CN110596897B - 一种平视显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于平视显示技术领域，特别是指一种平视显示设备，包括沿纵向由下至上依次设置的凹面透反镜、相位改变元件、反射型偏振分光器以及分光镜；所述凹面透反镜弯向发出圆偏振光的显示器侧；所述相位改变元件与所述凹面透反镜同轴设置；所述反射型偏振分光器紧贴所述相位改变元件；所述分光镜与所述反射型偏振分光器呈预设夹角，用于反射经过所述反射型偏振分光器后的出射光线至使用者眼中。该平视显示设备利用偏振分光折叠光路，可以在实现较好成像质量的同时达到设备轻小型的需求。

Description

一种平视显示设备

技术领域

本发明属于平视显示技术领域，特别是指一种平视显示设备。

背景技术

在汽车的驾驶过程中，驾驶员需要观看仪表盘了解汽车的工作状态信息，也需要查看车外路面状况。由于车外环境与车内仪表不能同时位于同一视线范围内，驾驶员需要不断地低头查看仪表盘上的信息、抬头查看路面信息，不可避免地需要一段时间的视觉适应，这极容易分散驾驶员注意力，造成安全隐患。

平视显示设备(Head-up Display,HUD)采用透明或半透明光学材料将包含仪表图像信息的像源在驾驶员视线前方成像，使图像信息能够叠加显示在真实的外界环境中，可在一定程度上避免驾驶员由于视线的离开而导致的注意力分散。目前车载平视显示设备的显示效果由汽车内部结构所限，传统的自由曲面反射式结构可以实现较好的显示效果，但是体积很难降下来。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种平视显示设备。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种平视显示设备，包括：沿纵向由下至上依次设置的凹面透反镜、相位改变元件、反射型偏振分光器以及分光镜；

所述凹面透反镜弯向发出圆偏振光的显示器侧；

所述相位改变元件与所述凹面透反镜同轴设置；

所述反射型偏振分光器紧贴所述相位改变元件；

所述分光镜与所述反射型偏振分光器呈预设夹角，用于反射经过所述反射型偏振分光器后的出射光线至使用者眼中。

可选的，所述凹面透反镜的曲率半径取值范围为400mm～1000mm。

可选的，所述凹面透反镜与所述相位改变元件的距离间距范围为60mm～100mm。

可选的，所述平视显示设备进一步包括全反射镜，位于所述凹面透反镜下侧，与所述凹面透反镜的光轴形成预定角度，用于将接收的显示器的圆偏振光反射至所述凹面透反镜。

可选的，由显示器发出的零视场光线，经过所述全反射镜、所述反射型偏振分光器，然后反射给所述凹面透反镜所经过的距离，小于或等于所述凹面透反镜曲率半径的一半。

可选的，所述全反射镜为平面反射镜。

可选的，所述平视显示设备进一步包括与显示器共轴的校正像差透镜组，

所述校正像差透镜组包括至少一片透镜，用以校正像差。

可选的，所述相位改变元件为1/4波片。

可选的，所述平视显示设备进一步包括显示器；所述显示器为LCD或OLED显示屏。

可选的，所述分光镜为独立的分光器件，或设有预定透反比的反射膜的前挡风玻璃。

根据本发明的平视显示设备，可以实现平视显示，将仪表盘信息等内容传输至人眼中，该设备利用偏振分光，多次改变光线的偏振态后再出射，可以折叠光路，缩小占用空间，在实现较好成像质量的同时达到设备轻小型的需求。

附图说明

图1是本发明实施例一中的平视显示设备光学系统图；

图2是本发明实施例一中的平视显示设备的光学系统的RMS光斑尺寸图；

图3是本发明实施例一中的平视显示设备的光学系统的像差与畸变曲线；

图4是本发明实施例二中的平视显示设备光学系统图；

图5是本发明实施例二中的平视显示设备的光学系统的RMS光斑尺寸图；

图6是本发明实施例二中的平视显示设备的光学系统的像差与畸变曲线；

图7是本发明实施例三中的平视显示设备光学系统图；

图8是本发明实施例三中的平视显示设备的光学系统的RMS光斑尺寸图；

图9是本发明实施例三中的平视显示设备的光学系统的像差与畸变曲线；

图10是本发明实施例四中的平视显示设备光学系统图；

图11是本发明实施例四中的平视显示设备的光学系统的RMS光斑尺寸图；

图12是本发明实施例四中的平视显示设备的光学系统的像差与畸变曲线；

图13是本发明实施例五中的平视显示设备光学系统图；

图14是本发明实施例五中的平视显示设备的光学系统的RMS光斑尺寸图；

图15是本发明实施例五中的平视显示设备的光学系统的像差与畸变曲线。

图中：1：分光镜；2：反射型偏振分光器；3：相位改变元件；4：凹面透反镜；5：全反射镜；6：第一透镜；7：第二透镜；8：第三透镜；9：显示器；10：光阑。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，表述“第一”和“第二”等可以修饰本发明的多种组成元件，但是不限制对应的组成元件。例如，表述不限制对应的组成元件的顺序和/或重要性等。表述可以用于将一个组成元件与另一组成元件区分开来。例如，第一用户装置和第二用户装置全部为用户装置，且代表不同的用户装置。例如，第一组成元件可以被命名为第二组成元件而不脱离本发明的精神和范围。相同地，即使第二组成元件也可以被命名为第一组成元件。

实施例一

如图1所示，本发明实施例一提供的一种平视显示设备，包括沿纵向由下至上依次设置的凹面透反镜4、相位改变元件3、反射型偏振分光器2和分光镜1。具体地，其中：

凹面透反镜4弯向发出圆偏振光的显示器侧。可选的，该平视显示设备进一步包括显示器9，显示器9用于发出圆偏振光显示图像，以便后续根据偏振态进行分光。根据实际需要，显示器9所显示图像的内容可为车载仪表信息等，在此不再进一步限定。

凹面透反镜4兼具透射与反射光线的能力，其具体的透反比可以根据光强度需求进行设计。凹面透反镜4包括第一表面和第二表面，第一表面和第二表面具有朝向相同的凹面面型，显示器9位于凹面透反镜4一侧，如图1所示，第一表面和第二表面中心部分均向设有显示器9的一侧(显示器件侧)凸出。凹面透反镜4的第一表面靠近显示器9(显示器件侧)，第二表面靠近观察侧。需要说明的是，显示器9优选但不仅限于与凹面透反镜4同轴对齐设置，显示器9发出的偏振光能够入射凹面透反镜4并最终形成虚像即可。优选地，为实现兼具透射与反射能力，凹面透反镜4的第二表面具有用于分光的透反膜，透反膜的透反比可根据具体需要改变，在此不再进一步限定。该透反膜不具备偏振性，光线通过凹面透反镜4时，不影响其偏振状态。

相位改变元件3与凹面透反镜4同轴设置，用于改变透过的光线的相位，即改变偏振态。如图1所示，相位改变元件3设于凹面透反镜4一侧，凹面透反镜4的第一表面和第二表面中心部分相对于设有相位改变元件3的一侧凹陷。

反射型偏振分光器2紧贴相位改变元件3，设于凹面透反镜4相对侧，如图1所示，凹面透反镜4与反射型偏振分光器2分设于相位改变元件3两侧。反射型偏振分光器2对特定偏振方向的偏振光高反射，而对与之偏振方向正交的偏振光高透射。例如，反射型偏振分光器2可以选亚波长金属光栅一类的偏振片。

分光镜1位于反射型偏振分光器2一侧，与反射型偏振分光器呈预设夹角，用以反射经过反射型偏振分光器2后的出射光线至使用者眼中。分光镜1优选为透明光学元件，兼具反射光线与透射光线的能力，反射、透射的强度比例由分光镜1自身的光学性能决定，以调整使用者看到的成像画面亮度，达到易于观察的程度。并且，分光镜1对透射光线不引入额外的光焦度，以保证使用者观察时对真实环境有正常的视觉效果。

本实施例提供的平视显示设备在使用时，如图1所示，从人眼观察侧到显示器件侧，依次为光阑10、分光镜1、反射型偏振分光器2、相位改变元件3、凹面透反镜4以及显示器9。其中，光阑10并非实际器件，光阑10给定了一个范围，在这个范围内人眼能够观察到清晰成像。从显示器9发出的光线经凹面透反镜4、相位改变元件3、反射型偏振分光器2，由分光镜1反射至人眼中，因此人眼可以看到由显示器9发出的虚拟图像。由显示器9发出的光线穿过凹面透反镜4，第一次到达反射型偏振分光器2时，其偏振态与反射型偏振分光器2的特定偏振方向相匹配，从而在反射型偏振分光器2发生反射，再次进入相位改变元件3，经相位改变元件3第二次改变偏振态后，入射凹面透反镜4，在凹面透反镜4的第二表面被反射，再次经过相位改变元件3后第三次改变偏振态，偏振态达到满足被反射型偏振分光器2透射的状态，由反射型偏振分光器2出射至分光镜1，从而到达观察者眼睛进行成像。由于两次在具有曲率的表面反射，等效于利用了两次曲面光焦度以改变传播方向，从而达到了对显示器9所显示的图像进行光学放大的倍数要求，能够实现缩短成像光路，缩小设备占用空间，实现设备轻小型化。

优选地，凹面透反镜4的曲率半径的取值范围为400mm～1000mm，进一步地，凹面透反镜4与相位改变元件3的间距的范围为60mm～100mm。在上述条件下，该平视显示设备的尺寸与像质可以达到平衡，可以得到小尺寸、高像质的显示设备。可选的，凹面透反镜4的第一表面的面型和第二表面的面型的曲率半径不相同，以便校正像差。

作为一种典型的方式，相位改变元件3可采用为1/4波片。为便于说明，将由显示器9发出的圆偏振光线称为第一圆偏振光，第一圆偏振光在经过1/4波片后变成了第一线偏振光，反射型偏振分光器2对特定偏振方向的偏振光高反射，选用的反射型偏振分光器2对第一线偏振光高反射，对与之正交的第二线偏振光高透射，因此只能通过第二线偏振光，第一线偏振光不能通过，反射型偏振分光器2对光线起到反射作用，从而光线再次通过1/4波片并由第一线偏振光变成了第二圆偏振光。光线继续传播至凹面透反镜4，经凹面透反镜4的反射作用，光线第三次通过1/4波片，由第二圆偏振光变成第二线偏振光，达到通过条件，可以通过反射型偏振分光器2，并向后继续传播至分光镜1上，经分光镜1的反射作用最终传播至人眼。

优选地，分光镜1可为独立的分光器件，或设有预定透反比的反射膜的前挡风玻璃，即分光镜1可以通过独立的光学器件来实现，也可以通过在现有技术中的汽车前挡风玻璃上贴或镀反射膜来实现。

优选地，本发明中的显示器9可采LCD(液晶显示器)或OLED显示屏。由于OLED显示屏本身不会发出具有偏振态的图像光，当使用OLED显示屏时，可在OLED显示屏的出光面，即显示器9朝向凹面透反镜4一侧的表面设置起偏层，即在OLED表面贴偏振片再贴四分之一波片，以便显示器9发出圆偏振光。

根据本发明的实施例一，一种具体的平视显示设备的光学系统的RMS(真有效值)光斑尺寸图以及像差与畸变曲线如图2和图3所示，图2示出了RMS光斑尺寸与Y方向视场角(纵坐标)、X方向视场角(横坐标)的分布关系，结果显示，RMS光斑直径满足目视系统的要求，可以实现清晰成像，不会有颗粒感。图3(a)的纵坐标为视场角，横坐标为离焦量，其中的曲线代表像散场曲，图3(b)的纵坐标为视场角，其中曲线代表畸变。由此可知，该平视显示设备的像差与畸变较小，能够呈现较为保真的图像，满足成像需求。

实施例二

如图4所示，根据本发明实施例二的平视显示设备，相同之处不再重复，与实施例一不同的是：

本实施例中，该平视显示设备还进一步包括与显示器共轴的校正像差透镜组，校正像差透镜组包括至少一片透镜。如图4所示，校正像差透镜组设于显示器9与凹面透反镜4之间，用以校正像差，提升像质。

校正像差透镜组可采用单透镜(一片透镜)或透镜组(多片透镜)，优选地，校正像差透镜组包括第一透镜6和第二透镜7，第一透镜6和第二透镜7具有不同的光焦度类型，基于凹凸透镜补偿法校正光学系统的球差。

本实施例提供的平视显示设备在使用时，如图4所示，从人眼观察侧到显示器件侧，依次为光阑10、分光镜1、反射型偏振分光器2、相位改变元件3、凹面透反镜4、第一透镜6、第二透镜7以及显示器9，反射型偏振分光器2、相位改变元件3、凹面透反镜4、第一透镜6、第二透镜7以及显示器9同轴设置。

根据本发明的实施例二，一种具体的平视显示设备的光学系统的RMS光斑尺寸图以及像差与畸变曲线如图5和图6所示，图5示出了RMS光斑尺寸与Y方向视场角、X方向视场角的分布关系，结果显示，RMS光斑直径满足目视系统的要求，可以实现清晰成像，不会有颗粒感。图6(a)的纵坐标为视场角，横坐标为离焦量，其中的曲线代表像散场曲，图6(b)的纵坐标为视场角，其中曲线代表畸变。由此可知，该平视显示设备的像差与畸变较小，能够呈现较为保真的图像，满足成像需求。

实施例三

如图7所示，根据本发明实施例三的平视显示设备，相同之处不再重复，与实施例一不同的是：

本实施例中，该平视显示设备还进一步包括全反射镜5，全反射镜5位于凹面透反镜4下侧，与凹面透反镜4的光轴形成预定角度，用于将接收的显示器9的圆偏振光反射至凹面透反镜4。通过设置全反射镜5，显示器9不再局限于正面朝向凹面透反镜4，只需设置在凹面透反镜4的一侧即可。全反射镜5优选为平面反射镜，折叠光路而不产生光焦度。

优选地，为获得较佳的成像效果，显示器9、全反射镜5、反射型偏振分光器2、凹面透反镜4的位置关系应满足：由显示器9发出的零视场光线，经过全反射镜5、(凹面透反镜4、相位改变元件3、)反射型偏振分光器2，然后反射给凹面透反镜4所经过的距离，即光线经过各个器件(显示器9→全反射镜5→凹面透反镜4→相位改变元件3→反射型偏振分光器2→凹面透反镜4)的中心点的距离，小于或等于凹面透反镜4曲率半径的一半。

本实施例提供的平视显示设备在使用时，如图7所示，从人眼观察侧到显示器件侧，依次为光阑10、分光镜1、反射型偏振分光器2、相位改变元件3、凹面透反镜4、全反射镜5以及显示器9。其中，凹面透反镜4的第一表面和第二表面的曲率半径相同。

根据本发明的实施例三，一种具体的平视显示设备的光学系统的RMS光斑尺寸图以及像差与畸变曲线如图8和图9所示，图8示出了RMS光斑尺寸与Y方向视场角、X方向视场角的分布关系，结果显示，RMS光斑直径满足目视系统的要求，可以实现清晰成像，不会有颗粒感。图9(a)的纵坐标为视场角，横坐标为离焦量，其中的曲线代表像散场曲，图9(b)的纵坐标为视场角，其中曲线代表畸变。由此可知，该平视显示设备的像差与畸变较小，能够呈现较为保真的图像，满足成像需求。

实施例四

如图10所示，根据本发明实施例四的平视显示设备，相同之处不再重复，与实施例三不同的是：

本实施例中，凹面透反镜4的第一表面和第二表面的曲率半径不同。

根据本发明的实施例四，一种具体的平视显示设备的光学系统的RMS光斑尺寸图以及像差与畸变曲线如图11和图12所示，图11示出了RMS光斑尺寸与Y方向视场角、X方向视场角的分布关系，结果显示，RMS光斑直径满足目视系统的要求，可以实现清晰成像，不会有颗粒感。图12(a)的纵坐标为视场角，横坐标为离焦量，其中的曲线代表像散场曲，图12(b)的纵坐标为视场角，其中曲线代表畸变。由此可知，该平视显示设备的像差与畸变较小，能够呈现较为保真的图像，满足成像需求。

实施例五

如图13所示，根据本发明实施例五的平视显示设备，相同之处不再重复，与实施例一不同的是：

本实施例中，该平视显示设备还包括校正像差透镜组和全反射镜5。其中，校正像差透镜组与显示器9共轴，设于显示器9与凹面透反镜4之间，包括至少一片透镜，用以校正像差，提升像质。全反射镜5位于凹面透反镜4下侧，与凹面透反镜4的光轴形成预定角度，用于将接收的显示器9的圆偏振光反射至凹面透反镜4，使得显示器9不再局限于正面朝向凹面透反镜4。全反射镜5优选为平面反射镜，折叠光路而不产生光焦度。

优选地，校正像差透镜组包括第一透镜6、第二透镜7和第三透镜8，其中第一透镜6、第二透镜7和第三透镜8具有不同的光焦度类型，第一透镜6、第三透镜8为凸透镜，第二透镜7为凹透镜，基于凹凸透镜补偿法校正光学系统的球差和场曲。凹面透反镜4第一表面的面型和第二表面的面型的曲率半径不相同。

本实施例提供的平视显示设备在使用时，如图13所示，从人眼观察侧到显示器件侧，依次为光阑10、分光镜1、反射型偏振分光器2、相位改变元件3、凹面透反镜4、全反射镜5、第一透镜6、第二透镜7、第三透镜8以及显示器9，反射型偏振分光器2、相位改变元件3和凹面透反镜4同轴设置，第一透镜6、第二透镜7、第三透镜8以及显示器9同轴设置。

根据本发明的实施例五，一种具体的平视显示设备的光学系统的RMS光斑尺寸图以及像差与畸变曲线如图14和图15所示，图14示出了RMS光斑尺寸与Y方向视场角、X方向视场角的分布关系，结果显示，RMS光斑直径满足目视系统的要求，可以实现清晰成像，不会有颗粒感。图15(a)的纵坐标为视场角，横坐标为离焦量，其中的曲线代表像散场曲，图15(b)的纵坐标为视场角，其中曲线代表畸变。由此可知，该平视显示设备的像差与畸变较小，能够呈现较为保真的图像，满足成像需求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种平视显示设备，其特征在于，包括：沿纵向由下至上依次设置的凹面透反镜、相位改变元件、反射型偏振分光器以及分光镜；

所述凹面透反镜的曲率半径取值范围为400mm～1000mm，凸向发出圆偏振光的显示器侧；

所述相位改变元件与所述凹面透反镜同轴设置；

所述凹面透反镜与所述相位改变元件的距离间距范围为60mm～100mm；

所述反射型偏振分光器紧贴所述相位改变元件；

所述分光镜与所述反射型偏振分光器呈预设夹角；所述分光镜为独立的分光器件；

显示器的光线从所述凹面透反镜的下侧射入，依次经过所述凹面透反镜、所述相位改变元件、所述反射型偏振分光器以及所述分光镜后，射出至使用者眼中。

2.根据权利要求1所述的平视显示设备，其特征在于：所述平视显示设备进一步包括全反射镜，位于所述凹面透反镜下侧，与所述凹面透反镜的光轴形成预定角度，用于将接收的显示器的圆偏振光反射至所述凹面透反镜。

3.根据权利要求2所述的平视显示设备，其特征在于：由显示器发出的零视场光线，经过所述全反射镜、所述反射型偏振分光器，然后反射给所述凹面透反镜所经过的距离，小于或等于所述凹面透反镜曲率半径的一半。

4.根据权利要求2所述的平视显示设备，其特征在于：所述全反射镜为平面反射镜。

5.根据权利要求1至4任一项所述的平视显示设备，其特征在于：所述平视显示设备进一步包括与显示器共轴的校正像差透镜组，

所述校正像差透镜组包括至少一片透镜，用以校正像差。

6.根据权利要求1所述的平视显示设备，其特征在于：所述相位改变元件为1/4波片。

7.根据权利要求1所述的平视显示设备，其特征在于：所述平视显示设备进一步包括显示器；所述显示器为LCD或OLED显示屏。

8.根据权利要求7所述的平视显示设备，其特征在于：所述独立的分光器件通过设有预定透反比的反射膜的前挡风玻璃实现。

9.根据权利要求8所述的平视显示设备，所述凹面透反镜具有靠近显示器侧的第一表面，和靠近观察侧的第二表面，所述第一表面和所述第二表面的曲率半径相同或者不相同。

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