CN109991737A - 光学投影系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学投影的技术领域，提供了一种光学投影系统，包括：显示单元，用于投射图像；透镜单元，用于放大由显示单元投射的图像；匀光单元，用于将经透镜单元放大的图像均匀地投射到车辆挡风玻璃上，匀光单元位于透镜单元的出光方向上。通过显示单元投射图像，透镜单元能够放大显示单元所透射的图像，且透镜单元将放大后的图像透射到匀光单元上，匀光单元再将接收到的图像均匀地投射到车辆挡风玻璃上。如此，显示单元所投射的图像在透镜单元的放大下，扩大了图像的尺寸，该图像再经过匀光单元均匀地投射到车辆挡风玻璃上，大大增加了投射在车辆挡风玻璃上图像的面积，也就是说，提升了光学投影系统出射窗口的面积。

Description

光学投影系统
技术领域
本发明属于光学投影的技术领域，更具体地说，是涉及一种光学投影系统。
背景技术
抬头显示器是一种新型车载显示技术，同时也是一种增强显示技术，可以直接让信息叠加到驾驶员所看到的真实场景中，让驾驶员在驾驶的过程中不用低头看仪表盘，从而提升驾驶的安全性。传统的座舱显示通常可以理解为显示器。这类显示器都需要让驾驶员低头并注视在显示器上才能看清信息。抬头显示器作为一种无需改变头部姿势的同时，可以给驾驶员传递信息。现有的HUD(平视显示器：Head Up Display，简称HUD)系统通常可以分为组合器式HUD和挡风玻璃反射式HUD。由于HUD光学技术上需要非常大的出射窗口，从而让驾驶员头部在一定范围内活动的时候不影响其显示效果。组合器式HUD，其组合器离驾驶员更近，所以其需要的出射窗口可以更小，设计难度不大。挡风玻璃反射式HUD，由于挡风玻璃距离人眼教远，达到同样的视场角所需要的出射窗口更大，这样会增加整个光学系统的设计难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光学投影系统，以解决现有技术中存在的挡风玻璃反射式平视显示器出射窗口太小技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种光学投影系统，包括：
显示单元，用于投射图像；
透镜单元，用于放大由所述显示单元投射的所述图像；
匀光单元，用于将经所述透镜单元放大的所述图像均匀地投射到车辆挡风玻璃上，所述匀光单元位于所述透镜单元的出光方向上。
进一步地，所述匀光单元为平面光波导，所述平面光波导具有供光线传播的导光层，所述匀光单元具有用于将所述透镜单元放大后的所述图像耦合进所述导光层的耦合部，所述导光层中形成有用于将所述导光层中光线反射出所述平面光波导的反射层。
进一步地，所述反射层为两种折射率不同的介质的交界面。
进一步地，所述反射层的数量为多层，多层所述反射层呈同心圆分布，所述耦合部位于所述同心圆的圆心。
进一步地，在所述同心圆的径向方向上，相邻的两个所述反射层之间的距离相同。
进一步地，多层所述反射层的反射率在所述同心圆的径向方向上依次增强。
进一步地，所述光学投影系统还包括反射单元，所述透镜单元包括用于将所述显示单元投射的所述图像投影到所述反射单元上的前镜片组和用于将从所述反射单元反射的所述图像耦合进所述匀光单元的后镜片组。
进一步地，所述反射单元为反射镜。
进一步地，所述反射单元位于所述前镜片组和所述后镜片组之间的光轴上。
进一步地，所述透镜单元具有两个实焦点，所述显示单元位于一个所述实焦点上，所述匀光单元位于另一个所述实焦点上。
本发明提供的光学投影系统的有益效果在于：与现有技术相比，本发明光学投影系统通过显示单元投射图像，透镜单元能够放大显示单元所投射的图像，且透镜单元将放大后的图像投射到匀光单元上，匀光单元再将接收到的图像均匀地投射到车辆挡风玻璃上。如此，显示单元所投射的图像在透镜单元的放大下，扩大了图像的尺寸，该图像再经过匀光单元均匀地投射到车辆挡风玻璃上，大大增加了投射在车辆挡风玻璃上图像的的面积，也就是说，提升了光学投影系统出射窗口的面积。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的光学投影系统的主视示意图；
图2为本发明实施例提供的匀光单元的主视示意图。
其中，图中各附图标记：
1-显示单元；2-透镜单元；21-光轴；22-前镜片组；23-后镜片组；3-匀光单元；31-导光层；32-反射层；33-入射光；34-出射光；4-反射单元；5-车辆挡风玻璃。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请一并参阅图1和图2，现对本发明提供的光学投影系统进行说明。光学投影系统，包括：显示单元1、透镜单元2和匀光单元3。
显示单元1用于投射图像(未图示)；
透镜单元2用于放大由显示单元1投射的图像；
匀光单元3用于将经透镜单元2放大的图像均匀地投射到车辆挡风玻璃5上，匀光单元3位于透镜单元2的出光方向(未图示)上。
通过显示单元1投射图像，透镜单元2能够放大显示单元1所投射的图像，且透镜单元2将放大后的图像投射到匀光单元3上，匀光单元3再将接收到的图像均匀地投射到车辆挡风玻璃5上。如此，显示单元1所投射的图像在透镜单元2的放大下，扩大了图像的尺寸，该图像再经过匀光单元3均匀地投射到车辆挡风玻璃5上，大大增加了投射在车辆挡风玻璃5上图像的的面积，也就是说，提升了光学投影系统出射窗口的面积。
其中，在本实施例中，显示单元1能够投射图像，显示单元1可以是指能够直接投射图像的设备(比如显示器)；显示单元1也可以是通过背光照射到需要投射出去的位置或者物体(比如类似幻灯片放映机)后所产生的反射光投射到透镜单元2的设备。只要该显示单元1能够投射出图像即可，此处不作唯一限定。此处的图像的“投射”也可以理解为图像的“输出”的意思。另外，此处所指的投射“图像”，是指投射出组成“图像”的光线。
其中，在本实施例中，透镜单元2用于放大显示单元1投射出来的图像。透镜单元2可以是单块透镜，也可以是多块透镜的透镜组，还可以是离散的多个透镜组，只要该透镜单元2能够放大显示单元1投射过来的图像即可，此处不作唯一限定。
其中，在本实施例中，匀光单元3能将透镜单元2放大后的图像均匀投射到车辆挡风玻璃5上。此处的均匀，指的是，当单色光经过匀光单元3的时候，该单色光投射在车辆挡风玻璃5上的光能密度是相同的。如果是多色光，则每一种颜色的光投射在车辆挡风玻璃5上的光能密度是相同的。
进一步地，请参阅图1和图2，作为本发明提供的光学投影系统的一种具体实施方式，匀光单元3为平面光波导，平面光波导具有供光线传播的导光层31，匀光单元3具有用于将透镜单元2放大后的图像耦合进导光层31的耦合部(未图示)，导光层31中形成有用于将导光层31中光线反射出平面光波导的反射层32。
在本实施例中，匀光单元3为平面光波导。可选地，该平面光波导为薄膜光波导，或者是全息光波导片；平面光波导具有供光线传播的导光层31，此处，光线在导光层31中传播的时候，是被限制在导光层31中的。另外，该平面光波导有可能只包括导光层31，也可以除了该导光层31之外还有其他的层来当作导光层31的基底；透镜单元2具有用于将放大后的图像耦合进导光层31的耦合部，通过耦合部，经过透镜单元2放大后的图像(“经过透镜单元2放大后的图像”的光为入射光33)能够耦合进导光层31进行传播。此处所说的将“放大后的图像”耦合进导光层31，指的是放大后图像的光线耦合进导光层31；导光层31中形成有反射层32，该反射层32用于将导光层31中的光线反射出平面光波导。如此，显示单元1投射出来的图像经过透镜单元2并进入匀光单元3时，该图像被耦合部耦合进导光层31，在导光层31中传播的图像的光线再经过位于导光层31中的反射层32反射出平面光波导并出射在车辆挡风玻璃5上，这样图像先在平面光波导中导光层31的延伸方向传播一定距离后再经过反射层32反射出来，大大提升了图像投影在车辆挡风玻璃5上的面积，也就是提升了本光学投影系统的出射窗口。
进一步地，请参阅图1和图2，作为本发明提供的光学投影系统的一种具体实施方式，反射层32为两种折射率不同的介质的交界面。
在本实施例中，反射层32是两者折射率不同的介质的交界面所形成。由于相邻的两种介质的折射率是不同的，因此在导光层31中传播的光线遇到该交界面时会出现部分反射和部分透射，反射的部分光线(如：出射光34)直接穿过平面光波导投影在汽车挡风玻璃上。透射的部分则继续沿着导光层31传播，直到该透射的光线再次遇到下一个反射层32后，该透射的光线再次被部分反射出平面光波导和部分透射。这样，随着在导光层31中的光经过不同的反射层32逐步地被反射出平行光波导后投影在车辆挡风玻璃5上并形成均匀的图像。
进一步地，请参阅图1和图2，作为本发明提供的光学投影系统的一种具体实施方式，反射层32的数量为多层，多层反射层32呈同心圆分布，耦合部位于同心圆的圆心。
其中，反射层32是环绕在经过耦合部并垂直于平面光波导的轴线的外侧。
在本实施例中，反射层32的层数为多层，且该多层反射层32是呈同心圆分布。如此，当经过透镜单元2放大后的图像耦合进导光层31的时候，无论该图像的光线沿导光层31的哪个方向传播，该图像的光线所遇到的反射层32都是一样的，保障了匀光单元3出光到车辆挡风玻璃5的均匀性。
进一步地，请参阅图1和图2，作为本发明提供的光学投影系统的一种具体实施方式，在同心圆的径向方向上，相邻的两个反射层32之间的距离相同。
在本实施例中，在上述同心圆的径向方向上，相邻的两个反射层32之间的距离是相同的。如此，反射层32在同心圆的径向方向上等间距地分布，使得沿导光层31传播并依次经过不同的反射层32反射后投射在车辆挡风玻璃5上的光线更加均匀。
进一步地，请参阅图1和图2，作为本发明提供的光学投影系统的一种具体实施方式，多层反射层32的反射率在同心圆的径向方向上依次增强。
在本实施例中，在上述同心圆的径向方向上，多层反射层32的反射率是依次增强的。由于在导光层31中传播的光线经过多次反射层32的反射之后光能密度会越来越弱，由于在同心圆的径向方向上反射层32的反射率是越来越高的，因此，虽然在同心圆的径向方向上光能密度越来越弱，但是反射层32的反射率的提高保障了被反射层32反射的部分光线的能量密度与被靠近同心圆圆心的反射层32反射的光线的能量密度相同。保障了匀光单元3出光的均匀性。
进一步地，请参阅图1和图2，作为本发明提供的光学投影系统的一种具体实施方式，光学投影系统还包括反射单元4，透镜单元2包括用于将显示单元1投射的图像投影到反射单元4上的前镜片组22和用于将从反射单元4反射的图像耦合进匀光单元3的后镜片组23。
在本实施例中，透镜单元2包括前镜片组22和后镜片组23，该前镜片组22用于将显示单元1投射的图像投影到反射单元4上，后镜片组23用于将经过反射单元4反射的图像耦合进匀光单元3。如此，通过反射单元4改变透镜单元2中原有光轴21的走向，有利于折叠透镜单元2，减少了透镜单元2所占据的空间。也就是说，由于透镜单元2是设置在其光轴21上的，而反射单元4改变了光轴21的走向，同时也就改变了透镜单元2的分布，避免了透镜单元2沿着呈直线的光轴21分布而导致透镜单元2在光轴21方向占用过多的体积。
其中，可选地，后镜片组23是与耦合部相互配合以将从反射单元4反射的图像耦合进匀光单元3的。
进一步地，请参阅图1和图2，作为本发明提供的光学投影系统的一种具体实施方式，反射单元4为反射镜。
在本实施例中，反射单元4为反射镜，使用和安装都比较方便。
进一步地，请参阅图1和图2，作为本发明提供的光学投影系统的一种具体实施方式，反射单元4位于前镜片组22和后镜片组23之间的光轴21上。
在本实施例中，反射单元4是位于前镜片组22和后镜片组23之间的，如此，通过反射单元4改变了透镜单元2光轴21的走向后，使得前镜片组22和后镜片组23被折叠了起来，节省了空间。
进一步地，请参阅图1和图2，作为本发明提供的光学投影系统的一种具体实施方式，透镜单元2具有两个实焦点，显示单元1位于一个实焦点上，匀光单元3位于另一个实焦点上。
在本实施例中，透镜单元2具有两个实焦点，显示单元1位于一个实焦点上，匀光单元3位于另一个实焦点上。如此，显示单元1所投射的图像经过透镜单元2后能够完美地聚焦到匀光单元3上，避免了上述图像经过途径单元到达匀光单元3后出现变形的情况，保障了图像传输的质量。
可选地，请参阅图1和图2，作为本发明提供的光学投影系统的一种具体实施方式，透镜单元2在ZEMAX中的参数如下：(在其他实施例中，透镜单元2还可以为其他参数)
序号 半径/MM 间隔/MM 材料 面型 口径/MM
1 210 8 h-zlaf90 球面 80
2 720 100 球面 80
3 90 15 h-k9l 球面 80
4 150 81 球面 80
5 71 15 h-zlaf90 球面 80
6 424 7 球面 80
7 -181 6 h-k9l 球面 80
8 88 13 80
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.光学投影系统，其特征在于：包括：
显示单元，用于投射图像；
透镜单元，用于放大由所述显示单元投射的所述图像；
匀光单元，用于将经所述透镜单元放大的所述图像均匀地投射到车辆挡风玻璃上，所述匀光单元位于所述透镜单元的出光方向上。
2.如权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于：所述匀光单元为平面光波导，所述平面光波导具有供光线传播的导光层，所述匀光单元具有用于将所述透镜单元放大后的所述图像耦合进所述导光层的耦合部，所述导光层中形成有用于将所述导光层中光线反射出所述平面光波导的反射层。
3.如权利要求2所述的光学投影系统，其特征在于：所述反射层为两种折射率不同的介质的交界面。
4.如权利要求2所述的光学投影系统，其特征在于：所述反射层的数量为多层，多层所述反射层呈同心圆分布，所述耦合部位于所述同心圆的圆心。
5.如权利要求4所述的光学投影系统，其特征在于：在所述同心圆的径向方向上，相邻的两个所述反射层之间的距离相同。
6.如权利要求4所述的光学投影系统，其特征在于：多层所述反射层的反射率在所述同心圆的径向方向上依次增强。
7.如权利要求1至6任一项所述的光学投影系统，其特征在于：所述光学投影系统还包括反射单元，所述透镜单元包括用于将所述显示单元投射的所述图像投影到所述反射单元上的前镜片组和用于将从所述反射单元反射的所述图像耦合进所述匀光单元的后镜片组。
8.如权利要求7所述的光学投影系统，其特征在于：所述反射单元为反射镜。
9.如权利要求7所述的光学投影系统，其特征在于：所述反射单元位于所述前镜片组和所述后镜片组之间的光轴上。
10.如权利要求7所述的光学投影系统，其特征在于：所述透镜单元具有两个实焦点，所述显示单元位于一个所述实焦点上，所述匀光单元位于另一个所述实焦点上。
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