CN108710208A - 一种抬头显示系统及汽车 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种抬头显示系统及汽车，其中，抬头显示系统包括显示单元、偏振光切换单元、2D/3D可切换单元、光学成像单元以及半透半反单元；显示单元用于显示图像并出射图像光线；偏振光切换单元用于切换入射至图像光线的偏振方向；2D/3D可切换单元用于控制具备不同偏振方向的图像光线传播方向发生改变或者保持不变；光学成像单元和半透半反单元用于将图像光线反射至观测者眼瞳视窗范围内。综上，通过偏振光切换单元和2D/3D可切换单元配合工作，可以分别实现3D显示和2D显示，满足抬头显示中不同用户和不同使用场景下的不同显示需求。

Description

一种抬头显示系统及汽车
技术领域
本发明实施例涉及抬头显示技术领域，尤其涉及一种抬头显示系统及汽车。
背景技术
增强现实抬头显示(AR HUD)通过光学系统把图像信息投射在交通工具(如汽车)前方一定距离(如8米)，图像信息(如导航)与现实信息(如道路)叠加在一起，达到增强现实的目的。但AR HUD系统只能显示平面信息，因此叠加的信息与现实信息不能完全融合在一起，使用者的沉浸感不强，影响了信息的接收。
在AR HUD系统中融入基于双目视差的裸眼3D技术，构成3D AR HUD系统，使投射的3D图像信息完全与现实信息整合在一起，有效增强沉浸感。基于双目视差的裸眼3D显示技术，所呈现的3D图像只能提供双目视差线索，存在辐辏调节冲突问题，也就是说为了看清楚图像信息眼睛需要聚焦在显示屏上，但浮出显示屏或陷入显示屏的3D图像又会诱导眼睛会聚在3D图像上，这种冲突会引起视觉疲劳。
加入裸眼3D技术的AR HUD系统，其引起视觉疲劳的程度与虚像投射的位置、3D图像出屏/入屏程度有关，也与不同的个体(人)有关。因此3D AR HUD系统有2D/3D信息可切换的需求，以满足不同的使用者和使用场合。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种抬头显示系统及汽车，以满足现有抬头显示系统中对2D/3D显示信息进行切换的需求。
第一方面，本发明实施例提供了一种抬头显示系统，包括显示单元、偏振光切换单元、2D/3D可切换单元、光学成像单元以及半透半反单元；
其中，所述显示单元用于显示图像并出射图像光线；
所述偏振光切换单元位于所述显示单元的出光侧一侧，用于切换入射至所述偏振光切换单元的所述图像光线的偏振方向，所述偏振方向包括第一偏振方向和第二偏振方向；
所述2D/3D可切换单元位于所述偏振光切换单元远离所述显示单元的一侧，用于控制具备第一偏振方向的所述图像光线传播方向发生改变；控制具备第二偏振方向的所述图像光线传播方向保持不变；
所述光学成像单元和半透半反单元用于将所述图像光线反射至观测者眼瞳视窗范围内。
可选的，所述2D/3D可切换单元包括靠近所述偏振光切换单元一侧的双折射率材料层以及与所述双折射率材料层接触的光学结构层；
其中，所述光学结构层的折射率与所述双折射率材料层的其中一个折射率相同。
可选的，所述光学结构层为柱状透镜阵列层，所述柱状透镜阵列层包括多个矩阵排布的柱状透镜，每个所述柱状透镜具有透镜表面，所述透镜表面与所述双折射率材料层接触。
可选的，所述双折射率材料层包括冰洲石材料层、偏硼酸钡材料层、铌酸锂材料层以及石英晶体材料层中的至少一种。
可选的，所述光学结构层为光学玻璃层。
可选的，所述2D/3D可切换单元的工作温度范围为-40℃-80℃。
可选的，所述光学成像单元至少包括一曲面镜片结构，所述曲面镜片结构用于对入射的所述图像进行放大处理，并反射所述右眼图像光线至所述半透半反单元。
可选的，所述光学成像单元还包括一平面反射镜片结构，所述平面反射镜片结构接收所述曲面镜片结构入射的所述图像光线，并反射所述图像光线至所述半透半反单元。
可选的，所述半透半反单元为挡风玻璃。
第二方面，本发明实施例还提供了一种汽车，包括第一方面提供的抬头显示系统。
本发明实施例提供的抬头显示系统及汽车，抬头显示系统包括显示单元、偏振光切换单元、2D/3D可切换单元、光学成像单元以及半透半反单元，通过偏振光切换单元切换图像光线的偏振方向，2D/3D可切换单元控制具备不同偏振方向的图像光线的传播方向发生改变或者保持不变，保证分别实现3D显示和2D显示，保证本发明实施例提供的抬头显示系统可以分别实现3D显示和2D显示，满足抬头显示中不同用户和不同使用场景下的不同显示需求。
附图说明
为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种抬头显示系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种抬头显示系统的成像原理示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种抬头显示系统的成像原理示意图；
图4是本发明实施例提供的一种2D/3D可切换单元的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。
为了解决现有抬头显示系统中无法对2D显示场景和3D显示场景进行切换的技术问题，本发明实施例提供了一种抬头显示系统，包括显示单元、偏振光切换单元、2D/3D可切换单元、光学成像单元以及半透半反单元；其中，所述显示单元用于显示图像并出射图像光线；所述偏振光切换单元位于所述显示单元的出光侧一侧，用于切换入射至所述偏振光切换单元的所述图像光线的偏振方向，所述偏振方向包括第一偏振方向和第二偏振方向；所述2D/3D可切换单元位于所述偏振光切换单元远离所述显示单元的一侧，用于控制具备第一偏振方向的所述图像光线传播方向发生改变；控制具备第二偏振方向的所述图像光线传播方向保持不变；所述光学成像单元和半透半反单元用于将所述图像光线反射至观测者眼瞳视窗范围内。采用上述技术方案，通过偏振光切换单元切换图像光线的偏振方向，2D/3D可切换单元控制具备不同偏振方向的图像光线发生折射或者传播方向不变，保证分别实现3D显示和2D显示，保证本发明实施例提供的抬头显示系统可以分别实现3D显示和2D显示，满足抬头显示过程中不同用户和不同使用场景对不同维度的显示需求，提升用户使用体验。
以上是本发明的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明实施例提供的一种抬头显示系统的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的抬头显示系统可以包括：显示单元11、偏振光切换单元12、2D/3D可切换单元13、光学成像单元14以及半透半反单元15；
其中，显示单元11用于显示图像并出射图像光线；
偏振光切换单元12位于显示单元11的出光侧一侧，用于切换入射至偏振光切换单12元的图像光线的偏振方向，偏振方向包括第一偏振方向和第二偏振方向；
2D/3D可切换单元13位于偏振光切换单元12远离显示单元11的一侧，用于控制具备第一偏振方向的图像光线传播方向发生改变；控制具备第二偏振方向的图像光线传播方向保持不变；
光学成像单元14和半透半反单元15用于将图像光线反射至观测者眼瞳视窗范围内。
示例性的，显示单元11中包括多个像素单元，每个像素单元显示部分图像，显示单元11中的多个像素单元可以显示完整的左图像，同时，显示单元11向外出射图像光线。
偏振光切换单元12位于显示单元11出光侧的一侧，偏振光切换单元12接收显示单元11出射的图像光线。正常情况下抬头显示系统显示3D图像，此时偏振光切换单元12处于其中一种状态，对应的具备第一偏振方向的图像光线(如o光)可以通过；当需要显示2D图像时，偏振光切换单元12处于另一种状态，对应的具备第二偏振方向的图像光线(如e光)可以通过。偏振光切换单元12可以控制具备不同偏振方向的图像光线通过，实现切换入射至偏振光切换单12元的图像光线的偏振方向。
2D/3D可切换单元13位于偏振光切换单元12远离显示单元11的一侧，用于控制具备第一偏振方向的图像光线传播方向发生改变；控制具备第二偏振方向的图像光线传播方向保持不变。图2本发明实施例提供的一种抬头显示系统的成像原理示意图，如图2所示，正常情况下抬头显示系统显示3D图像，对于具备第一偏振方向的图像光线来说，2D/3D可切换单元13控制具备第一偏振方向的图像光线传播方向发生改变，例如发生折射，因此可实现3D图像显示。图3是本发明实施例提供的另一种抬头显示系统的成像原理示意图，如图3所示，当需要显示2D图像时，对于具备第二偏振方向的图像光线来说，2D/3D可切换单元13控制具备第二偏振方向的图像光线传播方向保持不变，因此可实现2D图像显示。
光学成像单元14位于2D/3D可切换单元13远离偏振光切换单元12的一侧，接收2D/3D可切换单元13出射的图像光线，并将图像光线反射至半透半反单元15。
半透半反单元15接收光学成像单元14出射的图像光线，在正常情况下抬头显示系统显示3D图像时，由于2D/3D可切换单元13控制具备第一偏振方向的图像光线传播方向发生改变，因此图像光线分开传播，此时，半透半反单元15可以将图像光线分别反射至观测者左眼眼瞳视窗范围内和观测者右眼眼瞳范围内，观测者可以观测到3D图像。当需要显示2D图像时，由于2D/3D可切换单元13控制具备第二偏振方向的图像光线传播方向保持不变，因此半透半反单元将图像光线分别反射至观测者左眼眼瞳视窗范围内和观测者右眼眼瞳视窗范围内，此时观测者可以观测到2D图像。
综上，本发明实施例提供的抬头显示系统，通过偏振光切换单元切换图像光线的偏振方向，2D/3D可切换单元控制具备不同偏振方向的图像光线发生折射或者传播方向不变，保证分别实现3D显示和2D显示，保证本发明实施例提供的抬头显示系统可以分别实现3D显示和2D显示，满足抬头显示过程中不同用户和不同使用场景对不同维度的显示需求，提升用户使用体验。
可选的，2D/3D可切换单元13可以包括靠近偏振光切换单元12一侧的双折射率材料层131以及与双折射率材料层131接触的光学结构层132；
其中，光学结构层132的折射率与双折射率材料层131的其中一个折射率相同。
传统技术中一般使用液晶材料实现3D显示，但是抬头显示系统的使用环境一般都在室外，夏天暴晒后内部的温度高达60度，冬天在一些地方温度低达零下30度，超出了一般液晶材料工作温度范围，导致液晶材料无法正常工作，抬头显示系统无法进行正常显示。因此，本发明实施例创造性的提出2D/3D可切换单元13可以包括靠近偏振光切换单元12一侧的双折射率材料层131以及与双折射率材料层131接触的光学结构层132，如图4所示，并且光学结构层132的折射率与双折射率材料层131的其中一个折射率相同。如此，对于具备第一偏振方向的图像光线来说，双折射率材料层131和光学结构层132的折射率是不同的，具备第一偏振方向的图像光线在双折射率材料层131和光学结构层132的交界面处发生折射，图像光线分开传播，可以实现3D图像显示；对于具备第二偏振方向的图像光线来说，双折射率材料层131和光学结构层132的折射率是相同的，具备第二偏振方向的图像光线在双折射率材料层131和光学结构层132的交界面处不折射，图像光线的传播方向不变，实现2D图像显示。
可选的，2D/3D可切换单元13的工作温度范围可以为-40℃-80℃，工作温度范围广，保证在较低温度和较高温度下，2D/3D可切换单元13都可以正常工作，抬头显示系统可以进行正常显示，提升抬头显示系统工作稳定性。
可选的，继续参考图4，光学结构层132可以为柱状透镜阵列层，柱状透镜阵列层包括多个阵列排布的柱状透镜，每个柱状透镜具有透镜表面，透镜表面与双折射率材料层接触，具备第一偏振方向的图像光线在透镜表面发生折射，实现3D图像显示；具备第二偏振方向的图像光线在透镜表面不折射，实现2D图像显示。可选的，设置光学结构层132为包括多个阵列排布的柱状透镜的柱状透镜阵列层，每个柱状透镜的焦距可以不同，保证图像光线透过柱状透镜阵列层产生非相干光波，使得采用包括该柱状透镜阵列层的2D/3D可切换单元13的抬头显示系统在3D显示时，不会产生规则的莫尔条纹，而是产生非规则的莫尔条纹，观测者不容易发现，也不会产生明显的观看不适感，提升观测者观测体验。
可选的，柱状透镜可以为凸透镜也可以为凹透镜，本发明实施例对此不进行限定。
可选的，双折射率材料层131可以包括冰洲石材料层、偏硼酸钡材料层、铌酸锂材料层以及石英晶体材料层中的至少一种，保证双折射率材料层131对于不同偏振方向的图像光线来说具备不同的折射率。
可选的，光学结构层132可以为光学玻璃层或者光学树脂层，本发明实施例对此不进行限定，只需保证光学结构层132的折射率与双折射材料层131其中的一个折射率相同，保证对于具备第一偏振方向的图像光线来说，双折射率材料层131与光学结构层132的折射率不同，具备第一偏振方向的图像光线的传播方向发生变化，实现3D显示；对于具备第二偏振方向的图像光线来说，双折射率材料层131与光学结构层132的折射率相同，具备第二偏振方向的图像光线的传播方向保持不变，实现2D显示。
可选的，继续参考图1所示，本发明实施例提供的光学成像单元14可以包括至少一个曲面镜片结构141，曲面镜片结构141用于对入射的图像进行放大处理，并反射图像光线至半透半反单元15。
如图1所示，曲面镜片结构141接收2D/3D可切换功能单元13入射的图像光线并进行反射，其中，曲面镜片结构141具备放大作用，将显示单元11显示的图像进行放大，保证观测者最终观测到清晰的放大图像。实际使用过程中，可以根据观测者实际需求，选择不同放大倍率的曲面镜片结构141。
需要说明的是，本发明实施例提供的光学成像单元14还可以包括多个曲面镜片结构(图中未示出)，每个曲面镜片结构均可以对图像进行放大，其中，每个曲面镜片结构的焦距可以相同也可以不同，可以根据实际放大倍率需求，选择一个或者多个曲面镜片结构，本发明实施例对此不进行限定。
继续参考图1所示，本发明实施例提供的光学成像单元14还可以包括一平面反射镜片结构142，平面镜片反射结构142接收曲面镜片结构141入射的图像光线，并反射图像光线至半透半反单元15。通过平面镜面结构142对图像光线的传播路径进行进一步调整，保证图像光线经半透半反单元15反射后最终可以分别进入左眼眼瞳范围内和右眼眼瞳范围内。
需要说明的是，本发明实施例提供的光学成像单元14还可以包括多个平面镜片结构(图中未示出)，每个平面镜片结构均可以对图像光线的传播路径进行调整，保证图像光线经半透半反单元15反射后最终可以分别进入左眼眼瞳范围内和右眼眼瞳范围内。
可选的，本发明实施例提供的半透半反单元15可以为挡风玻璃。
进一步的，本发明实施例还提供了一种汽车，该汽车包括本发明实施例提供的抬头显示系统，具备相应的功能和有益效果，这里不再赘述。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种抬头显示系统，其特征在于，包括显示单元、偏振光切换单元、2D/3D可切换单元、光学成像单元以及半透半反单元；
其中，所述显示单元用于显示图像并出射图像光线；
所述偏振光切换单元位于所述显示单元的出光侧一侧，用于切换入射至所述偏振光切换单元的所述图像光线的偏振方向，所述偏振方向包括第一偏振方向和第二偏振方向；
所述2D/3D可切换单元位于所述偏振光切换单元远离所述显示单元的一侧，用于控制具备第一偏振方向的所述图像光线传播方向发生改变；控制具备第二偏振方向的所述图像光线传播方向保持不变；
所述光学成像单元和半透半反单元用于将所述图像光线反射至观测者眼瞳视窗范围内。
2.根据权利要求1所述的抬头显示系统，其特征在于，所述2D/3D可切换单元包括靠近所述偏振光切换单元一侧的双折射率材料层以及与所述双折射率材料层接触的光学结构层；
其中，所述光学结构层的折射率与所述双折射率材料层的其中一个折射率相同。
3.根据权利要求2所述的抬头显示系统，其特征在于，所述光学结构层为柱状透镜阵列层，所述柱状透镜阵列层包括多个矩阵排布的柱状透镜，每个所述柱状透镜具有透镜表面，所述透镜表面与所述双折射率材料层接触。
4.根据权利要求2所述的抬头显示系统，其特征在于，所述双折射率材料层包括冰洲石材料层、偏硼酸钡材料层、铌酸锂材料层以及石英晶体材料层中的至少一种。
5.根据权利要求2所述的抬头显示系统，其特征在于，所述光学结构层为光学玻璃层。
6.根据权利要求2所述的抬头显示系统，其特征在于，所述2D/3D可切换单元的工作温度范围为-40℃-80℃。
7.根据权利要求1所述的抬头显示系统，其特征在于，所述光学成像单元至少包括一曲面镜片结构，所述曲面镜片结构用于对入射的所述图像进行放大处理，并反射所述图像光线至所述半透半反单元。
8.根据权利要求7所述的抬头显示系统，其特征在于，所述光学成像单元还包括一平面反射镜片结构，所述平面反射镜片结构接收所述曲面镜片结构入射的所述图像光线，并反射所述图像光线至所述半透半反单元。
9.根据权利要求1所述的抬头显示系统，其特征在于，所述半透半反单元为挡风玻璃。
10.一种汽车，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的抬头显示系统。
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