CN108388014A - 一种亮度自适应调节ar hud照明光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种亮度自适应调节AR HUD照明光学系统，包括散热模块、LED芯片模块、聚光模块、匀光模块、显示屏模块、环境光亮度检测模块、亮度及显示控制模块，亮度及显示控制模块包括环境光信号处理单元、LED芯片电路控制单元及TFT液晶显示屏显示控制单元，LED芯片电路控制单元与LED芯片模块接插件相连，显示屏模块与TFT液晶显示屏显示控制单元相连，散热模块包括导热硅胶和散热片，LED芯片模块固定在粘贴有导热硅胶处的散热片上，聚光模块、匀光模块及显示屏模块均与LED芯片模块中心对齐，并自下而上依次固定；本发明实现了AR HUD亮度自适应的调节功能，有效降低了AR HUD的功耗和散热负担。
Description
[技术领域]
本发明涉及HUD成像系统技术领域，具体地说是一种亮度自适应调节AR HUD照明光学系统。
[背景技术]
车载抬头显示器(HUD)可以使驾驶员避免因注意力中断或丧失对状态意识的掌握，增加了行车安全性。近年来，随着AR(Augmented Reality)技术的发展，AR-HUD也越来越受到人们的关注。AR-HUD会在驾驶员正前方更远距离处呈现出更大尺寸的增强现实虚像，这样对其照明光学系统的要求也大大提高。
传统的HUD通常是采用阵列光源加阵列聚光系统作为显示屏的背光系统，但人眼通过HUD成像系统进行观察时，由于同时能看到光源的像斑而造成最终的虚像亮度不均匀。目前的一些HUD生产商会采用在聚光系统前添加一定大小的毛玻璃，使毛玻璃经过聚光系统及HUD成像系统的虚斑均匀，且远大于HUD显示的虚像尺寸。或者是在显示屏之前直接增加扩散膜进行匀光处理。无论是以上哪种方法，其光能损失都比较严重。为了满足较高的亮度要求，就需要增加光源的功率，从而增加了HUD的功耗和散热负担，也增大了HUD的体积。
除此以外，传统HUD的亮度调节范围较窄，在极暗或极亮的环境光下，将光源亮度调节到最低或者最亮，人眼依然需要缩小或者增大瞳孔来调节眼睛的舒适度，极大降低了客户的视觉体验。
[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亮度自适应调节AR HUD照明光学系统，其结构简单，操作方便，实用性强，实现了AR HUD亮度自适应的调节功能，有效降低了AR HUD的功耗和散热负担。
为实现上述目的设计一种亮度自适应调节AR HUD照明光学系统，包括散热模块1、LED芯片模块2、聚光模块3、匀光模块4、显示屏模块5、环境光亮度检测模块6、亮度及显示控制模块7，所述亮度及显示控制模块7包括环境光信号处理单元、LED芯片电路控制单元及TFT液晶显示屏显示控制单元，所述环境光亮度检测模块6的输出端连接环境光信号处理单元的输入端，所述环境光亮度检测模块6用于获取光亮度数据，并传递给环境光信号处理单元，所述环境光信号处理单元接收从环境光亮度检测模块6传递来的光亮度数据，并计算分析出所需要的光源功率，所述环境光信号处理单元的输出端与LED芯片电路控制单元的输入端相连，所述LED芯片电路控制单元的输出端与LED芯片模块2接插件相连，所述LED芯片电路控制单元用于控制LED芯片模块2中的LED芯片发光，并对LED芯片的功率值进行调节，所述显示屏模块5与TFT液晶显示屏显示控制单元相连，所述散热模块1包括导热硅胶1-2和散热片1-1，所述导热硅胶1-2粘贴在散热片1-1上，所述散热片1-1与HUD外壳装配，所述LED芯片模块2固定在粘贴有导热硅胶1-2处的散热片1-1上，所述聚光模块3、匀光模块4及显示屏模块5均与LED芯片模块2中心对齐，并自下而上依次固定于LED芯片模块2上，所述聚光模块3用于对LED芯片模块2出射的光线进行聚光处理和初步角度控制，所述匀光模块4用于消除LED芯片模块2经过聚光模块3后的亮斑现象，以及对从聚光模块3出射的光线作进一步的角度控制。
进一步地，所述LED芯片模块2包括LED芯片组2-1和LED PCB板2-2，所述LED芯片组2-1安装在LED PCB板2-2上，所述LED芯片组2-1设有至少两组，每组LED芯片组2-1包括至少两个LED芯片，所述LED芯片在LED PCB板2-2上排列形状包括但不限于直线、三角形、圆形、椭圆形、多边形。
进一步地，所述LED芯片组2-1相互之间为串联连接，同一LED芯片组2-1的LED芯片之间为并联连接，所述LED PCB板2-2为铜极板或铝极板。
进一步地，所述聚光模块3包括阵列透镜3-1和阵列透镜固定件3-2，所述阵列透镜3-1设有至少两个，所述阵列透镜3-1安装在阵列透镜固定件3-2上，所述阵列透镜3-1的透镜单元中心与LED芯片组2-1中心对齐，所述阵列透镜3-1的透镜单元对LED芯片组2-1进行聚光处理和初步角度控制。
进一步地，所述透镜单元的面型包括但不限于球面、二次曲面、双二次曲面和自由曲面，所述LED芯片在LED PCB板2-2上排列形状的面积小于透镜单元面积的十分之一。
进一步地，所述匀光模块4包括扩散膜4-1和扩散膜固定件4-2，所述扩散膜4-1安装在扩散膜固定件4-2上，所述扩散膜4-1用于消除LED芯片组2-1经过聚光模块3后的亮斑现象，以及用于对从聚光模块3出射的光线作进一步的角度控制。
进一步地，所述扩散膜4-1为非各向同性的微结构扩散膜，所述微结构扩散膜的微单元尺寸小于1um，所述微结构扩散膜的厚度为0.1-2mm，所述扩散膜4-1材料为PC或PET。
进一步地，所述显示屏模块5包括TFT液晶显示屏5-1及其固定件保护罩5-2，所述TFT液晶显示屏5-1安装在固定件保护罩5-2上，所述TFT液晶显示屏5-1的排线与TFT液晶显示屏显示控制单元相连，所述TFT液晶显示屏5-1为矩形形状。
进一步地，所述环境光亮度检测模块6包括多个光电传感器，所述光电传感器分别安装在车内不同部位，所述光电传感器用于接收不同方向漫射进人眼的环境光，所述环境光亮度检测模块6通过对多个光电传感器的电信号进行检测，以获取当时环境下的光亮度数据。
进一步地，所述环境光信号处理单元根据画面与背景光关系及HUD的能量利用率计算分析出所需要的光源功率，所述LED芯片电路控制单元包括自动调节模块与手动调节模块，所述自动调节模块根据当前环境光亮度数据信息，控制每组LED芯片组2-1中LED芯片发光，并自动调节到合适的特征功率值，所述手动调节模块由用户在当前特征功率值下，根据个人眼睛舒适度差异对LED芯片的功率值进行按键微调，所述TFT液晶显示屏显示控制单元根据当前环境光亮度数据信息和人眼的视敏函数曲线，调整当前TFT液晶显示屏5-1上显示内容的颜色。
本发明同现有技术相比，通过设置有散热模块、LED芯片模块、聚光模块、匀光模块、显示屏模块、环境光亮度检测模块、亮度及显示控制模块，能够实现AR HUD亮度自适应的调节功能，提供了更宽广的亮度调节范围，有效地降低了AR HUD的功耗和散热负担，并在一定程度上缩小了HUD的体积，最终有效提升了客户视觉体验，其设计合理，结构简单，操作方便，实用性强，值得推广应用。
[附图说明]
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中散热模块及LED芯片模块的结构示意图；
图2-1是图2中A处的局部放大示意图；
图3是本发明中聚光模块的安装示意图；
图4是本发明中匀光模块的安装示意图；
图5是本发明中显示屏模块的安装示意图；
图中：1、散热模块 1-1、散热片 1-2、导热硅胶 2、LED芯片模块 2-1、LED芯片组2-2、LED PCB板 3、聚光模块 3-1、阵列透镜 3-2、阵列透镜固定件 4、匀光模块 4-1、扩散膜 4-2、扩散膜固定件 5、显示屏模块 5-1、TFT液晶显示屏 5-2、固定件保护罩 6、环境光亮度检测模块 7、亮度及显示控制模块。
[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，本发明包括散热模块1、LED芯片模块2、聚光模块3、匀光模块4、显示屏模块5、环境光亮度检测模块6、亮度及显示控制模块7，亮度及显示控制模块7包括环境光信号处理单元、LED芯片电路控制单元及TFT液晶显示屏显示控制单元，环境光亮度检测模块6的输出端连接环境光信号处理单元的输入端，环境光亮度检测模块6用于获取光亮度数据，并传递给环境光信号处理单元，环境光信号处理单元接收从环境光亮度检测模块6传递来的光亮度数据，并计算分析出所需要的光源功率，环境光信号处理单元的输出端与LED芯片电路控制单元的输入端相连，LED芯片电路控制单元的输出端与LED芯片模块2接插件相连，LED芯片电路控制单元用于控制LED芯片模块2中的LED芯片发光，并对LED芯片的功率值进行调节，显示屏模块5与TFT液晶显示屏显示控制单元相连，散热模块1包括导热硅胶1-2和散热片1-1，导热硅胶1-2粘贴在散热片1-1上，散热片1-1与HUD外壳装配，LED芯片模块2固定在粘贴有导热硅胶1-2处的散热片1-1上，聚光模块3、匀光模块4及显示屏模块5均与LED芯片模块2中心对齐，并自下而上依次固定于LED芯片模块2上，聚光模块3用于对LED芯片模块2出射的光线进行聚光处理和初步角度控制，匀光模块4用于消除LED芯片模块2经过聚光模块3后的亮斑现象，以及对从聚光模块3出射的光线作进一步的角度控制。
其中，LED芯片模块2包括LED芯片组2-1和LED PCB板2-2，LED芯片组2-1安装在LEDPCB板2-2上，LED芯片组2-1设有至少两组，每组LED芯片组2-1包括至少两个LED芯片，每组LED芯片在LED PCB板2-2上排列形状包括但不限于直线、三角形、圆形、椭圆形、多边形等，LED芯片组2-1相互之间为串联连接关系，每组LED芯片组2-1的LED芯片之间为并联连接关系，LED PCB板2-2为铜极板或铝极板。
聚光模块3包括阵列透镜3-1和阵列透镜固定件3-2，阵列透镜3-1设有至少两个，阵列透镜3-1安装在阵列透镜固定件3-2上，阵列透镜3-1的透镜单元中心与单个LED芯片组2-1中心对齐，阵列透镜3-1的透镜单元对LED芯片组2-1进行聚光处理和初步角度控制；透镜单元的面型包括但不限于球面、二次曲面、双二次曲面和自由曲面，每组LED芯片在LEDPCB板2-2上折排列形状的面积小于透镜单元面积的十分之一。
匀光模块4包括扩散膜4-1和扩散膜固定件4-2，扩散膜4-1安装在扩散膜固定件4-2上，扩散膜4-1为非各向同性的微结构扩散膜，微结构扩散膜的微单元尺寸小于1um，微结构扩散膜的厚度为0.1-2mm，扩散膜4-1材料为PC或PET，微结构扩散膜不仅用于消除LED芯片组经过聚光模块后的亮斑现象，还可以对从聚光模块出射的光线作进一步的角度控制，其非各向同性的特性能保证最终的出射角度为AR HUD成像系统所需求的两个方向不同的角度范围。
显示屏模块5包括TFT液晶显示屏5-1及其固定件保护罩5-2，TFT液晶显示屏5-1安装在固定件保护罩5-2上，TFT液晶显示屏5-1的排线与TFT液晶显示屏显示控制单元相连，TFT液晶显示屏5-1为矩形形状。
环境光亮度检测模块6包括多个光电传感器，光电传感器分别安装在车内不同部位，光电传感器用于接收不同方向漫射进人眼的环境光，环境光亮度检测模块6通过对多个光电传感器的电信号进行检测，以获取当时环境下的光亮度数据。
环境光信号处理单元接收从环境光亮度检测模块传递来的信号，并根据画面与背景光关系及HUD的能量利用率计算分析出所需要的光源功率，LED芯片电路控制单元包括自动调节模块与手动调节模块。自动调节调节模块根据当前环境光亮度数据信息，控制每组LED芯片中m(m<＝N2)个芯片发光，并自动调节到合适的特征功率值。其中每组LED芯片中m个发光的芯片的中心依然要保证与透镜单元中心对齐。手动调节模块需要用户在当前特征功率值下，根据个人眼睛舒适度差异对m个LED发光芯片的功率值进行按键微调。TFT液晶显示屏显示控制单元根据当前环境光亮度数据信息和人眼的视敏函数曲线，自动调整当前TFT液晶显示屏上显示内容的颜色。如在弱光环境下显示内容为暖色，强光环境下显示内容为冷色等。
本发明的工作原理为：固定在汽车不同部位的环境光亮度检测模块获取当前环境下的光亮度数据，并传递给亮度及显示控制模块，亮度及显示控制模块计算分析出所需的光源功率，自动调节每组LED芯片中m个芯片发光，并将此m个芯片自动调节为合适的特征功率值。此时用户可根据个人眼睛舒适度差异对m个LED发光芯片的功率值进行按键微调。TFT液晶显示屏显示控制单元根据当前环境光亮度数据信息和人眼的视敏函数曲线，调整当前TFT液晶显示屏上显示内容的颜色。
如附图所示，LED芯片组可包括2个芯片组，每组有3个LED芯片，3个LED芯片按直线排列，每组芯片中心与阵列透镜单元中心对齐。阵列透镜的透镜单元前表面可设置为平面，后表面可设置为自由曲面。扩散膜为非各向同性的扩散膜，若准直光入射，扩散膜的扩散角度为24°*13°。TFT液晶显示屏采用的是JDI的3.1inch矩形液晶显示屏，其分辨率为800*480。
本发明能够实现AR HUD亮度自适应的调节功能，提供更宽广的亮度调节范围，有效地降低AR HUD的功耗和散热负担，并在一定程度上缩小HUD的体积，有效提升客户视觉体验，设计合理，结构简单，操作方便，实用性强。
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 (10)
1.一种亮度自适应调节AR HUD照明光学系统，其特征在于：包括散热模块(1)、LED芯片模块(2)、聚光模块(3)、匀光模块(4)、显示屏模块(5)、环境光亮度检测模块(6)、亮度及显示控制模块(7)，所述亮度及显示控制模块(7)包括环境光信号处理单元、LED芯片电路控制单元及TFT液晶显示屏显示控制单元，所述环境光亮度检测模块(6)的输出端连接环境光信号处理单元的输入端，所述环境光亮度检测模块(6)用于获取光亮度数据，并传递给环境光信号处理单元，所述环境光信号处理单元接收从环境光亮度检测模块(6)传递来的光亮度数据，并计算分析出所需要的光源功率，所述环境光信号处理单元的输出端与LED芯片电路控制单元的输入端相连，所述LED芯片电路控制单元的输出端与LED芯片模块(2)接插件相连，所述LED芯片电路控制单元用于控制LED芯片模块(2)中的LED芯片发光，并对LED芯片的功率值进行调节，所述显示屏模块(5)与TFT液晶显示屏显示控制单元相连，所述散热模块(1)包括导热硅胶(1-2)和散热片(1-1)，所述导热硅胶(1-2)粘贴在散热片(1-1)上，所述散热片(1-1)与HUD外壳装配，所述LED芯片模块(2)固定在粘贴有导热硅胶(1-2)处的散热片(1-1)上，所述聚光模块(3)、匀光模块(4)及显示屏模块(5)均与LED芯片模块(2)中心对齐，并自下而上依次固定于LED芯片模块(2)上，所述聚光模块(3)用于对LED芯片模块(2)出射的光线进行聚光处理和初步角度控制，所述匀光模块(4)用于消除LED芯片模块(2)经过聚光模块(3)后的亮斑现象，以及对从聚光模块(3)出射的光线作进一步的角度控制。
2.如权利要求1所述的亮度自适应调节AR HUD照明光学系统，其特征在于：所述LED芯片模块(2)包括LED芯片组(2-1)和LED PCB板(2-2)，所述LED芯片组(2-1)安装在LED PCB板(2-2)上，所述LED芯片组(2-1)设有至少两组，每组LED芯片组(2-1)包括至少两个LED芯片，所述LED芯片在LED PCB板(2-2)上排列形状包括但不限于直线、三角形、圆形、椭圆形、多边形。
3.如权利要求2所述的亮度自适应调节AR HUD照明光学系统，其特征在于：所述LED芯片组(2-1)相互之间为串联连接，同一LED芯片组(2-1)的LED芯片之间为并联连接，所述LEDPCB板(2-2)为铜极板或铝极板。
4.如权利要求2或3所述的亮度自适应调节AR HUD照明光学系统，其特征在于：所述聚光模块(3)包括阵列透镜(3-1)和阵列透镜固定件(3-2)，所述阵列透镜(3-1)设有至少两个，所述阵列透镜(3-1)安装在阵列透镜固定件(3-2)上，所述阵列透镜(3-1)的透镜单元中心与LED芯片组(2-1)中心对齐，所述阵列透镜(3-1)的透镜单元对LED芯片组(2-1)进行聚光处理和初步角度控制。
5.如权利要求4所述的亮度自适应调节AR HUD照明光学系统，其特征在于：所述透镜单元的面型包括但不限于球面、二次曲面、双二次曲面和自由曲面，所述LED芯片在LED PCB板(2-2)上排列形状的面积小于透镜单元面积的十分之一。
6.如权利要求5所述的亮度自适应调节AR HUD照明光学系统，其特征在于：所述匀光模块(4)包括扩散膜(4-1)和扩散膜固定件(4-2)，所述扩散膜(4-1)安装在扩散膜固定件(4-2)上，所述扩散膜(4-1)用于消除LED芯片组(2-1)经过聚光模块(3)后的亮斑现象，以及用于对从聚光模块(3)出射的光线作进一步的角度控制。
7.如权利要求6所述的亮度自适应调节AR HUD照明光学系统，其特征在于：所述扩散膜(4-1)为非各向同性的微结构扩散膜，所述微结构扩散膜的微单元尺寸小于1um，所述微结构扩散膜的厚度为0.1-2mm，所述扩散膜(4-1)材料为PC或PET。
8.如权利要求7所述的亮度自适应调节AR HUD照明光学系统，其特征在于：所述显示屏模块(5)包括TFT液晶显示屏(5-1)及其固定件保护罩(5-2)，所述TFT液晶显示屏(5-1)安装在固定件保护罩(5-2)上，所述TFT液晶显示屏(5-1)的排线与TFT液晶显示屏显示控制单元相连，所述TFT液晶显示屏(5-1)为矩形形状。
9.如权利要求8所述的亮度自适应调节AR HUD照明光学系统，其特征在于：所述环境光亮度检测模块(6)包括多个光电传感器，所述光电传感器分别安装在车内不同部位，所述光电传感器用于接收不同方向漫射进人眼的环境光，所述环境光亮度检测模块(6)通过对多个光电传感器的电信号进行检测，以获取当时环境下的光亮度数据。
10.如权利要求9所述的亮度自适应调节AR HUD照明光学系统，其特征在于：所述环境光信号处理单元根据画面与背景光关系及HUD的能量利用率计算分析出所需要的光源功率，所述LED芯片电路控制单元包括自动调节模块与手动调节模块，所述自动调节模块根据当前环境光亮度数据信息，控制每组LED芯片组(2-1)中LED芯片发光，并自动调节到合适的特征功率值，所述手动调节模块由用户在当前特征功率值下，根据个人眼睛舒适度差异对LED芯片的功率值进行按键微调，所述TFT液晶显示屏显示控制单元根据当前环境光亮度数据信息和人眼的视敏函数曲线，调整当前TFT液晶显示屏(5-1)上显示内容的颜色。
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