CN109100866A - 一种基于液晶偏振方向旋转器的车载ar-hud光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于液晶偏振方向旋转器的车载AR‑HUD光学系统，包括照明系统、PGU系统、成像系统，PGU系统包含图像显示源、液晶偏振方向旋转器、偏振分光片、反射镜一、反射镜二，照明系统将图像显示源均匀照亮，图像显示源出射的线偏振光经液晶偏振方向旋转器后入射到偏振分光片上，经偏振分光片出射后的光形成两个光路，两个光路分别经反射镜一、反射镜二反射后再经偏振分光片反射、折射后进入成像系统，成像系统设置在偏振分光片上方，两个光路经成像系统后在不同的成像距离上形成不同画幅尺寸的图像；本发明使用一个PGU及照明系统即可实现AR‑HUD，同时不使用电机结构，避免了因电机结构损耗带来的成像质量问题。
Description
[技术领域]
本发明涉及HUD设备技术领域，具体地说是一种基于液晶偏振方向旋转器的车载AR-HUD光学系统。
[背景技术]
抬头显示器(HUD)可将汽车的车速、转速、导航等信息投影至挡风玻璃前，驾驶员视线无需离开驾驶前方即可得到汽车关键信息，提高了行车安全。现有的HUD一般是将图像显示在人眼前2～3米左右，其画幅尺寸约6～12英寸不等。然而，随着技术的发展，人们对HUD的需求及要求也在逐步增大，不再满足于现有的HUD近距离成像、小显示画幅尺寸，人们期望可将兴趣点及导航等与真实路况结合，实现增强现实的作用，提高人机交互体验和主动驾驶安全性。基于这种需求，AR-HUD已成为了热门研究方向。
AR-HUD应该具有现有HUD显示车速、油耗等常规信息的作用，同时还可实现增强现实的作用。因此，需要在车辆前方实现两个不同距离的投影像。现有AR-HUD光学系统中，一种是采用一个显示屏，交替投射图像，利用高速电机调节镜片形成两个成像光路，利用人眼视觉暂留的特性，实现近远景的成像。另一种是使用两个显示屏(DLP或TFT)，通过光学设计实现两路反射，从而实现近远景的同时成像。第一种方案，由于采用了高速电机，随着电机等结构的损耗，对镜片的调节精度会下降，最终会导致成像效果不佳。第二种方案虽然实现了近远景的同时成像，但使用了两套图像生成单元(PGU)及照明单元，会导致该方案产品体积过大，散热要求高，成本高。
因此，为克服上述AR-HUD光学系统存在的问题，若能提出一种基于液晶偏振方向旋转器的AR-HUD光学系统，使用一个PGU及照明系统即可实现AR-HUD，同时不使用电机结构，避免因电机结构损耗带来的成像质量问题，将具有非常重要的意义。
[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基于液晶偏振方向旋转器的车载AR-HUD光学系统，使用一个PGU及照明系统即可实现AR-HUD，同时不使用电机结构，避免了因电机结构损耗带来的成像质量问题。
为实现上述目的设计一种基于液晶偏振方向旋转器的车载AR-HUD光学系统，包括照明系统1、含有液晶偏振方向旋转器的PGU系统2、成像系统3，所述含有液晶偏振方向旋转器的PGU系统2包含图像显示源21、液晶偏振方向旋转器22、偏振分光片23、反射镜一24、反射镜二25，所述图像显示源21、液晶偏振方向旋转器22、偏振分光片23、反射镜一24由左至右依次布置，所述反射镜二25设置在偏振分光片23下方，所述照明系统1用于将图像显示源21均匀照亮，所述图像显示源21出射的线偏振光经液晶偏振方向旋转器22后入射到偏振分光片23上，经偏振分光片23出射后的光形成两个光路，所述两个光路分别经反射镜一24、反射镜二25反射后再经偏振分光片23反射、折射后进入成像系统3，所述成像系统3设置在偏振分光片23上方，所述两个光路经成像系统3后在不同的成像距离上形成不同画幅尺寸的图像。
进一步地，所述液晶偏振方向旋转器22选用90°扭曲的TN液晶片，通过对TN液晶片施加或撤除电压，将入射到TN液晶片上的线偏振光的偏振方向旋转90°或保持不变，形成S偏振光和P偏振光。
进一步地，所述反射镜一24、反射镜二25前方均设置有波片，所述波片用于使反射的线偏振光的振动方向改变成与偏振分光片23反射和折射振动方向一致。
进一步地，所述图像显示源21为TFT-LCD屏或者DLP屏，使用DLP屏时须在液晶偏振方向旋转器22之前加入起偏器。
进一步地，所述成像系统3包括反射镜三31和反射镜四32，所述反射镜三31和反射镜四32均为自由曲面镜，所述反射镜三31亦可为多焦点自由曲面镜。
进一步地，所述两个光路中的一个光路经反射镜四32后、再经反射镜三31后形成图像一，另一个光路经反射镜三31后形成图像二，所述图像一与图像二为在不同的成像距离上形成的画幅不同尺寸的图像。
本发明同现有技术相比，通过照明系统将图像显示源均匀照亮，通过电压控制液晶偏振方向旋转器中液晶的转向，来控制图像显示源出射的线偏振光液晶偏振方向旋转器后的振动方向，经液晶偏振方向旋转器出射的光入射到偏振分光片上，在时序上选择性的使光折射或反射到达反射镜一或反射镜二，并通过调整反射镜一和反射镜二的位置，使HUD成像系统的物处于不同的距离上，从而经成像系统后，在不同的成像距离上形成不同画幅尺寸的图像，该系统使用一个PGU及照明系统即可实现AR-HUD，同时不使用电机结构，避免了因电机结构损耗带来的成像质量问题，克服了现有AR-HUD光学系统存在的问题，值得推广应用。
[附图说明]
图1是本发明的光路示意图；
图2a是液晶偏振方向旋转器的工作原理示意图；
图2b是液晶偏振方向旋转器对线偏振光的作用示意图；
图中：1、照明系统 2、PGU系统 3、成像系统 21、图像显示源 22、液晶偏振方向旋转器 23、偏振分光片 24、反射镜一 25、反射镜二 31、反射镜三 32、反射镜四。
[具体实施方式]
如附图所示，本发明包括：照明系统1、含有液晶偏振方向旋转器的PGU系统2、成像系统3，含有液晶偏振方向旋转器的PGU系统2包含图像显示源21、液晶偏振方向旋转器22、偏振分光片23、反射镜一24、反射镜二25，图像显示源21、液晶偏振方向旋转器22、偏振分光片23、反射镜一24由左至右依次布置，反射镜二25设置在偏振分光片23下方，照明系统1用于将图像显示源21均匀照亮，图像显示源21出射的线偏振光经液晶偏振方向旋转器22后入射到偏振分光片23上，经偏振分光片23出射后的光形成两个光路，两个光路分别经反射镜一24、反射镜二25反射后再经偏振分光片23反射、折射后进入成像系统3，成像系统3设置在偏振分光片23上方，两个光路经成像系统3后在不同的成像距离上形成不同画幅尺寸的图像。
其中，液晶偏振方向旋转器22选用90°扭曲的Twisted Nemtic(TN)相液晶片，通过给TN液晶片施加电压或撤除电压，可将入射到TN液晶片上的线偏振光的偏振方向旋转90°或保持不变，形成S偏振光和P偏振光，其工作原理如图2a和图2b所示。配合偏振分光片23，S偏振光和P偏振光可形成两个光路，使两个光路具有不同的光程，配合HUD成像系统3设计，可实现不同距离的成像。TN液晶具有快速响应特性，通过对TN盒的设计，其响应速度可达到几毫秒，而人眼的视觉暂留时间约0.1～0.4s，因此，通过快速切换S偏振光和P偏振光，可使人眼同时看到远近不同的两个影像。
本发明中，图像显示源21为TFT-LCD屏或者DLP屏，使用DLP屏时须在液晶偏振方向旋转器22之前加入起偏器。成像系统3包括反射镜三31和反射镜四32，反射镜三31和反射镜四32均为自由曲面镜，反射镜三31亦可为多焦点自由曲面镜；两个光路中的一个光路经反射镜四32后、再经反射镜三31后形成图像一，另一个光路经反射镜三31后形成图像二，图像一与图像二为在不同的成像距离上形成的画幅不同尺寸的图像，即两个光路共用反射镜31。
下面结合具体实施例对本发明作以下进一步说明：
本实施例中图像显示源21选用TFT-LCD屏，照明系统1将TFT-LCD屏均匀照亮，由于TFT-LCD出射光为线偏振光，因此不许再单独加入起偏器。通过电压控制液晶偏振方向旋转器22中液晶的转向，来控制TFT-LCD出射的线偏振光液晶偏振方向旋转器22后的振动方向。经液晶偏振方向旋转器22出射的光入射到偏振分光片23上，在时序上选择性的使光折射或反射到达反射镜一24或反射镜二25。通过调整反射镜一24和反射镜二25的位置，可使HUD成像系统的物处于不同的距离上，从而经成像系统3后，在不同的成像距离上形成不同画幅尺寸的图像。具体地，在约2.5米处形成10inch图像，在8m处形成60inch图像。另，经反射镜一24或反射镜二25反射的光分别需要经偏振分光片23反射和折射进入成像系统3。因此，需要在反射镜一24和反射镜二25之前加入波片，使反射的线偏振光的振动方向改变成与偏振分光片23反射和折射振动方向一致。
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 (8)
1.一种基于液晶偏振方向旋转器的车载AR-HUD光学系统，其特征在于：包括照明系统(1)、含有液晶偏振方向旋转器的PGU系统(2)、成像系统(3)，所述含有液晶偏振方向旋转器的PGU系统(2)包含图像显示源(21)、液晶偏振方向旋转器(22)、偏振分光片(23)、反射镜一(24)、反射镜二(25)，所述图像显示源(21)、液晶偏振方向旋转器(22)、偏振分光片(23)、反射镜一(24)由左至右依次布置，所述反射镜二(25)设置在偏振分光片(23)下方，所述照明系统(1)用于将图像显示源(21)均匀照亮，所述图像显示源(21)出射的线偏振光经液晶偏振方向旋转器(22)后入射到偏振分光片(23)上，经偏振分光片(23)出射后的光形成两个光路，所述两个光路分别经反射镜一(24)、反射镜二(25)反射后再经偏振分光片(23)反射、折射后进入成像系统(3)，所述成像系统(3)设置在偏振分光片(23)上方，所述两个光路经成像系统(3)后在不同的成像距离上形成不同画幅尺寸的图像。
2.如权利要求1所述的基于液晶偏振方向旋转器的车载AR-HUD光学系统，其特征在于：所述液晶偏振方向旋转器(22)选用90°扭曲的TN液晶片，通过对TN液晶片施加或撤除电压，将入射到TN液晶片上的线偏振光的偏振方向旋转90°或保持不变，形成S偏振光和P偏振光。
3.如权利要求1或2所述的基于液晶偏振方向旋转器的车载AR-HUD光学系统，其特征在于：所述反射镜一(24)、反射镜二(25)前方均设置有波片，所述波片用于使反射的线偏振光的振动方向改变成与偏振分光片(23)反射和折射振动方向一致。
4.如权利要求3所述的基于液晶偏振方向旋转器的车载AR-HUD光学系统，其特征在于：所述图像显示源(21)为TFT-LCD屏。
5.如权利要求3所述的基于液晶偏振方向旋转器的车载AR-HUD光学系统，其特征在于：所述图像显示源(21)为DLP屏，所述DLP屏与液晶偏振方向旋转器(22)之间设置有起偏器。
6.如权利要求1或2所述的基于液晶偏振方向旋转器的车载AR-HUD光学系统，其特征在于：所述成像系统(3)包括反射镜三(31)和反射镜四(32)，所述反射镜三(31)和反射镜四(32)均为自由曲面镜。
7.如权利要求6所述的基于液晶偏振方向旋转器的车载AR-HUD光学系统，其特征在于：所述反射镜三(31)为多焦点自由曲面镜。
8.如权利要求7所述的基于液晶偏振方向旋转器的车载AR-HUD光学系统，其特征在于：所述两个光路中的一个光路经反射镜四(32)后、再经反射镜三(31)后形成图像一，另一个光路经反射镜三(31)后形成图像二，所述图像一与图像二为在不同的成像距离上形成的画幅不同尺寸的图像。
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