倾斜，这样可以使其面积最小，从而使整个HUD成像装置的结构更加紧凑，体积更小；反射镜三4为可旋转式反射镜，可实现HUD像面的上下调节，针对不同身高的驾驶员，可实现像面处于最佳的显示位置。HUD成像装置的像面7处于人眼6前约2.5-3米，像面7的成像尺寸为8-14英寸，像面7与人眼6所在水平面成3-5°夹角，该设计可真正的实现驾驶员不低头即可获取车辆信息，同时不影响正常驾驶。
本发明所述成像装置采用偏轴三反光学系统。车辆挡风玻璃在该HUD成像装置中参与成像，所用到的挡风玻璃位于驾驶员正前方，其显示区域大小约为160mm*300mm，该车辆挡风玻璃与水平面有一定的夹角，其水平方向较大的曲率半径造成挡风玻璃显示区域与竖直方向也有一定的夹角，如附图2所示。车辆挡风玻璃在水平和竖直方向上的曲率变化范围较大，为校正挡风玻璃引入的像差，尤其是校正较大的像散，该成像系统的三个反射镜在X、Y、Z三个方向上均有倾斜和偏心。该HUD成像装置能够将系统畸变控制在2％以内，且为缩短系统尺寸，便于系统整体外壳的加工和镜片的固定，显示屏与反射镜二空间上为平行关系。
如附图3所示，本发明包括：显示车辆信息的显示屏，该显示屏为1.8寸TFT液晶显示屏，显示屏的前方设有鞍形镜或多项式面型反射镜，反射镜一的斜下方设有反射镜二，反射镜二的斜上方设有反射镜三，显示屏上的车辆信息经反射镜一、反射镜二和反射镜三后投射至车辆挡风玻璃上，图像经挡风玻璃反射进入人眼，人眼看到的虚像处于像面7处。在本实施例中，反射镜一与反射镜二的夹角α1为18°，反射镜二与反射镜三的夹角α2为5°，反射镜三与车辆挡风玻璃的夹角α3为65°，反射镜一与反射镜二间距为107mm，反射镜二与反射镜三间距为73mm，反射镜三与车辆挡风玻璃间距为260mm；经本实施例中的HUD成像系统，系统网格畸变为1.2％，像面距离人眼的距离为2.7米；如附图4所示该实施例中的源图像，如附图5所示为经过本实施例中的HUD后的成像效果，可见其能够获取高分辨率、低畸变、清晰的车辆信息图像。
本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高分辨率低畸变的全挡风玻璃HUD成像装置，其特征在于：包括显示屏(1)，所述显示屏(1)的前方设有反射镜一(2)，所述反射镜一(2)的斜下方设有反射镜二(3)，所述反射镜二(3)的斜上方设有反射镜三(4)，所述显示屏(1)上的车辆信息经反射镜一(2)、反射镜二(3)和反射镜三(4)后投射至车辆挡风玻璃(5)上，再经车辆挡风玻璃(5)反射进入人眼(6)，其特征在于：所述显示屏(1)与反射镜二(3)空间上为平行关系，所述显示屏(1)与反射镜一(2)夹角为15-30°，所述反射镜二(3)与反射镜三(4)夹角为1-10°；所述反射镜一(2)为鞍形镜或多项式面型反射镜，所述反射镜二(3)、反射镜三(4)均为鞍形镜反射镜；所述显示屏(1)为TFT液晶显示屏；所述反射镜一(2)、反射镜二(3)、反射镜三(4)在X、Y、Z三个方向上均有倾斜和偏心；所述反射镜一(2)、反射镜二(3)、反射镜三(4)的通光孔径均有一定的偏心和倾斜。
2.如权利要求1的高分辨率低畸变的全挡风玻璃HUD成像装置，其特征在于：所述反射镜三(4)为可旋转式反射镜。
3.如权利要求2的高分辨率低畸变的全挡风玻璃HUD成像装置，其特征在于：所述HUD成像装置的像面(7)处于人眼(6)前2.5-3米，所述像面(7)的成像尺寸为8-14英寸，所述像面(7)与人眼(6)所在水平面成3-5°夹角。
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