CN109839744A - 平视显示系统和用于平视显示的光学元件 - Google Patents

Abstract

提供一种平视显示系统和用于平视显示的光学元件。所述光学元件包括：菲涅耳图案层，被配置为放大用于平视显示的虚拟图像；形成在菲涅耳图案层上的多波段涂层，多波段涂层被配置为：从光源接收多个波段的光，并基于针对所述多个波段设置的透射率来透射所述多个波段的光的一部分。所述多个波段可包括：指示红色光的波段、指示绿色光的波段以及指示蓝色光的波段。

Description

平视显示系统和用于平视显示的光学元件

本申请要求于2017年11月24日提交到韩国知识产权局的第10-2017-0158610号韩国专利申请的优先权，所述韩国专利申请的公开通过引用全部包含于此。

技术领域

与示例性实施例一致的方法和设备涉及一种平视显示(HUD)系统和用于HUD的光学元件。

背景技术

平视显示(HUD)可在驾驶员前方产生虚拟图像，并在虚拟图像中显示信息，从而将各种信息提供给用户。提供给驾驶员的信息包括，例如，导航信息和仪表盘信息(诸如，车辆速度、燃油油位和发动机每分钟的转速(RPM))。基于HUD，驾驶员可在驾驶期间更加容易地识别前方显示的信息而不需要转动他或她的目光，因此，可提高驾驶安全性。除了导航信息和仪表盘信息之外，HUD系统还可使用增强现实(AR)将，例如，车道指示信号、施工指示信号、事故指示信号和行人检测指示信号提供给用户。

发明内容

一个或多个示例性实施例可至少解决以上问题和/或缺点以及以上没有描述的其他缺点。此外，示例性实施例不需要克服上述缺点，并且示例性实施例可不克服上述的任何问题。

根据示例性实施例的一方面，提供一种用于平视显示(HUD)的光学元件，所述光学元件包括：菲涅耳图案层，被配置为放大HUD图像的虚拟图像；形成在菲涅耳图案层上的多波段涂层，多波段涂层被配置为：从光源接收多个波段的光，并基于针对所述多个波段中的每个设置的透射率来透射所述多个波段的光的一部分；形成在多波段涂层上的浸没层，浸没层的折射率等于菲涅耳图案层的折射率。

所述多个波段可包括：对应于红色光的波段、对应于绿色光的波段以及对应于蓝色光的波段。

可针对所述多个波段中的每个来设置透射率，使得针对白色光的透射率可被保持在预定水平。

透射率可被设置为将光学元件针对挡风玻璃的可见度保持在预定水平。

当所述多个波段的每个波段的带宽比预定带宽窄时，透射率可被设置为小于预定透射率。

当光源是发光二极管(LED)时，透射率可被设置为第一透射率，并且当光源是激光器时，透射率可被设置为第二透射率，第一透射率高于第二透射率。

多波段涂层可形成在菲涅耳图案层的至少一个倾斜表面上。

基于HUD图像被投影到用户的角度，菲涅耳图案层可包括：包括至少一个倾斜表面的菲涅耳透镜的至少一部分。

菲涅耳透镜包括：包含第一方向的倾斜表面的第一部分、包含第二方向的倾斜表面的第二部分以及邻近中心轴的第三部分，其中，菲涅耳图案层包括第一部分或者第二部分。

光学元件可插入到挡风玻璃或者以膜的形式附着到挡风玻璃。

根据示例性实施例的一方面，提供一种平视显示(HUD)系统，包括：光源，被配置为提供用于HUD图像的多个波段的光；第一光学元件，被配置为调节所述多个波段的光；第二光学元件，包括：第一层，被配置为放大HUD图像的虚拟图像；第二层，被配置为基于针对所述多个波段设置的透射率来透射所述多个波段的光的一部分；第三层，具有与第一层相同的折射率。

所述多个波段可包括：对应于红色光的波段、对应于绿色光的波段以及对应于蓝色光的波段。

第一光学元件可包括：至少一个镜或者至少一个投影光学元件。

可针对所述多个波段中的每个来设置透射率，使得针对白色光的透射率被保持在预定水平。

在光源是发光二极管(LED)时，透射率可被设置为第一透射率，并且在光源是激光器时，透射率可被设置为第二透射率，其中，第一透射率高于第二透射率。

第二层可形成在第一层的倾斜表面上。

基于HUD图像被投影到用户的角度，第一层可包括：包括至少一个倾斜表面的菲涅耳透镜的至少一部分。

HUD系统还可包括：显示面板，被配置为显示HUD图像；三维(3D)光学层，被配置为将HUD图像转换为3D图像。

根据示例性实施例的一方面，还提供一种平视显示(HUD)系统，包括：光源，被配置为提供用于HUD图像的第一多个波段的光；第一光学元件，被配置为反射由光源提供的第一多个波段的光，并透射来自车辆外部的外部光源提供的第二多个波段的光；第二光学元件，包括：第一层，被配置为放大HUD图像的虚拟图像；第二层，被配置为反射由第一光学元件反射的所述多个波段的光以及来自车辆外部的外部光源提供的所述第一多个波段的光，并透射来自车辆外部的外部光源提供的所述第二多个波段的光；第三层，其中，第三层的折射率等于第一层的折射率。

所述第一多个波段可包括：对应于红色光的第一波段的一部分、对应于绿色光的第二波段的一部分以及与对应于蓝色光的第三波段的一部分，所述第二多个波段可包括：从第一波段排除所述第一多个波段的剩余者的至少一部分、从第二波段排除所述第一多个波段的剩余者的至少一部分以及从第三波段排除所述第一多个波段的剩余者的至少一部分。

根据示例性实施例的一方面，提供一种平视显示(HUD)系统，包括：光源，被配置为发射用于HUD图像的第一多个波段的光；第一光学元件，被配置为反射所述第一多个波段的光；第二光学元件，被配置为反射从第一光学元件反射的所述第一多个波段的光，第二光学元件包括：菲涅耳图案层，包括具有倾斜表面的至少一个菲涅耳透镜；形成在菲涅耳透镜的倾斜表面上的多波段涂层，多波段涂层被配置为：基于针对所述第一多个波段中的每个设置的反射率来反射所述多个第一波段的光；形成在多波段涂层上的浸没层，浸没层的折射率等于菲涅耳图案层的折射率。

第二光学元件可被配置为：基于设置的反射率反射来自车辆外部的外部光源提供的所述第一多个波段的光；透射从外部光源提供的第二多个波段的光。

所述第一多个波段可包括：对应于红色光的第一波段的一部分、对应于绿色光的第二波段的一部分以及与对应于蓝色光的第三波段的一部分，所述第二多个波段可包括：从第一波段排除所述第一多个波段的剩余者的至少一部分、从第二波段排除所述第一多个波段的剩余者的至少一部分、从第三波段排除所述第一多个波段的剩余者的至少一部分。

倾斜表面可基于投影到用户的HUD图像的角度，以角度被倾斜。

第二光学元件可被插入到挡风玻璃，反射率可基于挡风玻璃的所述第一多个波段的反射率被设置，以将第二光学元件的可视度保持在预定水平。

菲涅耳透镜层的间距的大小可被设置为小于用户的眼睛能力。

附图说明

通过参照附图描述示例性实施例，以上和/或其它方面将更清楚，其中：

图1示出根据示例性实施例的平视显示(HUD)系统；

图2示出根据示例性实施例的用于HUD的光学元件；

图3是示出根据示例性实施例的多波段涂层(multiband coating layer)的透射特性的曲线图；

图4是示出根据示例性实施例的发光二极管(LED)型光源的波段的曲线图；

图5示出根据示例性实施例的用于HUD的光学元件的透射特性和反射特性；

图6是示出根据示例性实施例的挡风玻璃的可见光透射率的曲线图；

图7是示出根据示例性实施例的用于HUD的光学元件的可见光透射率的曲线图；

图8示出根据示例性实施例的用于HUD的光学元件的透射特性和反射特性；

图9是示出根据示例性实施例的用于HUD的光学元件的可见光透射率的曲线图；

图10示出根据示例性实施例的菲涅耳透镜(Fresnel lens)的操作部分；

图11A和图11B示出根据示例性实施例的针对菲涅耳透镜的操作部分的光的传播路径；

图12示出根据示例性实施例的眼睛的分辨能力；

图13示出根据示例性实施例的菲涅耳图案的结构和尺寸；

图14示出根据示例性实施例的制造用于HUD的光学元件的过程；

图15示出根据示例性实施例的用于阻挡外部光的HUD系统；

图16是示出根据示例性实施例的用于阻挡外部光的多波段涂层的透射特性的曲线图；

图17示出根据示例性实施例的显示装置和镜；

图18示出根据示例性实施例的包括投影光学元件的HUD系统；

图19示出根据示例性实施例的包括三维(3D)光学层的HUD系统；

图20示出根据示例性实施例的用于眼镜的HUD系统；

图21示出根据示例性实施例的与用于眼镜的HUD系统相关的光的路径。

具体实施方式

现在将详细参照示例性实施例，示例性实施例的示例在附图中示出，其中，相同的标号始终表示相同的元件。

下面的结构的或功能的描述是示例性的，仅用于描述示例性实施例，并且示例性实施例的范围不限于本说明书中提供的描述。本领域的普通技术人员可对其进行各种改变和修改。

虽然“第一”或“第二”的术语用于解释各种组件，但是组件不被这些术语所限制。这些术语应该仅用于将一个组件与另一组件进行区分。例如，“第一”组件可被称为“第二”组件，或者类似地，“第二”组件可被称为“第一”组件。

当在本说明书中使用术语“包括”时，表明存在叙述的特征、整体、步骤、操作、元件、组件或它们的组合，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。术语“和/或”包括多个相关项之中的相关项的多种组合或者任意一项。

当诸如“……中的至少一个”的表述在一列元素之后时，所述表述修饰整列元素，而不是修饰列的单个元素。例如，表述“a、b和c中的至少一个”应该被理解为：仅包括a、仅包括b、仅包括c、包括a和b二者、包括a和c二者、包括b和c二者、或者包括所有的a、b和c。

除非在此另有定义，否则在此使用的所有术语(包括技术术语或科学术语)具有与本领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。

图1示出根据示例性实施例的平视显示(HUD)系统。参照图1，HUD系统100可包括显示装置110、第一光学元件120和第二光学元件130。

显示装置110可包括显示面板111和光源113。显示面板111可显示HUD图像，光源113可将用于HUD图像的多个波段的光提供给显示面板111。例如，多个波段可包括指示红色光的波段、指示绿色光的波段以及指示蓝色光的波段。在下文中，多个波段可指通过光源113提供的光的波段，或者指与通过光源113提供的光的波段相关地设置第二光学元件130的透射率的波段。光源113可以是发光二极管(LED)型或者激光器型。然而，属于多个波段的波段和光源113的类型不限于此。除了上面示例之外，光源113还可提供其他波段(例如，蓝绿色光源的波段、洋红色光源的波段和黄色光源的波段)，并且光源可以是其他类型。根据示例性实施例，参照图1，显示装置110的显示面板111和光源113可被实现为分开的层。然而，示例性实施例不限于此，显示装置110的显示面板111和光源113可被实现为单个层，例如，被实现为LED矩阵。

光源113提供的多个波段的光可通过显示面板111投影到第一光学元件120，第一光学元件120可调节多个波段的光。调节多个波段的光可包括光学地调节多个波段的光。例如，第一光学元件120可包括至少一个镜、至少一个投影光学元件或者它们的组合。至少一个镜可包括至少一个非球面镜。当第一光学元件120包括至少一个镜时，第一光学元件120可光学地调节多个波段的光的方向，使得多个波段的光可朝着第二光学元件130传播。当第一光学元件120包括至少一个投影光学元件时，第一光学元件120可光学地调节多个波段的光的方向，使得虚拟图像可在虚拟图像平面150上被放大。

第二光学元件130可从光源113接收多个波段的光，基于针对多个波段中的每个设置的透射率来透射多个波段的光的一部分，并反射光的剩余部分。在下文中，在光透射或光反射的方面描述示例。例如，80％的透射率可被理解为与20％的反射率相同。用户可通过由第二光学元件130反射的光来观看虚拟图像平面150上的HUD图像的虚拟图像。

如上所述，HUD系统100可在驾驶员前方的虚拟图像平面150上生成虚拟图像，并通过投影显示信息。当显示的虚拟图像的大小不够大，或者视野(FOV)不够宽时，可能难以使用增强现实(AR)来表现与车辆前方的对象或背景相关的信息。为了通过HUD提供AR级信息，可需要使用宽的FOV来实现观看HUD图像的虚拟图像的虚拟图像平面150，其中，水平FOV×垂直FOV等于或大于10度×5度。显示装置110和第一光学元件120可被安装在车辆的仪表盘中。由于仪表盘中的有限空间，因此，通过增加显示装置110和第一光学元件120的大小实现足够宽的FOV可存在限制。

第二光学元件130可插入到挡风玻璃140或者附着到挡风玻璃140以放大HUD图像的虚拟图像。例如，第二光学元件130可插入在构成挡风玻璃140的两片玻璃之间或者第二光学元件130可以以膜的形式附着到挡风玻璃140的内表面。具有相对较小体积的第二光学元件130可放大虚拟图像平面150上的虚拟图像。因此，第二光学元件130可减小显示装置110、第一光学元件120以及包括显示装置110和第一光学元件120的光学系统的空间的体积，并第二光学元件130可实现宽的FOV。

图2示出根据示例性实施例的用于HUD的光学元件。光学元件200可包括菲涅耳(Fresnel)图案层210、多波段(multiband)涂层220和浸没(immersion)层230。光学元件200可对应于图1的第二光学元件130。

菲涅耳图案层210可包括菲涅耳透镜的至少一部分，并放大HUD图像的虚拟图像。通过将普通透镜划分成环形的带并压缩透镜来获得菲涅耳透镜，当与不是菲涅耳透镜的普通透镜相比时，菲涅耳透镜可使用相对薄的厚度来放大图像。菲涅耳透镜可包括：包含第一方向的倾斜表面的第一部分、包含第二方向的倾斜表面的第二部分以及邻近中心轴的第三部分。第一部分和第二部分还可被称为离轴部分。图2示出包括菲涅耳透镜的所有的第一部分、第二部分和第三部分的菲涅耳图案层210的示例性实施例。然而，示例性实施例不限于此，在一个示例中，菲涅耳图案层210可包括菲涅耳透镜的离轴部分。例如，菲涅耳图案层210可包括第一部分或第二部分。当离轴部分被用作菲涅耳图案层210时，与HUD图像对应的光可被更加有效地提供给用户。

光21可以是由光源提供的多个波段的光，并对应于HUD图像。多波段涂层220可接收多个波段的光21，基于针对多个波段设置的透射率来透射光21的一部分，并反射光21的剩余部分。基于多波段涂层220的透射率，光21的一部分可被多波段涂层220反射并被提供给用户，光21的剩余部分可被透射到车辆外部。多波段涂层220的透射率可基于光源提供的光的波段来设置。例如，多波段涂层220可被设置为反射由光源提供的波段的光多于不由光源提供的其余波段的光。在一个示例中，针对由光源提供的波段，多波段涂层220的透射率可被设置为具有第一值，针对其余波段，多波段涂层220的透射率可被设置为具有第二值。其中，第一值可小于第二值。

可从车辆外部提供外部光23。外部光23可包括阳光、路灯和反射的光。根据示例性实施例，外部光23可以是太阳光。在这个示例中，外部光23可包括不由光源提供的诸如紫外线波段的波段的光以及包括由光源提供的波段的整个可见光波段。基于多波段涂层220的透射率，外部光23的一部分可通过多波段涂层220向车辆外部反射，外部光23的剩余部分可射入车辆的内部。被设置为反射外部光23的反射率和波段可对应于由光源提供的光21的反射率和波段。

在一个示例中，可基于光学元件200针对挡风玻璃的可见度来设置多波段涂层220的透射率。光学元件200针对挡风玻璃的可见度可指示用户观看光学元件200与挡风玻璃有多不同。如果在挡风玻璃上明显地看到光学元件200，则用户可在用户前方具有不自然的场景。在一个示例中，为了消除或降低不自然的场景，多波段涂层220的透射率可被设置，使得光学元件200针对挡风玻璃的可见度可减小。例如，第一值和第二值可被设置，使得HUD图像可以以要求的亮度提供给用户，并且光学元件200针对挡风玻璃的可见度可被最小化或降低。在另一示例中，可针对多个波段来设置多波段涂层220的透射率，使得针对白色光的透射率可被保持在预定水平。多波段涂层220针对白色光的透射率可被设置为与挡风玻璃针对白光的透射率对应。

多波段涂层220可形成在菲涅耳图案层210上。菲涅耳图案层210可包括与菲涅耳透镜的弯曲表面对应的倾斜表面和垂直表面。在一个示例中，多波段涂层220可形成在菲涅耳图案层210的倾斜表面上。当多波段涂层220形成在菲涅耳图案层210的倾斜表面上时，与HUD图像对应的光可被更加有效地提供给用户。当多波段涂层220形成在菲涅耳图案层210的倾斜表面上时，还可防止或降低不必要的外部光的流入。

浸没层230可具有与菲涅耳图案层210相同的折射率。浸没层230可形成在多波段涂层220上。例如，菲涅耳图案层210的折射率n1可等于浸没层230的折射率n2。当光学元件200包括具有与菲涅耳图案层210相同的折射率的浸没层230时，可防止或降低通过光学元件200观看到的对象的变形。

图3是示出根据示例性实施例的多波段涂层的透射特性的曲线图，图4是示出根据示例性实施例的LED型光源的波段的曲线图。参照图3，示出指示红色光的波段335、指示绿色光的波段333和指示蓝色光的波段331。在下文中，波段331、波段333和波段335还将被称为多个波段。实线310指示针对多个波段的光具有0％的透射率、针对其余波段大约97％的透射率的多波段涂层的透射特性。虚线320可指示针对多个波段具有大约80％的透射率以及针对其余的可见光波段具有大约97％的透射率的多波段涂层的透射特性。多个波段的带宽可被设置为对应于由光源提供的光的带宽。图3的透射特性可对应于LED型光源。

参照图4，示出红色波段、绿色波段和蓝色波段。每个波段具有大约24至27纳米(nm)的半高全宽(full width at half maximum，FWHM)。因此，如图4中所示，在LED型光源被用作显示装置的背光的情况下，多个波段的带宽可被设置为大约25nm。也就是说，多个波段的带宽可被设置为对应于由光源提供的光的带宽。在使用具有较窄的FWHM的光源(例如，激光器光源)的情况下，波段331、波段333和波段335的带宽可被设置为更窄，以对应于相应的FWHM。例如，激光器光源可具有大约1nm的FWHM。当多个波段的每个波段的带宽相对窄时，针对多个波段的透射率可被设置为相对低。根据示例性实施例，当多个波段的每个波段的带宽比预定带宽窄时，透射率被设置为小于预定透射率。因此，针对多个波段的反射率可增加，HUD系统的光效率可提高。例如，针对LED型，针对多个波段的透射率可被设置为第一透射率，针对激光器型，针对多个波段的透射率可被设置为第二透射率。其中，第一透射率可大于第二透射率。

图5示出根据示例性实施例的用于HUD的光学元件的透射特性和反射特性。参照图5，光学元件500可透射光510和光520的一部分，并反射它们的剩余部分。光510可以是由光源提供的多个波段的光，并且可对应于HUD图像。光520可以是从车辆外部进入的光，并且可对应于诸如太阳光的外部光。

如参照图3所述，光学元件500可包括针对多个波段(例如，红色波段、绿色波段和蓝色波段)的光具有80％的透射率的多波段涂层。因此，光510的20％可被光学元件500反射并被提供给用户，光510的剩余80％可穿过光学元件500。此外，在光520之中，多个波段的光的20％可被光学元件500反射，多个波段的光的80％以及其余的可见光波段的光可穿过光学元件500并被提供给用户。在图3的示例中，其余的可见光波段的光的97％可穿过光学元件500并被提供给用户。

用户可通过光520的穿过光学元件500的部分来观看车辆外部的对象或背景，可通过光510的由光学元件500反射的部分来观看HUD图像的虚拟图像。由于光520的大部分可被提供给用户，因此，用户可通过用户前方的自然场景来针对光学元件500观看AR级HUD信息。

图6是示出根据示例性实施例的挡风玻璃的可见光透射率的曲线图，图7是示出根据示例性实施例的用于HUD的光学元件的可见光透射率的曲线图。可使用光学仿真工具来获得图6和图7的曲线图。

参照图6，挡风玻璃呈现大约84％的可见光透射率。这里，挡风玻璃可表示未安装光学元件的部分。图7的曲线图示出在参照图3和图4描述的条件下光学元件的可见光透射率。该条件可包括使用参考图4描述的LED型光源，将多波段涂层的透射率以及红色波段、绿色波段和蓝色波段分别设置为80％和25nm，并将针对其余的可见光波段的透射率设置为97％。参照图7，光学元件呈现大约84％的可见光透射率。详细地讲，基于参照图3描述的光学涂层，光学元件的可见光透射率和挡风玻璃的未安装光学元件的部分的可见光透射率可处于相等的水平。在这个示例中，安装光学元件的部分与它的相邻部分之间的可见光透射率差可被最小化或降低，因此，光学元件的可见性问题可被减小。

同时，在使用LED型光源的情况下，多个波段可分别具有450nm至480nm、510nm至540nm以及620nm至650nm的范围。通常，挡风玻璃针对可见光具有大约80％至85％的透射率。然而，挡风玻璃的透射率可根据挡风玻璃的设计而变化。例如，当构成挡风玻璃的两片玻璃之间使用彩色中间膜或者彩色膜附着到挡风玻璃时，挡风玻璃的透射率可改变。可调节光学元件的可见光的透射率以对应于挡风玻璃的可见光的透射率。

为了提高HUD系统的效率，针对多个波段的透射率可被降低。也就是说，针对多个波段的反射率可被提高。HUD系统的效率可对应于与由光源提供的光的强度相比提供给用户的虚拟图像的亮度。当在保持LED型光源的同时针对多个波段的透射率被降低时，光学元件的可见性可提高。当使用具有相对窄带宽的光源(例如，激光器光源)时，尽管针对多个波段的透射率被降低，但是光学元件的可见性不可提高。也就是说，可使用具有相对窄带宽的光源，在不提高光学元件的可见性的情况下，提高HUD系统的效率。

图8示出根据示例性实施例的用于HUD的光学元件的透射特性和反射特性，图9是示出根据示例性实施例的解释用于HUD的光学元件的可见光透射率的结果的曲线图。图8和图9示出使用激光器型光源的示例。

参照图8，光810可以是由光源提供的多个波段，并且对应于HUD图像。光820可以是从车辆外部的外部光源提供的光，并且对应于诸如太阳光的外部光。与图5的示例不同，光学元件800可包括针对多个波段(例如，红色波段、绿色波段和蓝色波段)的光具有50％的透射率的多波段涂层。因此，光810的50％可被光学元件800反射并被提供给用户，光810的剩余50％可穿过光学元件800。此外，在光820之中，多个波段的光的50％可被光学元件800反射，多个波段的光的剩余50％以及其余的可见光波段的光可穿过光学元件800并被提供给用户。

图9的曲线图示出在使用激光器型光源将红色波段、绿色波段和蓝色波段带宽以及多波段涂层的透射率分别设置为5nm和50％，并将针对其余的可见光波段的透射率设置为97％的条件下，使用光学仿真工具获得的光学元件的可见光透射率。波段910至波段930可以是多个波段，并分别对应于红色、绿色和蓝色。

图9的多个波段中的每个波段的带宽可比图4的多个波段中的每个波段的带宽窄。当多个波段中的每个波段的带宽相对窄时，针对多个波段的透射率可被设置为相对低。也就是说，针对多个波段的反射率可被设置为相对高。为了减小光学元件的可见性，光学元件针对可见光波段的透射率可需要被保持在适当的水平。当多个波段的中的每个波段的带宽相对窄时，尽管针对多个波段中的每个波段的反射率被提高，但是光学元件针对可见光的透射率可被保持在适当的水平。当针对多个波段的反射率相对高时，由光源提供的相对大部分的光可被提供给用户，这可提高HUD系统的光效率。例如，当使用LED作为光源时，光效率可处于20％的水平，当使用激光器作为光源时，光效率可处于50％的水平。

参照图9，光学元件呈现大约84％的可见光透射率。如参照图6所述，挡风玻璃具有大约84％的可见光透射率。因此，光学元件的可见光透射率和挡风玻璃的未安装光学元件的部分的可见光透射率可处于相等的水平。因此，在使用激光器光源的情况下，尽管针对多个波段的反射率被增加，但是与光学元件相关的可见性问题可被最小化或降低。

图10示出根据示例性实施例的菲涅耳透镜的操作部分。参照图10，菲涅耳透镜1000可包括：包含第一方向D1的倾斜表面的第一部分1010、包含第二方向D2的倾斜表面的第二部分1020以及邻近中心轴的第三部分1030。第一部分1010和第二部分1020还可被称为离轴部分。

为了防止或降低由挡风玻璃反射的光或者不期望的噪声光进入用户的视野，菲涅耳透镜1000的离轴部分可用于使由菲涅耳图案的光学涂层表面反射的光和由挡风玻璃反射的光沿着不同的路径传播。此外，由于挡风玻璃倾斜大约30度至40度，因此，可考虑与HUD图像对应的光被投影的角度，以便容易地将光沿着朝向用户的方向透射。在一个示例中，基于HUD图像被投影到用户的角度，菲涅耳图案层可包括第一部分1010或者第二部分1020。例如，第二部分1020可形成与HUD图像对应的光被提供给用户的角度，第一部分1010可形成与HUD图像对应的光的相对少的部分提供给用户的角度。然而，当第一部分1010被翻转时，第一部分1010可变成第二部分1020。因此，可选择性地使用第一部分1010和第二部分1020中的一个。

图11A和图11B示出根据示例性实施例的针对菲涅耳透镜的操作部分的光的传播路径。在一个示例中，菲涅耳图案层可包括菲涅耳透镜的多个部分中的与HUD图像被投影到用户的角度对应的一部分。参照图11A和图11B，光学元件1110可包括具有沿第一方向形成的倾斜表面的菲涅耳图案层，光学元件1120可包括具有沿第二方向形成的倾斜表面的菲涅耳图案层。在θ表示光学元件1110和光学元件1120中的每个与水平线之间的角度的情况下，例如，θ可以是30度至40度。多波段涂层可形成在光学元件1110和光学元件1120中的每个的菲涅耳图案层上。多波段涂层可反射进入光学元件1110和光学元件1120中的每个的光。在一个示例中，多波段涂层可形成在菲涅耳图案的倾斜表面上。进入菲涅耳透镜的边缘的光可能会成为噪声光。因此，通过仅对布菲涅耳图案的倾斜表面进行涂覆，可抑制或降低对于用户作为噪声的光的发生。

根据示例性实施例，光学元件1110的多波段涂层可形成在第一方向的倾斜表面上。参照图11A，形成在第一方向的倾斜表面上的多波段涂层可以以相对低的概率朝着用户反射与HUD图像对应的光。因此，包括光学元件1110的HUD系统的光效率可能相对低。如果朝着用户反射的与HUD图像对应的光不存在，则用户可能看不到HUD图像的虚拟图像。

根据示例性实施例，光学元件1120的多波段涂层可形成在第二方向(例如，与光学元件1110的第一方向相反的方向)的倾斜表面上。参照图11B，形成在第二方向的倾斜表面上的多波段涂层可以以相对高概率朝着用户反射与HUD图像对应的光1121。因此，当与包括光学元件1110的情况相比时，包括光学元件1120的HUD系统的光效率可能相对高。此外，从诸如太阳光的外部光源提供的噪声光1123可在挡风玻璃的表面上反射并向下被去除，而不是朝着用户传播。从另一位置提供的噪声光1125也可通过多波段涂层向下被去除。

图12示出根据示例性实施例的眼睛的分辨能力，图13示出根据示例性实施例的菲涅耳图案的结构和尺寸。参照图12，人类眼睛具有大约1弧分(arcmin)或大约1/60度的分辨能力。如果对象的大小小于或等于0.3毫米(mm)，则用户可能无法识别距用户1米(m)距离处的对象。需要在小于1弧分的大小的情况下制造菲涅耳图案，使得挡风玻璃上的菲涅耳图案对眼睛不可见。当用于车辆的HUD系统将挡风玻璃与用户之间的距离设置在750mm内时，菲涅耳图案可被制造为具有小于220微米(μm)的大小。参照图13，可以以包括间距和高度的三角棱镜(trigonal-prismatic)形式来定义菲涅耳图案。在这个示例中，菲涅耳图案可针对间距和高度中的较大一个被制造为具有小于220μm的大小。换言之，菲涅耳透镜层的间距的大小被制造为小于用户眼睛的分辨能力。

图14示出根据示例性实施例的制造用于HUD的光学元件的过程。参照图14，在操作1410中，可准备具有菲涅耳图案凹槽的模具和涂有树脂的第一膜。这里，树脂可以是UV树脂或热固性树脂。在操作1420中，制造装置可使用模具挤压涂有树脂的第一膜，并使用由模具挤压的第一膜来硬化第一膜的树脂。在此，硬化的树脂可对应于菲涅耳图案。在操作1430中，制造设备可释放模具。在操作1440中，例如，制造设备可使用真空沉积，在硬化的树脂上形成多波段涂层。多波段涂层可在形成在硬化的树脂的倾斜表面上。

在操作1450中，可准备涂有树脂的第二膜。这里，树脂可以是UV树脂或者热固性树脂。操作1410的树脂和操作1450的树脂可具有相同的折射率。在操作1460中，制造装置可将形成多波段涂层的菲涅耳图案层翻转，并使用附着到涂有树脂的第二膜的菲涅耳图案层来硬化第二膜的树脂。这里，第二膜的硬化的树脂可对应于浸没层。在操作1470中，可获得包括菲涅耳图案层、多波段涂层和浸没层的光学元件。

可使用卷对卷(roll-to-roll，R2R)处理来制造光学元件。还可通过除了操作1410至操作1470之外的处理来制造光学元件。例如，可使用用于半导体制造的蚀刻来制造菲涅耳图案，可通过反转地附着两片菲涅耳图案膜来制造浸没层。

图15示出根据示例性实施例的用于阻挡外部光的HUD系统。参照图15，显示装置1510可输出HUD图像。显示装置1510可包括：被配置为提供第一多个波段的光的光源和被配置为显示HUD图像的显示面板。在图15中，第一多个波段如R1、G1和B1所示，第二多个波段如R2、G2和B2所示。R1、G1和B1可分别是对应于红色光的第一波段的一部分、对应于绿色光的第二波段的一部分以及对应于蓝色光的第三波段的一部分。R2、G2和B2可分别是从第一波段排除第一多个波段的剩余者的至少一部分、从第二波段排除第一多个波段的剩余者的至少一部分以及从第三波段排除第一多个波段的剩余者的至少一部分。将参照图16进一步描述第一多个波段和第二多个波段。

光源可将第一多个波段的光提供给第一光学元件1520和第一光学元件1530。第一光学元件1520和第一光学元件1530均可以是非球面镜或者反射镜。图15示出两个光学元件(例如，第一光学元件1520和第一光学元件1530)。然而，基于显示装置1510与挡风玻璃之间的角度，可使用单个光学元件来代替第一光学元件1520和第一光学元件1530。第一光学元件1520和第一光学元件1530均可包括多波段涂层。多波段涂层可反射第一多个波段的光并透射第二多个波段的光。在一个示例中，多波段涂层可仅应用于第一光学元件1530。

可针对第一多个波段和第二多个波段来设置第一光学元件1520和第一光学元件1530的透射率。例如，第一光学元件1520和第一光学元件1530可被设置为反射第一多个波段的大部分光，并透射第二多个波段的大部分光。在这个示例中，针对第一多个波段的透射率可被设置为接近0％，针对第二多个波段的透射率可被设置为接近100％。

第二光学元件1540可包括：被配置为放大HUD图像的虚拟图像的菲涅耳图案层，应用了与第一光学元件1520和第一光学元件1530相同的涂层的多波段涂层以及具有与菲涅耳图案层相同折射率的浸没层。第二光学元件1540的多波段涂层可反射由第一光学元件1520和第一光学元件1530反射的第一多个波段的光以及从车辆外部的外部光源提供的光之中的第一多个波段R1、G1和B1的光，并透射从车辆外部的外部光源提供的第二多个波段R2、G2和B2的光。根据示例性实施例，第二光学元件1540的反射率可基于挡风玻璃反射第一多个波段的反射率被设置，以将第二光学元件1540的可见度保持在预定水平。

可通过第一光学元件1520和第一光学元件1530以及第二光学元件1540，将从光源提供的第一多个波段的光提供给用户，第二多个波段的光可穿过第一光学元件1520和第一光学元件1530以及第二光学元件1540。因此，传播到显示装置1510的外部光可被阻挡，显示装置1510的过热和显示装置1510上的噪声光(诸如，闪烁(flare))可被防止或降低。

图16是示出根据示例性实施例的用于阻挡外部光的多波段涂层的透射特性的曲线图。参照图16，示出对应于红色的第一波段1615、对应于绿色的第二波段1613以及对应于蓝色的第三波段1611。在图16中，第一多个波段如R1、G1和B1所示。R1、G1和B1可分别属于作为第一波段1615的一部分的波段1625、作为第二波段1613的一部分的波段1623以及作为第三波段1611的一部分的波段1621。在图16中，第二多个波段如R2、G2和B2所示。R2、G2和B2可分别属于从第一波段1615排除第一多个波段的剩余者的至少一部分1635、从第二波段1613排除第一多个波段的剩余者的至少一部分1633以及从第三波段1611排除第一多个波段的剩余者的至少一部分1631。图15的第一光学元件1530和第二光学元件1540均可包括与图16的曲线图对应的多波段涂层。多波段涂层可针对第一多个波段R1、G1和B1具有接近0％的透射率，并针对第二多个波段R2、G2和B2具有接近100％的透射率。

图17示出根据示例性实施例的显示装置和镜。参照图17，显示装置1710可包括显示面板1711、漫射器(diffuser)1713和光源1715。显示面板1711可显示HUD图像。显示面板1711可包括液晶显示器(LCD)面板或者诸如数字光处理器(DLP)或硅基液晶(LCoS)的空间光调制器(SLM)。在一个示例中，显示面板1711和光源1715可被组合，例如，显示面板1711和光源1715可以以LED装置的形式被组合。光源1715可将多个波段的光提供给显示面板1711，并且光源1715可以是LED型或者激光器型。在图17中，红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)被示为多个波段的光的示例。显示面板1711可使用从光源1715提供的多个波段的光作为背光。

漫射器1713可插入在显示面板1711与光源1715之间以确保光均匀度。镜1720和镜1730可朝着挡风玻璃的光学元件反射由光源1715提供的多个波段的光。镜1720和镜1730中的一个可以是非球面镜，镜1720和镜1730中的另一个可以是反射镜。非球面镜可调节光的传播路径以校正HUD图像的失真或放大HUD图像。反射镜可以是平面镜，并可调节光的传播路径。图17示出两个镜(例如，镜1720和镜1730)。然而，示例性实施例不限于此，基于显示装置1710与挡风玻璃之间的角度，可仅使用镜1720和镜1730中的一个。

图18示出根据示例性实施例的包括投影光学元件的HUD系统。图18示出使用投影光学元件代替镜作为光学元件的示例。参照图18，显示装置1810可包括显示面板1811、漫射器1813和光源1815。由光源1815提供的多个波段的光可通过显示面板1811和漫射器1813提供给投影光学元件1820。投影光学元件1820可包括至少一个光学透镜。投影光学元件1820可改变与HUD图像对应的光的传播路径，以校正HUD图像的失真或者放大HUD图像。穿过投影光学元件1820的多个波段的光可被提供给包括菲涅耳图案的光学元件1830。

图19示出根据示例性实施例的包括三维(3D)光学层的HUD系统。图19示出提供3DHUD图像的示例。参照图19，显示装置1910可包括3D光学层1911、显示面板1913、漫射器1915和光源1917。3D光学层1911可以是视差屏障、柱状透镜和定向背光单元中的一个，并将HUD图像转换成3D图像。图19示出3D光学层1911位于显示面板1913的前表面。当3D光学层1911是定向背光单元时，3D光学层1911可被布置在显示面板1913的后表面并代替光源1917。镜1920和镜1930中的一个可以是半球面镜，镜1920和镜1930中的另一个可以是反射镜。图19示出两个镜(例如，镜1920和镜1930)。然而，示例性实施例不限于此，基于显示装置1910与挡风玻璃之间的角度，可仅使用镜1920和镜1930中的一个。

图20示出根据示例性实施例的用于眼镜的HUD系统，图21示出根据示例性实施例的与用于眼镜的HUD系统相关的光的路径。图20和图21示出通过眼镜而不是车辆的挡风玻璃来提供HUD图像的示例。图20和图21的示例可应用于智能眼镜。参照图20，HUD系统2000可包括显示装置2010、光学透镜2020和光学元件2030。显示装置2010可以是SLM。显示装置2010可提供与HUD图像对应的多个波段的光。光学透镜2020可改变与HUD图像对应的光的路径，以校正HUD图像的失真或者放大HUD图像。光学元件2030可包括菲涅耳图案层、多波段涂层以及浸没层，并放大HUD图像的虚拟图像。因此，HUD系统2000可通过宽的FOV来提供AR级HUD信息。在图21中，示出了由显示装置2110提供的多个波段的光通过光学透镜2120、光学元件2130和瞳孔2140到达视网膜2150所沿的路径。

可使用硬件组件和软件组件来实现在此描述的单元。例如，硬件组件可包括麦克风、放大器、带通滤波器、音频数字转换器、非暂时性计算机存储器和处理装置。例如，可使用一个或多个通用或专用计算机(诸如，处理器、控制器和算术逻辑单元、数字信号处理器、微型计算机、现场可编程阵列、可编程逻辑单元、微处理器或者能够以限定的方式响应和执行指令的任何其他装置)来实现处理装置。处理装置可运行操作系统(OS)以及在OS上运行的一个或多个软件应用。响应于软件的执行，处理装置还可访问、存储、操作、处理和创建数据。为了简明的目的，处理装置的描述被用作单数，然而，本领域的技术人员将理解，处理装置可包括多个处理元件以及多种类型的处理元件。例如，处理装置可包括多个处理器或一个处理器和一个控制器。此外，不同的处理配置是可能的，诸如并行处理器。

软件可包括计算机程序、代码段、指令或它们的某种组合，用于独立地或共同地指导或配置处理装置以按照期望进行操作。软件和数据可以以任何类型的机器、组件、物理装备或虚拟装备、计算机存储介质或装置、或者以能够将指令或数据提供到处理装置或者能够由处理装置解释的传播信号波来永久地或暂时性地实现。软件还可分布在联网的计算机系统上，以使软件以分布式的方式被存储和被执行。软件和数据可由一个或多个非暂时性计算机可读记录介质来存储。

根据上述示例性实施例的方法可被记录在包括程序指令的非暂时性计算机可读介质中，以实现上述示例实施例的各种操作。介质还可单独地包括程序指令、数据文件、数据结构等或与程序指令、数据文件、数据结构等相结合。记录在介质上的程序指令可以是为了示例性实施例的目的而专门设计和构造的程序指令，或者它们可以是公知的种类并且是计算机软件领域的技术人员可用的。非暂时性计算机可读介质的示例包括：磁介质(诸如，硬盘、软盘和磁带)；光学介质(诸如，CD ROM盘、DVD和/或蓝光盘)；磁光介质(诸如光盘)；以及被专门配置为存储和执行程序指令的硬件装置(诸如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存(例如，USB闪存驱动器、存储器卡、记忆棒等)等)。程序指令的示例包括机器代码(诸如由编译器产生的代码)以及包含可由计算机使用解释器执行的高级代码的文件二者。上述装置可被配置为作为一个或多个软件模块以执行上述示例性实施例的操作，反之亦然。

虽然已经参照附图描述了一个或多个示例性实施例，但是本领域普通技术人员将理解：在不脱离由权利要求所定义的精神和范围的情况下可对其进行形式和细节上的各种修改。

Claims (26)

1.一种用于平视显示的光学元件，所述光学元件包括：

菲涅耳图案层，被配置为放大平视显示图像的虚拟图像；

形成在菲涅耳图案层上的多波段涂层，多波段涂层被配置为：从光源接收多个波段的光，并基于针对所述多个波段中的每个设置的透射率来透射所述多个波段的光的一部分；

形成在多波段涂层上的浸没层，浸没层的折射率等于菲涅耳图案层的折射率。

2.根据权利要求1所述的光学元件，所述多个波段包括：对应于红色光的波段、对应于绿色光的波段以及对应于蓝色光的波段。

3.根据权利要求1所述的光学元件，其中，针对所述多个波段中的每个来设置透射率，使得针对白色光的透射率被保持在预定水平。

4.根据权利要求1所述的光学元件，其中，基于光学元件针对挡风玻璃的可见度来设置透射率。

5.根据权利要求1所述的光学元件，其中，当所述多个波段的每个波段的带宽比预定带宽窄时，透射率被设置为小于预定透射率。

6.根据权利要求1所述的光学元件，其中，当光源是发光二极管时，透射率被设置为第一透射率，并且当光源是激光器时，透射率被设置为第二透射率，

第一透射率高于第二透射率。

7.根据权利要求1所述的光学元件，其中，多波段涂层形成在菲涅耳图案层的至少一个倾斜表面上。

8.根据权利要求1所述的光学元件，其中，基于平视显示图像被投影到用户的角度，菲涅耳图案层包括：包括至少一个倾斜表面的菲涅耳透镜的至少一部分。

9.根据权利要求8所述的光学元件，其中，菲涅耳透镜包括：包含第一方向的倾斜表面的第一部分、包含第二方向的倾斜表面的第二部分以及邻近中心轴的第三部分，

其中，菲涅耳图案层包括第一部分或者第二部分。

10.根据权利要求1所述的光学元件，其中，光学元件插入到挡风玻璃或者以膜的形式附着到挡风玻璃。

11.一种平视显示系统，包括：

光源，被配置为发射用于平视显示图像的多个波段的光；

第一光学元件，被配置为调节所述多个波段的光；

第二光学元件，包括：第一层，被配置为放大平视显示图像的虚拟图像；第二层，被配置为基于针对所述多个波段设置的透射率来透射所述多个波段的光的一部分；第三层，具有与第一层相同的折射率。

12.根据权利要求11所述的平视显示系统，其中，所述多个波段包括：对应于红色光的波段、对应于绿色光的波段以及对应于蓝色光的波段。

13.根据权利要求11所述的平视显示系统，其中，第一光学元件包括：至少一个镜或者至少一个投影光学元件。

14.根据权利要求11所述的平视显示系统，其中，针对所述多个波段中的每个来设置透射率，使得针对白色光的透射率被保持在预定水平。

15.根据权利要求11所述的平视显示系统，其中，透射率在光源是发光二极管时被设置为第一透射率，并且在光源是激光器时被设置为第二透射率，

其中，第一透射率高于第二透射率。

16.根据权利要求11所述的平视显示系统，其中，第二层形成在第一层的倾斜表面上。

17.根据权利要求11所述的平视显示系统，其中，基于平视显示图像被投影到用户的角度，第一层包括：包括至少一个倾斜表面的菲涅耳透镜的至少一部分。

18.根据权利要求11所述的平视显示系统，还包括：

显示面板，被配置为显示平视显示图像；

三维光学层，被配置为将平视显示图像转换为三维图像。

19.一种平视显示平视显示系统，包括：

光源，被配置为提供用于平视显示图像的第一多个波段的光；

第一光学元件，被配置为：反射由光源提供的第一多个波段的光，并透射从外部光源提供的第二多个波段的光；

第二光学元件，包括：第一层，被配置为放大平视显示图像的虚拟图像；第二层，被配置为反射由第一光学元件反射的所述第一多个波段的光以及从外部光源提供的所述第一多个波段的光，并透射从外部光源提供的所述第二多个波段的光；以及第三层，其中，第三层的折射率等于第一层的折射率。

20.根据权利要求19所述的平视显示系统，其中，所述第一多个波段包括：对应于红色光的第一波段的一部分、对应于绿色光的第二波段的一部分以及对应于蓝色光的第三波段的一部分，

所述第二多个波段包括：从第一波段排除所述第一多个波段的剩余者的至少一部分、从第二波段排除所述第一多个波段的剩余者的至少一部分以及从第三波段排除所述第一多个波段的剩余者的至少一部分。

21.一种平视显示系统，包括：

光源，被配置为发射用于平视显示图像的第一多个波段的光；

第一光学元件，被配置为反射所述第一多个波段的光；

第二光学元件，被配置为反射从第一光学元件反射的所述第一多个波段的光，第二光学元件包括：

菲涅耳图案层，包括具有倾斜表面的至少一个菲涅耳透镜；

形成在所述至少一个菲涅耳透镜的倾斜表面上的多波段涂层，多波段涂层被配置为：基于针对所述第一多个波段中的每个设置的反射率来反射所述多个第一波段的光；

形成在多波段涂层上的浸没层，浸没层的折射率等于菲涅耳图案层的折射率。

22.根据权利要求21所述的平视显示系统，其中，第二光学元件被配置为：

基于设置的反射率反射从外部光源提供的所述第一多个波段的光；

透射从外部光源提供的第二多个波段的光。

23.根据权利要求22所述的平视显示系统，其中，所述第一多个波段包括：对应于红色光的第一波段的一部分、对应于绿色光的第二波段的一部分以及与对应于蓝色光的第三波段的一部分，

所述第二多个波段包括：从第一波段排除所述第一多个波段的剩余者的至少一部分、从第二波段排除所述第一多个波段的剩余者的至少一部分、从第三波段排除所述第一多个波段的剩余者的至少一部分。

24.根据权利要求21所述的平视显示系统，其中，倾斜表面以投影到用户的平视显示图像的角度，被倾斜。

25.根据权利要求21所述的平视显示系统，其中，第二光学元件被插入到挡风玻璃，

其中，反射率基于挡风玻璃反射所述第一多个波段的反射率被设置，以将第二光学元件的可视度保持在预定水平。

26.根据权利要求21所述的平视显示系统，其中，菲涅耳透镜层的间距的大小被设置为小于用户眼睛的分辨能力。