CN108931851A - 抬头显示系统及汽车 - Google Patents

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Abstract

一种抬头显示系统，包括纳米成像膜、挡风玻璃和投影装置，纳米成像膜包括多个像素，每个像素内设有纳米衍射光栅，纳米成像膜设置在挡风玻璃上，投影装置设置在纳米成像膜的焦距内，投影装置可将图像光投影到纳米成像膜上，纳米成像膜的各像素通过纳米衍射光栅反射衍射光，并将衍射光在纳米成像膜的前端汇聚成视点。本发明的抬头显示系统能够承接虚像，具有成像功能，简化了投影系统，并且成本低。本发明还涉及一种汽车。

Description

抬头显示系统及汽车
技术领域
本发明涉及抬头显示技术领域，特别涉及一种抬头显示系统及汽车。
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,使驾驶员不必低头，就可以看到行车信息，从而避免分散驾驶员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。
目前抬头显示技术的实现主要通过发光成像和投影成像两种方式，其中投影成像利用汽车前挡风玻璃本身或者额外设置的光学元件进行投影显示，由于投影仪形成的是实像，需要一个承接屏来显示像,一般采用挡风玻璃或者独立的屏幕作为承接屏。如果承接屏不是挡风玻璃，则需要一块独立的平面承接屏，造成成本增加。如果将挡风玻璃作为承接屏，由于挡风玻璃为曲面玻璃，为保证在承接屏上的像不扭曲形变，一般会采用非球面透镜，曲面反色镜等光学原件对投影成像进行图形矫正，使投影系统很复杂，这些光学元件不仅体积大，而且加工成本高。
发明内容
本发明的目的在于，提供了一种抬头显示系统，能够承接虚像，具有成像功能，简化了投影系统，并且成本低。
本发明解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。
一种抬头显示系统，包括纳米成像膜、挡风玻璃和投影装置，纳米成像膜包括多个像素，每个像素内设有纳米衍射光栅，纳米成像膜设置在挡风玻璃上，投影装置设置在纳米成像膜的焦距内，投影装置可将图像光投影到纳米成像膜上，纳米成像膜的各像素通过纳米衍射光栅反射衍射光，并将衍射光在纳米成像膜的前端汇聚成视点。
在本发明的较佳实施例中，上述投影装置的图像光与纳米成像膜的表面之间具有倾斜角，投影装置将图像投影到纳米成像膜上，并在纳米成像膜的后端形成放大的正立虚像。
在本发明的较佳实施例中，每个像素包括第一子像素、第二子像素和第三子像素，第一子像素内设有用于反射红光的第一纳米衍射光栅，第二子像素内设有用于反射绿光的第二纳米衍射光栅，第三子像素内设有用于反射蓝光的第三纳米衍射光栅。
在本发明的较佳实施例中，上述纳米成像膜包括基层和结构层，基层的一侧面贴在挡风玻璃上，基层的另一侧面设置结构层，结构层由各像素的纳米衍射光栅组合形成。
在本发明的较佳实施例中，上述结构层呈菲涅尔透镜结构。
在本发明的较佳实施例中，上述视点偏离该纳米成像膜的轴心线。
在本发明的较佳实施例中，每个像素内的纳米衍射光栅的周期和取向角不同。
在本发明的较佳实施例中，每个像素内的纳米衍射光栅的周期和取向角由光栅衍射方程计算得出。
本发明的另一目的在于，提供了一种汽车，能够承接虚像，具有成像功能，简化了投影系统，并且成本低。
一种汽车，包括上述的抬头显示系统。
本发明的抬头显示系统的纳米成像膜包括多个像素，每个像素内设有纳米衍射光栅，纳米成像膜设置在挡风玻璃上，投影装置设置在纳米成像膜的焦距内，投影装置可将图像光投影到纳米成像膜上，纳米成像膜的各像素通过纳米衍射光栅反射衍射光，并将衍射光在纳米成像膜的前端汇聚成视点。本发明的抬头显示系统可在纳米成像膜的前端汇聚成视点，使驾驶员能够观看到在纳米成像膜后端形成的虚像，即纳米成像膜能够承接虚像，具有成像功能，简化了投影系统。同时，本发明的纳米成像膜与现有的楔形膜相比，成本低。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明。
附图说明
图1是本发明的抬头显示系统的结构示意图。
图2是本发明的纳米成像膜的局部平面示意图。
图3是本发明的纳米成像膜的侧视示意图。
图4是本发明的抬头显示系统的光路示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的抬头显示系统及汽车的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下:
有关本发明的前述及其它技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
图1是本发明的抬头显示系统的结构示意图。如图1所示，在本实施例中,抬头显示系统10包括纳米成像膜12、挡风玻璃13和投影装置14。
图2是本发明的纳米成像膜的局部平面示意图。图3是本发明的纳米成像膜的侧视示意图。如图1、图2和图3所示，在本实施例中，纳米成像膜12设置在挡风玻璃13上，并位于挡风玻璃13的内侧。纳米成像膜12包括多个像素101，每个像素101内设有纳米衍射光栅124，纳米成像膜12上的每个像素101通过纳米衍射光栅124反射衍射光b，并将衍射光b在纳米成像膜12的前端汇集成视点c，即视点c在驾驶室内，并在驾驶员的眼睛附近。
具体地，纳米成像膜12包括基层122和结构层123，基层122的一侧面贴在挡风玻璃13上，基层122的另一侧面设置结构层123，结构层123由各像素101的纳米衍射光栅124组合形成。在本实施例中，纳米成像膜12可为多层结构，例如包括多层基层122和多层结构层123，结构层123设置于相邻的两基层122之间。
纳米成像膜12的每个像素101内的纳米衍射光栅124的周期和取向角不同，使纳米成像膜12的结构层123呈菲涅尔透镜结构。每个像素101内的纳米衍射光栅124的周期和取向角由光栅衍射方程(1)和(2)计算得出：
tanψ＝sinφ/(cosφ-n sin θ1(Λ/λ) (1)
其中，ψ表示衍射光b的方位角；φ表示纳米衍射光栅124的取向角；θ1表示图像光a的入射角；Λ表示纳米衍射光栅124的周期；λ表示图像光a的波长；n表示纳米成像膜12的折射率；
sin2(θ2)＝(λ/Λ)2+(n sinθ1)2+2n sinθ1cosφ(λ/Λ) (2)
其中，θ2表示衍射光b的衍射角。
如图3所示，定义纳米成像膜12的宽度方向为第一方向X；定义纳米成像膜12的长度方向为第二方向Y；定义纳米成像膜12的厚度方向为第三方向Z；且第一方向X、第二方向Y和第三方向Z相互垂直。
其中，方位角ψ表示衍射光b与第一方向X(正方向)的夹角；
衍射角θ2表示衍射光b与第三方向Z(正反向)的夹角；
取向角φ表示纳米衍射光栅124的槽型方向与第二方向Y(正方向)的夹角；
入射角θ1表示图像光a与第一方向X(正方向)的夹角；
周期Λ表示相邻两个纳米衍射光栅124之间的间距。
因此，在规定好图像光a的波长λ、入射角θ1以及衍射光b的衍射角θ2和衍射光b的方位角ψ之后，就可以根据上述两个公式(1)和(2)计算出所需的纳米衍射光栅124的周期Λ和取向角φ。例如，650nm波长λ的红光以60°的入射角θ1入射，衍射光b的衍射角θ2为10°、衍射光b的方位角ψ为45°，通过计算得出对应的纳米衍射光栅124的周期Λ为550nm，取向角φ为-5.96°。
按照上述原理设定每个像素101内的各个纳米衍射光栅124的周期Λ和取向角φ后，由于一个纳米衍射光栅124相当于单个离轴菲涅尔透镜结构，因此，各个像素101中相同位置的纳米衍射光栅124反射的衍射光b就可以会聚于一个视点c，构成一视角图像。
本发明的纳米成像膜12可通过纳米衍射光栅124在纳米成像膜12的前端汇聚成视点c，驾驶员在视点c的附近可以观察到在纳米成像膜12的后端(挡风玻璃13的外面)形成放大的正立虚像d。在本实施例中，当需要形成彩色虚像d时，通过上述两个公式(1)和(2)，可将每个像素101内的纳米衍射光栅124分别设计成对应红光R(波长650nm)、绿光G(波长550nm)和蓝光B(波长450nm)的纳米光栅结构。例如，每个像素包括第一子像素、第二子像素和第三子像素，第一子像素内设有用于反射红光R的第一纳米衍射光栅，第二子像素内设有用于反射绿光G的第二纳米衍射光栅，第三子像素内设有用于反射蓝光B的第三纳米衍射光栅,第一纳米衍射光栅、第二纳米衍射光栅和第三纳米衍射光栅的周期Λ和取向角φ可根据公式(1)和(2)计算得出。
值得一提的是，纳米成像膜12汇聚形成的视点c处于纳米成像膜12的轴心线上，但并不以此为限，例如可通过对每个像素101内的纳米衍射光栅124的周期Λ和取向角φ进行特殊设计，使汇聚形成的视点c偏离纳米成像膜12的轴心线，即视点c不在纳米成像膜12的轴心线上，以方便驾驶员观看在纳米成像膜12后端形成的虚像d。
图4是本发明的抬头显示系统的光路示意图。如图1、图3和图4所示，投影装置14安装在汽车的中控台10a上，并位于纳米成像膜12的焦距f内，投影装置14可将图像光a投影到纳米成像膜12上，纳米成像膜12的各像素101通过纳米衍射光栅124反射衍射光b，并在纳米成像膜12的前端汇聚成视点c。在本实施例中，投影装置14发出的图像光a为平行光，投影装置14的图像光a与纳米成像膜12的表面之间具有固定倾斜角，可调整投影装置14的倾斜角，实现调整图像光a与第一方向X(正方向)之间的夹角(入射角θ1)。由于投影装置14设置在纳米成像膜12的焦距内，根据光学成像原理，投影装置14将图像光a投影到纳米成像膜12上后，可在纳米成像膜12的后端形成放大的正立虚像d。值得一提的是，投影装置14分别与汽车的相关仪器仪表、传感器、外接智能设备等相连接，用于投影显示重要的行车信息，投影装置14投影的图像例如为相关文字、速度、发动机转数、油耗、胎压、导航、夜视等图像信息。
本发明的抬头显示系统10的纳米成像膜12包括多个像素101，每个像素101内设有纳米衍射光栅124，纳米成像膜12设置在挡风玻璃13上，投影装置14设置在纳米成像膜12的焦距内，投影装置14可将图像光a投影到纳米成像膜12上，纳米成像膜12的各像素101通过纳米衍射光栅124反射衍射光b，并将衍射光b在纳米成像膜12的前端汇聚成视点c。本发明的抬头显示系统10可在纳米成像膜12的前端汇聚成视点c，使驾驶员能够观看到在纳米成像膜12后端形成的虚像d，即纳米成像膜12能够承接虚像d，具有成像功能，简化了投影系统。同时，本发明的纳米成像膜12与现有的楔形膜相比，成本低。
而且，本发明的纳米成像膜12可直接贴附在挡风玻璃13上，根据挡风玻璃13不同位置的曲率，计算该位置纳米衍射光栅124的周期Λ和取向角φ，使从投影装置14中投射出来的图像光a在该位置形成特定反射角度的衍射光b，保证形成的虚像不发生扭曲变形。
此外，通过对纳米成像膜12的纳米衍射光栅124的结构设计(利用上述公式计算)，使纳米成像膜12只对特定光谱范围内的光进行反射(例如只对预设值的入射角θ1的图像光a进行反射)，提高了投影光的利用率和环境光的透射率。
本发明还涉及一种汽车，该汽车包括上述的抬头显示系统10，关于汽车的其他结构请参照现有技术，此处不再赘述。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (9)

1.一种抬头显示系统，其特征在于，包括纳米成像膜(12)、挡风玻璃(13)和投影装置(14)，该纳米成像膜(12)包括多个像素(101)，每个像素(101)内设有纳米衍射光栅(124)，该纳米成像膜(12)设置在该挡风玻璃(13)上，该投影装置(14)设置在该纳米成像膜(12)的焦距内，该投影装置(14)可将图像光投影到该纳米成像膜(12)上，该纳米成像膜(12)的各像素(101)通过纳米衍射光栅(124)反射衍射光，并将衍射光在该纳米成像膜(12)的前端汇聚成视点。
2.如权利要求1所述的抬头显示系统，其特征在于，该投影装置(14)的图像光与该纳米成像膜(12)的表面之间具有倾斜角，该投影装置(14)将图像投影到该纳米成像膜(12)上，并在该纳米成像膜(12)的后端形成放大的正立虚像。
3.如权利要求1所述的抬头显示系统，其特征在于，每个像素包括第一子像素、第二子像素和第三子像素，该第一子像素内设有用于反射红光的第一纳米衍射光栅，该第二子像素内设有用于反射绿光的第二纳米衍射光栅，该第三子像素内设有用于反射蓝光的第三纳米衍射光栅。
4.如权利要求1所述的抬头显示系统，其特征在于，该纳米成像膜(12)包括基层(122)和结构层(123)，该基层(122)的一侧面贴在该挡风玻璃(13)上，该基层(122)的另一侧面设置该结构层(123)，该结构层(123)由各像素(101)的纳米衍射光栅(124)组合形成。
5.如权利要求4所述的抬头显示系统，其特征在于，该结构层(123)呈菲涅尔透镜结构。
6.如权利要求5所述的抬头显示系统，其特征在于，该视点偏离该纳米成像膜(12)的轴心线。
7.如权利要求1所述的抬头显示系统，其特征在于，每个像素(101)内的纳米衍射光栅(124)的周期和取向角不同。
8.如权利要求7所述的抬头显示系统，其特征在于，每个像素(101)内的纳米衍射光栅(124)的周期和取向角由光栅衍射方程计算得出。
9.一种汽车，其特征在于，包括权利要求1至8任意一项所述的抬头显示系统。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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Applicant after: SUZHOU SUDAVIG SCIENCE AND TECHNOLOGY GROUP Co.,Ltd.

Applicant after: Suzhou University

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RJ01 Rejection of invention patent application after publication
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