CN110082917B - 车载显示系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种车载显示系统，包括图源模块和光学虚实合成模块；所述图源模块，用于将图像源投射输出虚拟光；所述光学虚实合成模块，包括圆偏片、第一液晶膜片和第二液晶膜片；所述圆偏片，用于将入射的所述虚拟光转变为圆偏光，并将所述圆偏光输出；所述第一液晶膜片，用于根据所述圆偏光的旋性会聚或发散；所述第二液晶膜片，用于根据所述圆偏光的旋性进行反射或透射。本发明中的光学虚实合成模块能够电压调节改变通过其的虚拟光和现实光的比例，从而适应不同的驾驶明暗环境，保证驾驶员正常驾驶的前提下有效获取虚拟光信息。

Description

车载显示系统
技术领域
本发明涉及显示技术领域，具体地，涉及一种车载显示系统。
背景技术
平视显示器(HUD)是应用于汽车上的辅助仪器，驾驶员可以不低头直接查看车速、导航、前方路况等驾驶信息，因此大大提高了驾驶安全性。
通过HUD，驾驶员同时看到虚拟图像信息和现实世界，在不同的驾驶环境下，外界环境光强会发生显著的变化，影响到HUD的能见度。当汽车行驶在隧道、阴雨天、夜晚等环境光很弱的情景中，过亮的虚拟光会影响驾驶员的视线；当车辆行驶在阳光充足的路面时，环境光很强，虚拟信息会被掩盖。因此，在多变的驾驶环境下，驾驶员很难同时有效的获取虚拟信息和现实世界信息。
在现有技术中，Haruhiko Okumura、Aira Hotta等人利用部分透明的菲涅尔反射镜作为组合器实现了HUD的车载显示(文章:Okumura H,Hotta A,Sasaki T,et al.Widefield of view opt ical combiner for augmented real ity head-up displays[C].2018IEEE International Conference on Consumer Electronics(ICCE).IEEE,2018:1-4.)，该文章中的技术消除了由于多表面的反射、菲涅尔结构的固定节距和折射率不匹配导致的衍射产生的重影，这种显示方法由于固定的结构无法自适应地调节外界环境光的强度。
而几何相位液晶器件(GP)(文章：Lee Y H,Tan G,Zhan T,et al.Recentprogress in Pancharatnam–Berry phase optical elements and the applicationsfor virtual/augmented realities[J].Opt ical Data Processing and Storage,2017,3(1):79-88.)，通过控制不同区域液晶分子的指向，对入射光束产生相位调制，具有极高的衍射效率、平板结构、电控转换等特性，在VR/AR显示中有广泛应用。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种车载显示系统，能够改变环境光和虚拟光的相对亮度。
根据本发明提供的车载显示系统，包括图源模块和光学虚实合成模块；
所述图源模块，用于将图像源投射输出虚拟光；
所述光学虚实合成模块，包括圆偏片、第一液晶膜片和第二液晶膜片；所述圆偏片，用于将入射的所述虚拟光转变为圆偏光，并将所述圆偏光输出；所述第一液晶膜片，用于根据所述圆偏光的旋性会聚或发散；所述第二液晶膜片，用于根据所述圆偏光的旋性进行反射或透射；
所述光学虚实合成模块构造为使得所述虚拟光依次透过所述圆偏片、所述第一液晶膜片后通过所述第二液晶膜片反射后依次通过所述第一液晶膜片、圆偏片入射人眼且使得环境光依次透过所述第二液晶膜片、所述第一液晶膜片、所述圆偏片后转变为线偏光后进入人眼。
优选地，当所述虚拟光透过所述圆偏片入射所述第一液晶膜片时，一级衍射光会聚，圆偏光的偏振旋性发生反转，零级光直接透过且偏振状态不变。
优选地，所述第二液晶膜片反射由第一液晶膜片衍射得到的一级衍射光，直接透过零级光；
在一偏振条件内的环境光中的部分反向透过所述第二液晶膜片。
优选地，当环境光入射所述第一液晶膜片时，一级光发散，圆偏光偏振旋性发生反转，零级光直接透过且偏振状态不变；
对于被第二液晶膜片反射回来的虚拟光，经过第一液晶膜片后会聚且圆偏光偏振旋性反向。
优选地，所述第一液晶膜片为几何相位液晶膜片；
所述第二液晶膜片为胆甾相液晶膜片。
优选地，所述第一液晶膜片的衍射效率通过电压进行控制；
所述第一液晶膜片能够通过电压控制改变透过的环境光和虚拟光的相对强度。
优选地，所述图像源包括如下任一种显示器件：
-LCD；
-LED；
-OLED。
优选地，所述圆偏片采用右旋圆偏片。
优选地，所述几何相位液晶膜片采用光配向的方法得到，所述几何相位液晶膜片的组分按重量比包括：E7液晶为99wt％、偶氮染料甲基红MR为1wt％
优选地，所述第二液晶膜片为掺杂左手型手性剂，组分按质量比包括液晶为97wt％,左手型手性剂S5011为3wt％。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明中的光学虚实合成模块能够电压调节改变通过其的虚拟光和现实光的比例，从而适应不同的驾驶明暗环境，保证驾驶员正常驾驶的前提下有效获取虚拟光信息；
2、本发明中的几何相位液晶膜片通过控制不同区域液晶分子的指向，对入射光束产生相位调制，具有极高的衍射效率，更安全稳定；
3、本发明结构简单，设计紧凑，有较广泛的应用前景。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中车载显示系统的示意图；
图2为本发明中右旋圆偏片的工作原理示意图；
图3为本发明中几何相位液晶膜片的液晶分子分布示意图；
图4为本发明中几何相位液晶膜片的液晶分子指向对右旋圆偏光附加相位影响的示意图；
图5为本发明中几何相位液晶膜片对虚拟光作用的一种示意图；
图6为本发明中几何相位液晶膜片的一级衍射效率与电压关系的示意图；
图7为本发明中胆甾相液晶膜片的工作原理示意图；
图8为本发明中几何相位液晶膜片对虚拟光作用的另一种示意图；
图9为本发明中几何相位液晶膜片对环境光作用的示意图；
图中：1为图像源；2为圆偏片；3为第一液晶膜片；4为第二液晶膜片；5为人眼；6为线偏片；7为四分之一波片；8为电压模块。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本实施例中，图1为本发明中车载显示系统的示意图，如图1所示，本发明提供的车载显示系统，包括图源模块和光学虚实合成模块；所述图源模块，用于将图像源1投射输出虚拟光；所述光学虚实合成模块，包括圆偏片2、第一液晶膜片3和第二液晶膜片4；所述圆偏片2，用于将入射的所述虚拟光转变为圆偏光，并将所述圆偏光输出；所述第一液晶膜片3，用于根据所述圆偏光的旋性会聚或发散；所述第二液晶膜片4，用于根据所述圆偏光的旋性进行反射或透射；
所述光学虚实合成模块构造为使得所述虚拟光依次透过所述圆偏片2、所述第一液晶膜片3后通过所述第二液晶膜片4反射后依次通过所述第一液晶膜片3、圆偏片2入射人眼5且使得环境光依次透过所述第二液晶膜片4、所述第一液晶膜片3、所述圆偏片2后转变为线偏光后进入人眼5。
在本实施例中，本发明中的光学虚实合成模块能够电压调节改变通过其的虚拟光和现实光的比例，从而适应不同的驾驶明暗环境，保证驾驶员正常驾驶的前提下有效获取虚拟光信息。
在本实施例中，所述图像源包括如下任一种显示器件：
-LCD；
-LED；
-OLED。
在本实施例中，所述第一液晶膜片3采用几何相位液晶膜片。所述第一液晶膜片3的衍射效率通过电压进行控制，即一级光和零级光的比例；也就是说所述第一液晶膜片3能够通过电压控制改变透过的环境光和反射的虚拟光的相对强度。
当所述虚拟光透过所述圆偏片2入射所述第一液晶膜片3时，一级衍射光会聚，圆偏光的偏振旋性发生反转，零级光直接透过且偏振状态不变。
所述圆偏片2采用右旋圆偏片。如图2所示，光从图像源1出射经过右旋圆偏片2变成右旋圆偏光，右旋圆偏片2包括顺次设置的线偏片6和四分之一波片7。
所述第二液晶膜片4反射由第一液晶膜片3衍射得到的一级衍射光，直接透过零级光；在一偏振条件内的环境光中的部分反向透过所述第二液晶膜片4。
所述第二液晶膜片4采用胆甾相液晶膜片，第二液晶膜片4能对入射光选择性反射，当入射光偏振旋性与制作液晶膜片时添加手性剂的旋性一致时，液晶膜片对入射光呈现反射特性；当入射光偏振旋性与制作液晶膜片时添加的手性剂旋性相反时，液晶膜片对入射光呈现透过特性。圆偏振光经胆甾相液晶膜片反射或透射后，圆偏光的偏振性几乎不变。
第二液晶膜片4具有波长选择性，即当入射光波长与第二液晶膜片4满足反射匹配条件时，入射光才会发生反射；当匹配条件不满足时，入射光会透过液晶膜片。图像源1的光波波长应满足第二液晶膜片4波长选择性所要求的反射匹配条件。
在本实施例中，零级和一级对应于第一液晶膜片3的衍射级次。
当环境光入射所述第一液晶膜片3时，一级光发散，圆偏光偏振旋性发生反转，零级光直接透过且偏振状态不变；对于被第二液晶膜片4反射回来的虚拟光，经过第一液晶膜片3后会聚且圆偏光偏振旋性反向。
在本实施例中，所述第一液晶膜片3为几何相位液晶膜片；所述第二液晶膜片4为胆甾相液晶膜片。
当使用本发明提供的车载显示系统时，对于虚拟光，透过第一液晶膜片3后的一级光的偏振旋性满足第二液晶膜片4的反射条件，发生反射；透过第一液晶膜片3膜片后的零级光的偏振旋性不满足第二液晶膜片4的反射条件，发生透射。环境光只透过与第二液晶膜片4手性剂的旋性相反的圆偏光，经过第一液晶膜片3后，环境光的一级光发散且偏振旋性再次反转，环境光的零级光直接透过且旋性不变。对于第二液晶膜片4反射回来的虚拟光，经过第一液晶膜片3膜片，一级光再次会聚且变为相反旋性的圆偏光，零级光旋性不变。圆偏片的旋性与第二液晶膜片4手性剂的旋性相反。对于反射回来且经过第一液晶膜片3膜片的虚拟光，一级光透过圆偏片变成线偏光，零级光无法透过圆偏片。对于透过第一液晶膜片3膜片的环境光，零级光透过圆偏片变成线偏光，一级光无法透过圆偏片。即仅能使得环境光的零级光透过本发明，虚拟光的一级光被本发明反射，同时进入人眼。
在一实施例中，第一液晶膜片3采用光配向的方法得到，其组分按重量比包括：E7液晶为99wt％、偶氮染料甲基MR为1wt％。其中，甲基红MR对液晶分子起配向作用，还可以采用偶氮染料SD1、亮黄色BY等对液晶分子配向，可以在可见光范围达到更好的视觉效果。
图3示出配向后第一液晶膜片3的液晶分子分布,液晶分子指向沿着中间轴方向以抛物线形式连续变化，可以看作一个具有偏振选择性的透镜。图4示出液晶分子指向对右旋圆偏光附加相位的影响，液晶偏转角为Φ，附加一个正相位2Φ，对于第一液晶膜片3，表明对右旋圆偏光有会聚作用。图2出射的右旋圆偏光经过第一液晶膜片3后，一级光会聚且变为左旋圆偏光，零级光仍为右旋圆偏光。
如图5所示，电压模块8控制第一液晶膜片3的衍射效率，第一液晶膜片3盒厚为3μm时，对于波长为632.8nm的红光，一级衍射效率与电压的关系如图6所示，电压通过改变相位差Γ来改变衍射效率，一级衍射效率η与相位差Γ的关系为η＝sin2(Γ/2)。
在一实施例中，所述第二液晶膜片4为掺杂左手型手性剂，组分按质量比包括液晶为97wt％，光学各向异性系数Δn为0.4，左手型手性剂S5011为3wt％。第二液晶膜片4对左旋圆偏光进行反射，而对右旋圆偏光进行透射。前述图5出射的一级光变成了左旋圆偏光，因此被第二液晶膜片4反射；而零级光因为仍是右旋圆偏光，因此直接透过第二液晶膜片4，如图7所示。
图8示出被第二液晶膜片4反射回来的左旋圆偏光，再次经过第一液晶膜片3后，再次发生衍射：一级光会聚且变为右旋圆偏光，其衍射效率为sin2(Γ/2)；而零级光直接透过仍为左旋圆偏光。如此，右旋圆偏的一级光可以透过右旋圆偏片2变为线偏光，而左旋圆偏的零级光则被右旋圆偏片2所吸收。
至此，虚拟光只有一级反射回人眼5，如图1所示。
环境光中只有右旋圆偏光可透过第二液晶膜片4，如图7所示。图9示出右旋圆偏的环境光反向经过第一液晶膜片3后，一级光发散且变为左旋圆偏光，零级光直接透过仍为右旋圆偏光。左旋圆偏的一级光无法反向透过右旋圆偏片2，右旋圆偏的零级光反向经过圆偏片2变为线偏光。零级光的衍射效率为cos2(Γ/2)。
至此，环境光只有零级反射回人眼5，如图1所示。
在一实施例中，圆偏片2、第一液晶膜片3、第二液晶膜片4之间填充甘油，所述甘油的折射率n为1.47。
在一实施例中，在所述光学虚实合成模块两侧覆盖抗反膜玻璃，减少液晶盒表面与空气之间的折射率差造成的反射。
在本实施例中，本发明通过改变第一液晶膜片3两端的电压，改变相位差Γ，继而改变衍射效率，从而改变虚拟光和现实光的比例。当电压从1.2Vrms到1.8Vrms变化时，虚拟光不断加强，环境光不断减弱。
在本实施例中，本发明中的光学虚实合成模块能够电压调节改变通过其的虚拟光和现实光的比例，从而适应不同的驾驶明暗环境，保证驾驶员正常驾驶的前提下有效获取虚拟光信息；本发明中的几何相位液晶膜片通过控制不同区域液晶分子的指向，对入射光束产生相位调制，具有极高的衍射效率，更安全稳定；本发明结构简单，设计紧凑，有较广泛的应用前景。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种车载显示系统，其特征在于，包括图源模块和光学虚实合成模块；
所述图源模块，用于将图像源投射输出虚拟光；
所述光学虚实合成模块，包括圆偏片、第一液晶膜片和第二液晶膜片；所述圆偏片，用于将入射的所述虚拟光转变为圆偏光，并将所述圆偏光输出；所述第一液晶膜片，用于根据所述圆偏光的旋性会聚或发散；所述第二液晶膜片，用于根据所述圆偏光的旋性进行反射或透射；
所述光学虚实合成模块构造为使得所述虚拟光依次透过所述圆偏片、所述第一液晶膜片后通过所述第二液晶膜片反射后依次通过所述第一液晶膜片、圆偏片入射人眼且使得环境光依次透过所述第二液晶膜片、所述第一液晶膜片、所述圆偏片后转变为线偏光后进入人眼；
当所述虚拟光透过所述圆偏片入射所述第一液晶膜片时，一级衍射光会聚，圆偏光的偏振旋性发生反转，零级光直接透过且偏振状态不变；
所述第一液晶膜片为几何相位液晶膜片；所述第二液晶膜片为胆甾相液晶膜片。
2.根据权利要求1所述的车载显示系统，其特征在，所述第二液晶膜片反射由第一液晶膜片衍射得到的一级衍射光，直接透过零级光；
在一偏振条件内的环境光中的部分反向透过所述第二液晶膜片。
3.根据权利要求1所述的车载显示系统，其特征在于，当环境光入射所述第一液晶膜片时，一级光发散，圆偏光偏振旋性发生反转，零级光直接透过且偏振状态不变；
对于被第二液晶膜片反射回来的虚拟光，经过第一液晶膜片后会聚且圆偏光偏振旋性反向。
4.根据权利要求1所述的车载显示系统，其特征在于，所述第一液晶膜片的衍射效率通过电压进行控制；
所述第一液晶膜片能够通过电压控制改变透过的环境光和虚拟光的相对强度。
5.根据权利要求1所述的车载显示系统，其特征在于，所述图像源包括如下任一种显示器件：
-LCD；
-LED；
-OLED。
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