CN106483663B - 一种汽车抬头显示系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及抬头显示技术领域，特别是涉及抬头显示图像的亮度调节系统，具体地是一种能够综合考虑投影系统、夹层玻璃和行驶环境等因素影响的汽车抬头显示系统。该汽车抬头显示系统包括抬头显示夹层玻璃、投影系统和控制系统，投影系统包括投影单元和测量单元，投影单元能够产生偏振光，测量单元能够测量抬头显示图像的背景亮度并将测量数据传输至控制系统，控制系统接收所述测量数据、将所述测量数据处理为亮度控制信号并将所述亮度控制信号传输至所述投影单元。本发明能够结合抬头显示夹层玻璃和投影系统的各方面因素，对投影单元的投影图像在垂轴平面的面积放大率或投影单元的光源亮度进行实时调节，从而使抬头显示图像清晰可辨。

Description

一种汽车抬头显示系统
技术领域：
本发明涉及抬头显示技术领域，特别是涉及抬头显示图像的亮度调节系统，具体地是一种能够综合考虑投影系统、夹层玻璃和行驶环境等因素影响的汽车抬头显示系统。
背景技术：
随着科学技术的发展，抬头显示(HUD，Head Up Display)系统被越来越多地在汽车上使用。汽车上的抬头显示系统能够将重要的行车信息，例如速度、发动机转数、油耗、胎压、导航以及外接智能设备的信息实时地显示在前挡风玻璃上驾驶员的视野中，这样使得驾驶员不必低头，就可以看到行车信息，从而避免分散对前方道路的注意力；同时使得驾驶员不必在观察远方的道路和近处的仪表之间调节眼睛，可以避免眼睛的疲劳，能够极大地增强行车安全和改进驾驶体验。
汽车抬头显示系统的成像质量以及图像的人眼可辨识度不仅受投影系统的影响，还受其夹层玻璃和行驶环境等因素的影响，而这些因素之间是具有耦合关系的，例如成像畸变、亮度不均匀等缺陷同时受夹层玻璃和投影系统影响，而成像清晰度或人眼可辨识度则同时受成像畸变、图像亮度均匀性和背景亮度等影响。
现有技术中，要么仅从抬头显示系统中的夹层玻璃的角度来消除重影现象，例如美国专利US2002172804(Al)和US2007148472(Al)均是采用楔形聚合物膜片作为夹层玻璃中间层的技术方案；要么仅从投影系统的角度来实现在高亮度环境下使用，并避免出现重影的技术问题，例如中国专利CN103487942A公开了一种HUD亮度改善装置，其采用在目镜系统中引入光学薄膜的技术方案，所述光学薄膜可以让设定波长的光反射，而除设定波长以外的光直接透过或者部分透过；还有一种仅从行驶环境的环境/背景亮度的角度对抬头显示(HUD)的亮度进行调节，例如中国专利CN105654921A公开了一种基于光感测来调节平视显示器(HUD)，其包括前视光传感器接收器，该前视光传感器接收器以对数方式从前视光传感器接收第一光信息；以及调节器，该调节器基于第一光信息来调节HUD的亮度。上述技术方案均未综合考虑抬头显示系统各部件(如投影单元、夹层玻璃)以及行驶环境对成像质量的耦合影响，导致在实际应用时抬头显示系统产生的显示图像难以被人眼清晰、舒适地辨别或接受。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中抬头显示系统在改善成像质量时均只考虑单一因素且在实际应用时显示图像难以被人眼清晰、舒适地辨别或接受等缺点，提供一种汽车抬头显示系统。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种汽车抬头显示系统，包括抬头显示夹层玻璃、投影系统和控制系统，所述抬头显示夹层玻璃包括外玻璃板、内玻璃板以及夹在外玻璃板和内玻璃板之间的中间膜片，在外玻璃板最靠近中间膜片的表面、内玻璃板最靠近中间膜片的表面或内玻璃板最远离中间膜片的表面上沉积能够反射偏振光的透明纳米膜，所述透明纳米膜对偏振光的反射率大于5％，其特征在于：所述投影系统包括投影单元和测量单元，所述投影单元能够产生偏振光，所述测量单元能够测量抬头显示图像的背景亮度并将测量数据传输至控制系统，所述控制系统接收所述测量数据、将所述测量数据处理为亮度控制信号并将所述亮度控制信号传输至所述投影单元；
当内玻璃板最远离中间膜片的表面上沉积透明纳米膜时，所述抬头显示夹层玻璃和投影系统满足以下条件：
当外玻璃板最靠近中间膜片的表面或内玻璃板最靠近中间膜片的表面上沉积透明纳米膜时，所述抬头显示夹层玻璃和投影系统满足以下条件：
其中，θ为抬头显示夹层玻璃的成像区域的光线反射角，L0为投影单元的光源亮度，Za为投影单元的投影图像在垂轴平面的面积放大率，Lb为显示背景的背景亮度，r为常数且r≥0.2，更优选0.4≤r≤4。
优选地，当内玻璃板最远离中间膜片的表面上沉积透明纳米膜时，所述透明纳米膜包括至少一个从内玻璃板表面向外依次沉积的高折射率层/低折射率层的叠层结构。
优选地，当外玻璃板最靠近中间膜片的表面或内玻璃板最靠近中间膜片的表面上沉积透明纳米膜时，所述透明纳米膜包括至少一个金属层和至少两个介质层，每个金属层位于两个介质层之间。
优选地，θ为抬头显示夹层玻璃的成像区域的光线反射角的均值。
优选地，θ为抬头显示夹层玻璃的成像区域的光线反射角的最小值。
优选地，所述投影单元为可控制局部亮度的投影单元。
优选地，所述测量单元包括至少一个亮度传感器，所述测量单元的测量位置与抬头显示图像的显示背景重叠。
进一步地，在使用多个亮度传感器时，所述测量单元能够测量抬头显示图像的显示背景中不同位置的亮度。
优选地，所述控制系统包括无线通讯元器件，无线通讯元器件与远程设备通信，对抬头显现系统进行远程控制或远程定制。
本发明由于采取了上述技术方案，其具有如下有益效果：
本发明所述的汽车抬头显示系统，通过设置测量单元实时或定期测量显示背景的背景亮度，从而结合抬头显示夹层玻璃和投影系统的各方面因素，对投影单元的投影图像在垂轴平面的面积放大率或投影单元的光源亮度进行实时调节，从而使抬头显示图像清晰可辨。
附图说明：
图1为本发明所述的汽车抬头显示系统的结构示意图；
图2为透明纳米膜位于第四表面的抬头显示夹层玻璃的结构示意图；
图3为透明纳米膜位于第二表面或第三表面的抬头显示夹层玻璃的结构示意图；
图4A、4B、4C、4D分别为实施例1中状态1、状态2、状态3、状态4的人眼观察结果；
图5A、5B、5C、5D分别为实施例2中状态1、状态2、状态3、状态4的人眼观察结果。
具体实施方式：
以下结合附图对本发明的内容作进一步说明。
如图1所示，本发明所述的一种汽车抬头显示系统包括抬头显示夹层玻璃1、投影系统2和控制系统3，所述投影系统2能够产生偏振光，偏振光可以为P偏振光或S偏振光，所述抬头显示夹层玻璃1上设置有能够反射偏振光的透明纳米膜；所述投影系统2产生的偏振光101入射到透明纳米膜上，透明纳米膜对所述偏振光101反射产生的反射光形成人眼100可视的抬头显示图像；所述控制系统3控制抬头显示图像的显示和亮度的调节。为了消除抬头显示系统各部件(如投影单元、夹层玻璃)以及行驶环境对成像质量的耦合影响，使抬头显示图像清晰可辨，本发明所述的投影系统2包括投影单元21和测量单元22，所述投影单元21能够产生偏振光，所述测量单元22能够测量抬头显示图像的背景亮度并将测量数据传输至控制系统3，所述控制系统3接收所述测量数据、将所述测量数据处理为亮度控制信号并将所述亮度控制信号传输至所述投影单元21。
如图2和图3所示，本发明所述的抬头显示夹层玻璃1包括包括外玻璃板11、内玻璃板12以及夹在外玻璃板11和内玻璃板12之间的中间膜片13；在本发明中，将外玻璃板11最远离中间膜片13的表面即外玻璃板-空气界面定义为第一表面，将外玻璃板11最靠近中间膜片13的表面即外玻璃板-中间膜片界面定义为第二表面，将内玻璃板12最靠近中间膜片13的表面即内玻璃板-中间膜片界面定义为第三表面，将内玻璃板12最远离中间膜片13的表面即内玻璃板-空气界面定义为第四表面；在图2中，在第四表面即内玻璃板12最远离中间膜片13的表面上沉积透明纳米膜14，所述透明纳米膜14对偏振光的反射率大于5％，并且优选所述透明纳米膜包括至少一个从内玻璃板表面向外依次沉积的高折射率层/低折射率层的叠层结构；在图3中，在第二表面即外玻璃板11最靠近中间膜片13的表面或第三表面即内玻璃板12最靠近中间膜片13的表面上沉积透明纳米膜，所述透明纳米膜对偏振光的反射率大于5％，并且优选所述透明纳米膜包括至少一个金属层和至少两个介质层，每个金属层位于两个介质层之间，具体如图3A所示，在第二表面上沉积透明纳米膜14A，具体如图3B所示，在第三表面沉积透明纳米膜14B。
在一定行驶环境中，抬头显示图像本身102的图像亮度与抬头显示图像显示背景103的背景亮度要有一定的差异，才能保证抬头显示图像的清晰可辨。本发明综合考虑投影单元的成像放大、抬头显示夹层玻璃上成像区域的反射亮度损失、投影单元的光源亮度以及图像显示的背景亮度等因素，当第四表面上沉积透明纳米膜14时，确定本发明所述的抬头显示夹层玻璃1和投影系统2满足以下条件：
当第二表面或第三表面上沉积透明纳米膜时，确定本发明所述的抬头显示夹层玻璃1和投影系统2满足以下条件：
上述公式(1)和(2)中，θ为抬头显示夹层玻璃1的成像区域的光线反射角，L0为投影单元21的光源亮度，Za为投影单元21的投影图像在垂轴平面的面积放大率，Lb为显示背景103的背景亮度，r为常数。
其中，常数r表示抬头显示图像102的图像亮度与抬头显示图像显示背景103的背景亮度之间的差异，r越小表示两者的亮度越接近，抬头显示图像102越难以从显示背景103中被人眼辨别出来；r越大表示人眼对显示背景103中的抬头显示图像102辨别度越高，优选r≥0.2；但r过大则会因过度吸引人眼注意力而产生安全隐患，更优选0.4≤r≤4。
其中，抬头显示夹层玻璃上成像区域的反射亮度损失受透明纳米膜对偏振光的反射率的影响，透明纳米膜对偏振光的反射率会随着光线反射角θ的变化而变化，当所述透明纳米膜位于第四表面上时，透明纳米膜对偏振光的反射率满足6.311-160.97e-0.07584θ+164.477e-0.07324θ+0.0349e0.08772θ；当所述透明纳米膜位于第二表面或第三表面上时，透明纳米膜对偏振光的反射率满足-46.58+49.91e-0.001784θ+9.978e0.0436117θ-7.184e0.0462604θ；通常，抬头显示夹层玻璃1的成像区域的光线反射角θ受投影单元21、抬头显示夹层玻璃1和人眼100三者的相对位置的影响，在投影单元21和抬头显示夹层玻璃1固定安装基本处于相对位置固定不变的状态，对于不同身高的人或人头移动的情况下，人眼的相对位置会发生变化，从而导致光线反射角θ发生变化，为保证整个区域的成像清晰可见，优选抬头显示夹层玻璃1的成像区域的光线反射角θ为成像区域的光线反射角的均值，更优选为成像区域的光线反射角的最小值。
为了使某个显示背景103中的图像更加吸引人眼100的注意力，达到更好的警示和提醒效果，优选所述投影单元21为可控制局部亮度的投影单元，可以使显示背景103中某一局部区域的r值增大，这样能够在显示背景103的不同区域显示不同亮度的抬头显示图像102。
其中，显示背景103的背景亮度Lb通过测量单元22测得，所述测量单元22包括至少一个亮度传感器，所述测量单元22的测量位置优选与抬头显示图像的显示背景103重叠。在使用多个亮度传感器时，所述测量单元22能够测量抬头显示图像的显示背景103中不同位置的亮度，并将测量数据传输至控制系统3中，所述控制系统3包括但不限于蓝牙、3G/4G等无线通讯元器件，无线通讯元器件与手机等远程设备通信，对抬头显现系统进行远程控制或远程定制。根据实际空间约束与要求，所述测量单元22可与投影单元21集成至同一部件内，也可以与投影单元21分离布置，并通过连接线路连通。
本发明所述的汽车抬头显示系统的工作原理及过程具体描述如下：
系统设计期：预设可用的投影图像在垂轴平面的面积放大率Za、可用的显示背景103的背景亮度Lb以及抬头显示图像本身102的图像亮度与抬头显示图像显示背景103的背景亮度之间的差异r的最大值，设定抬头显示玻璃1、人眼100和投影单元21的相对位置，分析获取抬头显示夹层玻璃1的成像区域的光线反射角的最小值/均值或者成像区域的子区域的光线反射角的最小值/均值，根据公式(1)或(2)获取投影单元21所需输出的光源亮度L0；
系统运行期：测量单元22实时或定期测量显示背景103的背景亮度Lb，并将测量数据传输至控制系统3中，控制系统3根据公式(1)或(2)确定实际需要输出的投影单元21的光源亮度L0，从而根据实际行驶环境进行实时调整显示图像102的图像亮度，满足任何行驶环境中的抬头显示图像102均能够被人眼100清晰辨别。
本发明可以对投影单元21的面积放大率Za和光源亮度L0的进行合理组合，使其满足公式(1)或(2)，例如在设定面积放大率Za而调节光源亮度L0，或设定光源亮度L0而调节面积放大率Za，或者选择同时调节面积放大率Za和光源亮度L0，从而实现汽车抬头显示系统实时输出人眼可清晰辨别的图像。
在本发明中，所述控制系统3具备远程通讯能力的情况下，其还可以包括但不限于ARM、DSP或单片机等具备一定逻辑运算及分析能力的功能硬件，远程设备上配置可人机交互的友好界面(如手机App等)，用户通过人机界面对控制系统3的参数进行定制或定制抬头显示系统的运行，如对于弱视力者可适当提高r值保证驾驶员可清晰分辨抬头显示图像，对于多区域成像显示的汽车抬头显示系统来说，同样可以提高某些特别区域的r值以达到增加该区域对人眼100的吸引力的目的。上述功能同样可以在远程设备上进行实现，此时控制系统3内的逻辑运算及分析功能硬件将会大大简化。无论是控制系统3还是远程设备，均可通过配置具有智能化的软件，实现汽车抬头显示系统的智能化运作，例如发动机启动后的系统自动启动、带指纹身份识别的系统配对运行等。
为了更详细地说明和更具说服力地支撑本发明的技术方案，现列举一些实施例进行详细阐述。
实施例1
以300mm×300mm的抬头显示夹层玻璃为样件，透明纳米膜沉积在第四表面上，投影单元产生P偏振光，其中：
抬头显示夹层玻璃：外玻璃板为2.1mm厚Solar绿玻，中间膜片为0.76mm厚PVB，内玻璃板为2.1mm厚Solar绿玻；
透明纳米膜：Si3N4 51nm/TiO2 41nm/SiO2 117nm；
显示背景为不同亮度的白色或灰色背景，设置如表1中不同状态下的θ、L0、Za和Lb，进行成像并人眼观察。
表1：不同状态的参数数值
图4A、4B、4C、4D分别示出了实施例1中状态1、状态2、状态3、状态4的人眼观察结果；满足公式(1)的状态3和状态4的抬头显示系统能够产生人眼清晰可辨的图像。
实施例2
以300mm×300mm的抬头显示夹层玻璃为样件，透明纳米膜沉积在第三表面上，投影单元产生P偏振光，其中：
抬头显示夹层玻璃：外玻璃板为2.1mm厚Solar绿玻，中间膜片为0.76mm厚PVB，内玻璃板为2.1mm厚Solar绿玻；
透明纳米膜：Si3N4 30nm/TiO2 5nm/ZnO 8nm/Ag 11.9nm/NiCrOx 3nm/ZnSnMgOx38nm/Si3N4 5nm；
显示背景为不同亮度的白色或灰色背景，设置如表2中不同状态下的θ、L0、Za和Lb，进行成像并人眼观察。
表2：不同状态的参数数值
图5A、5B、5C、5D分别示出了实施例2中状态1、状态2、状态3、状态4的人眼观察结果；满足公式(2)的状态3和状态4的抬头显示系统能够产生人眼清晰可辨的图像。
由实施例1～2可见，本发明所述的汽车抬头显示系统的各参数综合满足公式(1)或(2)的条件下，抬头显示图像清晰可辨，在系统设计、控制和智能化应用等各环节为图像人眼清晰可分辨提供有效保障。
本发明以上所列举的实施例均在描述汽车抬头显示系统的结构组成，而如具体的膜层沉积工艺、参数以及夹层玻璃制品的具体制作工艺和参数均未描述，可以理解的是这些未描述的部分皆为本领域普通技术人员所熟知，故未描述的部分不影响本发明所要保护的范围。
以上内容对本发明所述的汽车抬头显示系统进行了具体描述，并且列举了多个实施例进行说明，但是本发明不受以上描述的具体实施方式内容和相应实施例的局限，所以凡依据本发明的技术要点进行的任何改进、等同修改和替换等，均属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种汽车抬头显示系统，包括抬头显示夹层玻璃、投影系统和控制系统，所述抬头显示夹层玻璃包括外玻璃板、内玻璃板以及夹在外玻璃板和内玻璃板之间的中间膜片，在外玻璃板最靠近中间膜片的表面、内玻璃板最靠近中间膜片的表面或内玻璃板最远离中间膜片的表面上沉积能够反射偏振光的透明纳米膜，所述透明纳米膜对偏振光的反射率大于5％，其特征在于：所述投影系统包括投影单元和测量单元，所述投影单元能够产生偏振光，所述测量单元能够测量抬头显示图像的背景亮度并将测量数据传输至控制系统，所述控制系统接收所述测量数据、将所述测量数据处理为亮度控制信号并将所述亮度控制信号传输至所述投影单元；
当内玻璃板最远离中间膜片的表面上沉积透明纳米膜时，所述抬头显示夹层玻璃和投影系统满足以下条件：
当外玻璃板最靠近中间膜片的表面或内玻璃板最靠近中间膜片的表面上沉积透明纳米膜时，所述抬头显示夹层玻璃和投影系统满足以下条件：
其中，θ为抬头显示夹层玻璃的成像区域的光线反射角，L0为投影单元的光源亮度，Za为投影单元的投影图像在垂轴平面的面积放大率，Lb为显示背景的背景亮度，r为常数且r≥0.2，常数r表示抬头显示图像的图像亮度与抬头显示图像显示背景的背景亮度之间的差异。
2.根据权利要求1所述的汽车抬头显示系统，其特征在于：当外玻璃板最靠近中间膜片的表面或内玻璃板最靠近中间膜片的表面上沉积透明纳米膜时，所述透明纳米膜包括至少一个金属层和至少两个介质层，每个金属层位于两个介质层之间。
3.根据权利要求1所述的汽车抬头显示系统，其特征在于：0.4≤r≤4。
4.根据权利要求1所述的汽车抬头显示系统，其特征在于：θ为抬头显示夹层玻璃的成像区域的光线反射角的均值。
5.根据权利要求1所述的汽车抬头显示系统，其特征在于：θ为抬头显示夹层玻璃的成像区域的光线反射角的最小值。
6.根据权利要求1所述的汽车抬头显示系统，其特征在于：所述投影单元为可控制局部亮度的投影单元。
7.根据权利要求1所述的汽车抬头显示系统，其特征在于：所述测量单元包括至少一个亮度传感器，所述测量单元的测量位置与抬头显示图像的显示背景重叠。
8.根据权利要求7所述的汽车抬头显示系统，其特征在于：在使用多个亮度传感器时，所述测量单元能够测量抬头显示图像的显示背景中不同位置的亮度。
9.根据权利要求1所述的汽车抬头显示系统，其特征在于：所述控制系统包括无线通讯元器件，无线通讯元器件与远程设备通信，对抬头显示系统进行远程控制或远程定制。
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