CN111948810A - 一种抬头显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抬头显示装置，包括：光源、光特性转换元件、准直元件、第一透反元件、反射导光体、液晶层和第二透反元件，光源发出的包括第一偏振特性和第二偏振特性的光线入射至准直元件，经过光特性转换元件、反射导光体和第一透反元件后转化为包括第一偏振特性的光线，再经液晶层形成图像光线，第二透反元件将图像光线反射至预设位置。通过本发明实施例提供的抬头显示装置，可提高光源发出光线的利用率，抬头显示装置利用小功率光源即可形成高亮图像。

Description

一种抬头显示装置

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，具体而言，涉及一种抬头显示装置。

背景技术

抬头显示器(head up display，HUD)技术可以避免驾驶员在驾驶过程中低头看仪表盘所导致的分心，使驾驶员可在视线范围内查看图像，提高驾驶安全系数，同时也能带来更好的驾驶体验。

抬头显示器通常将图像投射到车辆挡风玻璃或成像窗上，因此抬头显示器需要较高的显示亮度，以便驾驶员可以清楚地看到HUD显示的内容。虽然可以通过提高HUD光源功率来提高成像亮度，但相应会带来光源功耗高、发热量大的问题，又会增加功耗和提高设备的散热需求。因此，亟需一种能够在光源发出同等功率条件下，提高光源发出光线的利用效率的HUD设计。

发明内容

为解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种抬头显示装置，包括：

光源，发出光线并且所述光源发出的光线入射至准直元件；其中，所述光源发出的光线包含第一偏振特性和第二偏振特性；

光特性转换元件，所述光特性转换元件转换透过的光线的偏振特性，且所述光特性转换元件允许光线双向透过；所述第二偏振特性的光线经偶数次透过所述光特性转换元件后转换生成的光线包含所述第一偏振特性的光线；

准直元件，所述准直元件将所述光源发出光线的出射方向调整至预设角度范围内；所述准直元件设置在所述光源与所述光特性转换元件之间，将光线经所述准直元件透射后准直，发射至所述光特性转换元件；

第一透反元件，所述第一透反元件透过第一偏振特性的光线，并反射第二偏振特性的光线；

反射导光体，被所述第一透反元件反射的光线透过所述光特性转换元件，并入射到所述反射导光体，所述反射导光体将入射至所述反射导光体内表面的光线经内部反射后沿入射方向的反方向反射；

液晶层，所述液晶层接收所述第一透反元件出射的光线并出射图像光线，所述液晶层设置在所述第一透反元件远离所述光源的一侧；

第二透反元件，所述第二透反元件将所述图像光线反射至预设位置。

可选的，所述反射导光体包括正三角锥形状、等腰三角锥形状、立方锥形状或球形；所述光源设置在所述反射导光体的顶点。

可选的，所述反射导光体为中空壳体，所述壳体的内表面包含反光面，所述壳体的出光口朝向所述光特性转换元件，所述光源设置在所述壳体远离出光方向的端部。

可选的，所述反射导光体为实心透明部件，光线在所述实心透明部件内部传输并在所述实心透明部件的内表面发生全反射，所述实心透明部件的出光方向朝向所述光特性转换元件，所述光源设置在所述实心透明部件远离出光方向的端部；所述实心透明部件的折射率大于1。

可选的，所述反射导光体包括用于设置所述光源的端部缺口。

可选的，所述光源、所述准直元件、所述光特性转换元件、所述第一透反元件和所述液晶层依次设置。

可选的，所述准直元件将所述光源发出光线的出射方向调整为平行出射。

可选的，所述准直元件包括准直透镜或准直膜。

可选的，所述准直透镜包括凸透镜、凹透镜、菲涅尔透镜或以上几种透镜组合中的一种或多种。

可选的，所述第一透反元件为高分子薄膜、无机氧化物薄膜或光子晶体中的一种或多种。

可选的，所述光特性转换元件包括1/4波片。

可选的，还包括：光线聚集元件；所述光线聚集元件设置在所述第一透反元件远离所述光特性转换元件的一侧；所述光线聚集元件将光线聚集至预定区域。

可选的，还包括：弥散元件；所述弥散元件将光线弥散为具有特定截面形状的光束。

可选的，所述弥散元件设置在所述光线聚集元件远离所述第一透反元件的一侧。

可选的，所述弥散元件设置在所述第一透反元件与所述光线聚集元件之间。

可选的，所述抬头显示装置包括至少两个所述光源；所述光源与所述反射导光体的数量相同且一一对应。

可选的，所述抬头显示装置包括至少两个所述光源；所述光源的数量小于所述反射导光体的数量，且所述多个光源对应一个所述反射导光体。

可选的，还包括至少一个反射元件，所述反射元件设置在所述液晶层与所述第二透反元件之间，将所述图像光线出射至所述第二透反元件。

可选的，所述反射元件包括曲面反射镜或平面反射镜。

本发明实施例提供的方案中，通过设置准直元件、光特性转换元件、第一透反元件和反射导光体，将原本无法利用的第二偏振特性的光线转换为所需的第一偏振特性的光线并透出，从而提高了光源射出光线的利用率和透光率，通过小功率的光源即可实现抬头显示装置的高亮度成像，降低装置的能耗；同时，由于透光率提高，装置不会吸收大量的光能，发热量较小，对散热要求较低。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例提供的抬头显示装置的第一结构示意图；

图2示出了本发明实施例提供的抬头显示装置的第二结构示意图；

图3示出了本发明实施例提供的反射导光体的第一示意图；

图4a示出了本发明实施例提供的反射导光体的第二示意图；

图4b示出了本发明实施例提供的反射导光体的第三示意图；

图4c示出了本发明实施例提供的反射导光体的第四示意图；

图4d示出了本发明实施例提供的反射导光体的第五示意图；

图5a示出了本发明实施例提供的反射导光体的第六示意图；

图5b示出了本发明实施例提供的反射导光体的第七示意图；

图6示出了本发明实施例提供的反射导光体的第八七示意图；

图7示出了本发明实施例提供的抬头显示装置的第三结构示意图；

图8示出了本发明实施例提供的弥散元件弥散光线的第一原理示意图；

图9示出了本发明实施例提供的弥散元件弥散光线的第二原理示意图；

图10示出了本发明实施例提供的抬头显示装置的第四结构示意图；

图11示出了本发明实施例提供的反射导光体的第九示意图；

图12示出了本发明实施例提供抬头显示装置的第五结构示意图；

图13示出了本发明实施例提供抬头显示装置的第六结构示意图；

图14示出了本发明实施例提供抬头显示装置的第七结构示意图；

图15示出了本发明实施例提供抬头显示装置的第八结构示意图。

附图标记：101-光源、102-准直元件、103-光特性转换元件、104-第一透反元件、105-反射导光体、106-液晶层、107-光线聚集元件、108-弥散元件、109-光线阻隔元件、201-第二透反元件、1031-光特性转换元件表面、1032-光特性转换元件另一表面、1051-反射导光体顶点、1052-反射导光体出光面、1053-反射导光体端部缺口、1054-光源基板、301-反射元件、3011-曲面反射镜、3012-平面反射镜。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。

在本发明的说明书及说明书附图中，图中绘制的光线是对本发明中各元件的工作原理进行示意和解释说明，不代表实际应用中光线会达到理想状态。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例提供的一种抬头显示装置，参见图1所示，包括：光源101，发出光线并且光源101发出的光线入射至准直元件102；其中，光源101发出的光线包含第一偏振特性和第二偏振特性；光特性转换元件103，光特性转换元件103转换透过的光线的偏振特性，且光特性转换元件103允许光线双向透过；第二偏振特性的光线经偶数次透过所述光特性转换元件后转换生成的光线包含第一偏振特性的光线；准直元件102，准直元件102将光源101发出光线的出射方向调整至预设角度范围内；准直元件102设置在光源101与光特性转换元件103之间，将光线经准直元件102透射后准直，发射至光特性转换元件103；第一透反元件104，第一透反元件104透过第一偏振特性的光线，并反射第二偏振特性的光线；反射导光体105，被第一透反元件104反射的光线透过光特性转换元件103，并入射到反射导光体105，反射导光体105将入射至反射导光体105内表面的光线经内部反射后沿入射方向的反方向反射；液晶层106，液晶层106接收第一透反元件104出射的光线并出射图像光线，液晶层106设置在第一透反元件104远离光源101的一侧；第二透反元件201，第二透反元件201将图像光线反射至预设位置。

具体的，光源101具体可为电致发光元件，如发光二极管(Light Emitting Diode,LED)、有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode,OLED)、迷你发光二极管(MiniLED)、微发光二极管(Micro LED)、冷阴极荧光灯管(Cold Cathode Fluorescent Lamp，CCFL)、电致发光显示器(Electroluminescent Display,ELD)、LED冷光源(Cold LEDLight，CLL)、电激发光(Electro Luminescent，EL)、电子发射(Field Emission Display，FED)、卤钨灯或金属卤化物灯等，本实施例对此不做限制。

具体的，液晶层106包括液晶、第一偏振片和第二偏振片，第一偏振片的偏振方向与第一偏振特性光线的偏振方向相同，且所述第二偏振片的偏振方向与第一偏振特性光线的偏振方向正交。具体的，液晶可以为普通液晶，比如扭曲向列型(Twisted Nematic,TN)液晶、高扭曲向列型(High Twisted Nematic,HTN)液晶、超扭曲向列型(Super TwistedNematic,STN)液晶、格式化超扭曲向列型(Formated Super Twisted Nematic,FSTN)液晶或蓝相液晶，光线经过液晶层后转化为图像光线，经第二透反元件反射后，驾驶员就可观察到图像。

具体的，预设位置为眼盒(eyebox)位置，眼盒位置为驾驶员双眼可观察到抬头显示装置显示内容的位置。

具体的，第二透反元件201可为车辆的挡风玻璃或透明成像窗；透明成像窗具体可为光线透明板材，如C-HUD(Combiner-HUD)的成像窗。进一步的，第二透反元件201还包括涂覆、贴覆或镀在第二透反元件表面的反射膜，该反射膜可对图像光线高效反射并且对外界环境光线高效透射。

具体的，光源101产生的光一般为具有多偏振特性的光，例如自然光。具有多偏振特性的光线可以理解为，光线可分解为至少两种偏振特性的光线，例如自然光包括多个偏振特性但不具备唯一的偏振特性，可包括第一偏振特性和第二偏振特性，图2中以A和B分别表示第一偏振特性和第二偏振特性，光源101产生的光线包括第一偏振特性和第二偏振特性，表示为AB。

具体的，准直元件102设置在光源101与光特性转换元件103之间，光源发出的光线AB首先经准直元件102透射后，调整为平行出射的光线AB，图1中示意出了光源101出射的大角度光线经准直元件102后调整为平行出射的光线。准直光线AB经过光特性转换元件103之后，虽然光特性转换元件103可以转换光线AB的偏振特性，但是由于光线AB具有多偏振特性，因此光线AB通过光特性转换元件103后仍是一种多偏振特性光线，即光线AB透过光特性转换元件103后仍然可以看作是光线AB。其中，多特性的光线AB中包含第一偏振特性和第二偏振特性，即光线AB可以分解出光线A和光线B。当多特性的光线AB射向第一透反元件104后，由于第一透反元件104透过第一偏振特性的光线、并反射第二偏振特性的光线的特点，使得光线A透过、并反射光线B，从第一透反元件104透过的光线A即为具有所需特性的光线，之后即可将光线A出射至液晶层106。同时，光特性转换元件103允许光线双向透过，即光特性转换元件103允许光线从表面1032射入并从表面1031透过，也允许光线反过来从表面1031射入并从表面1032透过；光特性转换元件103的两个表面1031和1032均可作为入光面，即靠近光源101并接收光源101发出光线的表面，另一面则作为出光面，即靠近第一透反元件104并出射光线至第一透反元件104的表面，均可起到光特性转换的作用。从第一透反元件104反射的光线B首次透过光特性转换元件103后，光特性转换元件103将具有第二偏振特性的光线B转换为具有与第二偏振特性不同的其他偏振特性的光线C。之后，光线C经过反射导光体105的反射后，沿入射到反射导光体105的反方向再次出射，可以再次透过光特性转换元件103，此时光特性转换元件103将光线C转换为具有另一偏振特性的光线D。若光线D也具有第一偏振特性，则具有第一偏振特性的光线D也可以透过第一透反元件104。

具体的，反射导光体105的内表面可对光线起到反射作用，反射作用包括普通反射或全反射；反射导光体105的内表面环绕设置在光源101的四周，光源101出射的光线AB到达反射导光体105时，光线在反射导光体内表面上发生反射或全反射，随后光线到达准直元件102，不会阻挡光线经过；当光源101发出的光线也可能直接到达准直元件102，不会在发射导光体105的内表面发生反射或全反射，也即反射导光体105不会影响光源101发出光线的出射传播。光线AB依次经过准直元件102、光特性转换元件103及第一透反元件104，反射回的光线B第一次到达光特性转换元件103，转化为光线C随后到达反射导光体105的内表面，反射导光体105的形状经过特殊设计，光线C会在反射导光体105内部发生反射，最终沿入射方向的反方向反射并第二次经过光特性转换元件103。设置反射导光体105的目的在于使反射回的光线类似于光源101最初光线的出射路径，如果不设置反射导光体105或只设置普通的反射元件，光线C不沿入射方向的反方向反射，此时反射的光线C与光源101最初出射方向差异过大，即使到达光特性转换元件103，最终也难以利用，即对抬头显示装置的成像光线没有贡献。可以理解，在描述光特性转换的过程中，反射回的光线C可能经过准直元件102，也可能不经过准直元件102；准直元件102不改变光线的偏振特性，所以光线C是否经过准直元件102对光特性转换过程没有影响，只要保证反射回的光线C经反射导光体105，并将光线C的方向调整为沿入射方向的反方向出射即可。

若光线D不具有第一偏振特性，则经第一透反元件104反射后第三次透过光特性转换元件103，之后再经反射导光体105反向反射后，第四次透过光特性转换元件103；若第四次透过光特性转换元件103的光线具有第一偏振特性，则其可透过该第一透反元件104，否则该光线继续被第一透反元件104反射，直至偶数次经过光特性转换元件103后的光线具有第一偏振特性。其中，第一透反元件104在可以反射第二偏振特性的光线的同时，还可以反射其他特性的光线，例如第一偏振特性的光线为具有第一偏振方向的线偏振光，第二偏振特性的光线可以为具有第二偏振方向的线偏振光，而第一透反元件104除了可以反射具有第二偏振方向的线偏振光，还可以反射圆偏振光。

抬头显示装置在使用时，因挡风玻璃对S偏振态光线反射率高，对P偏振态光线反射率很低，因此抬头显示器的图像源一般为发出S偏振态光线的LCD显示器，LCD只能利用特定偏振方向的偏振光实现显示成像，传统方式一般只是筛选出具有所需特性的光线，例如LCD工作时所需的特定偏振方向的偏振光，其余偏振方向的光线则反射或吸收发热，造成其余特性光线的浪费，光线利用率低。本发明实施例通过设置准直元件102、光特性转换元件103、第一透反元件104和反射导光体105，使得第一透反元件104所反射的第二偏振特性的光线利用光特性转换元件103转换透过光线的功能，和反射导光体105使光线沿原入射方向返回的功能，转换为包含第一偏振特性的光线，从而允许转换后的光线通过该第一透反元件104。即本实施例中通过设置准直元件102、光特性转换元件103、第一透反元件104和反射导光体105，将原本浪费的第二偏振特性的光线转换为所需的第一偏振特性的光线并透出，从而提高了光源射出光线的利用率和透光率，通过小功率的光源即可透出高亮度的光线，可以减小光源的能耗；同时，由于透光率提高，装置不会吸收大量的光能，发热量较小，对散热要求较低。因此，本发明实施例提供的抬头显示装置可提高光线利用率，进而提升抬头显示器的画面亮度，同时抬头显示装置的能耗较小，散热要求低。

需要说明的是，本实施例以及后续实施例的附图中，为了更加方便的描述抬头显示装置，本实施例以及后续实施例的附图中，为了方便描述光线的传播情况或方向，光源101、准直元件102、光特性转换元件103、第一透反元件104、反射导光体105、液晶层106和第二透反元件201之间的大小比例与实际实施时不完全相符，附图仅为说明和解释示意，并不代表本发明实施例抬头显示装置各元件的实际大小或实际比例，本实施例及后续附图中的各元件可认为是为解释本发明而示意的局部放大原理图。同时，本实施例及后续附图中在各个元件之间均间隔了一段距离，比如图1、图2中的各元件之间有一段间隔，但并不用于表示二者之间必须存在间隔，如光特性转换元件103和第一透反元件104之间可以全贴合，或者二者之间的间隔很小。后续实施例中其他相邻的两个元件之间的设置方式也是如此，除非特别说明两个元件之间需要间隔一定的距离。同时，为了方便表述，本实施例附图中反射导光体105所反射的光线C的反射方向与入射方向完全相反；但在实际情况下，由于反射导光体105加工工艺的限制，反射导光体105不可能将入射至本体的光线完全按照入射方向的反方向回射，实际应用中也可以有少量光线不沿入射光线的反方向回射。

此外，本实施例中的第一透反元件104用于“透过第一偏振特性的光线、并反射第二偏振特性的光线”，指的是第一透反元件104“可以透过第一偏振特性的光线、并可以反射第二偏振特性的光线”，并不意味着第一透反元件104“只能透过第一偏振特性的光线、并只能反射第二偏振特性的光线”，也不意味着第一偏振特性的光线能够全部透过第一透反元件104，第二偏振特性的光线经第一透反元件104时能够全部反射。同时，由于制造工艺的限制，即使第一透反元件104需要完全透过第一偏振特性的光线、并完全反射第二偏振特性的光线，在实际应用中也会存在误差，比如少量的第一偏振特性的光线也可以被第一透反元件104反射，少量的第二偏振特性的光线也可以透过该第一透反元件104。

可以理解，本实施例中第二偏振特性的光线偶数次经过光特性转换元件103后转换生成的光线包含第一偏振特性的光线，偶数次是指从光源101发出的光线经第一透反元件104反射后，以起始特性是第二偏振特性的光线经过偶数次透过光特性转换元件103，此时记为首次经过。光源101发出的光线第一次经过光特性转换元件103后，光线包括第一偏振特性和第二偏振特性，并非第二偏振特性的光线，所以光线首次经过光特性转换元件不计入次数。也即，对于光源101发出的包括第一偏振特性和第二偏振特性的光线而言，奇数次经过光特性转换元件转换生成的光线包含第一偏振特性的光线；而对于经第一透反元件反射的第二偏振特性的光线而言，偶数次经过光特性转换元件103后转换生成的光线包含第一偏振特性的光线。如图2所示，光线B为经第一透反元件104反射后，包含第二偏振特性的光线，可认为是起始光线，光线B透过光特性转换元件103转换为光线C，此时为第一次透过光特性转换元件103；之后光线C转换为光线D时，虽然光线C与光线B并不一定是相同的光线，但是由于光线C是由光线B得到的，故将光线C穿过光特性转换元件103生成光线D这一过程看作是光线B第二次透过光特性转换元件103。同样的，第二偏振特性的光线第四次、第六次等偶数次透过光特性转换元件103与上述过程类似，此处不做赘述。

在本发明上述实施例的基础上，反射导光体105可为正三角锥形状、等腰三角锥形状、立方锥形状或球形，光源101设置在反射导光体105的顶点。具体的，如图2及图3所示，图中反射导光体105为正三角锥形状进行示意说明，光源101设置在正三角锥的顶点1051处，顶点1051相对于反射导光体出光面1052的顶点。具体的，顶点1051为正三角锥三条直角边相交的顶点，顶点1051处相邻的3条直角边(图3中以两条实线和一条虚线表示)之间两两相互垂直；反射导光体105的出光面1052具体是朝向光特性转换103的表面；反射导光体105的数量一个或多个，本实施例对反射导光体105的数量不做限定。需要说明的是，说明书其他附图(如图2)中为方便解释示意，仅绘制出正三角锥的两条直角边，并不代表正三角锥只包括两条直角边。

具体的，反射导光体105可为中空壳体，壳体的内表面包含反光面，壳体的出光口朝向光特性转换元件103，光源101设置在壳体远离出光方向的端部，端部可为顶点1051，壳体可为正三角锥形状、等腰三角锥形状和立方锥形状。光线C入射至反射导光体105的内表面时，在反射导光体105内表面的反光面上发生多次反射，最终光线C的出射方向与入射方向相反，如图4a示意性的给出了正三角锥形状的中空壳体对光线C起到反向反射作用的过程示意图，光线C在壳体的内表面上发生三次反射后沿入射方向的反方向出射。

在另一种实施方式中，反射导光体105为实心透明部件，光线在所述实心透明部件内部传输并在实心透明部件的内表面发生全反射，实心透明部件的出光方向朝向光特性转换元件103，光源101设置在实心透明部件远离出光方向的端部，实心透明部件的折射率大于1，实心透明部件可为正三角锥形状、等腰三角锥形状、立方锥形状或球形。可以理解，实心透明部件设置光源的端部，也即为实心透明部件的顶点1051。光线C入射至反射导光体105的内表面时，在反射导光体105内表面的反光面上发生一次或多次反射，最终光线C的出射方向与入射方向相反，如图4b、4c示意性的给出了正三角锥形状及立方锥形状的实心透明部件对光线C起到反向反射作用的过程示意图，光线C在实心透明部件内经过三次全反射后以入射方向的反方向出射，本领域技术人员可以理解，实心透明部件的折射率大于1，是为了保证满足光线在实心透明部件与空气界面的全反射条件；当光线的全反射界面不再是空气界面，如是实心透明部件与水的界面时，实心透明部件的折射率大于1.33。图4d示意性的给出了球形的实心透明部件对光线的C起到反向反射作用的过程示意图，光线C在球形的实心透明部件内经过一次反射后出射，特别的，在球形实心透明部件发生反射的界面处需要设置高反射涂层，光线C从球形实心透明部件105的上表面折射后射向高反射涂层，经反射后射回球形实心透明部件105的上表面，再次折射后光线C沿入射方向的反方向出射。本领域技术人员可以理解，任何可实现反向反射功能的壳体或实心透明部件，均可作为本发明实施例中反射导光体105的具体实施方式。

光源101设置在反射导光体的顶点1051，在具体实施时，为了方便安装光源101，可以对反射导光体的顶点1051进行切割，顶点1051可以为一个较小的端部缺口1053，保证有足够的空间安装光源101，如图5a及图5b所示，分别示出了反射导光体105为中空壳体和实心透明部件时，包括可设置光源101的端部缺口1053的示意图。进一步的，反射导光体105放置光源101的端部缺口处，还可设置基板1054，光源101设置在基板1054上，反射导光体105可与基板1054一体成型或分设，本发明实施例对此不做限定。

可以理解，反射导光体105主要是靠近光源101的壳体的反光面或实心部件的内反射面起到反向反射的作用，因此反射导光体也可以只保留设置在光源101四周的部分壳体或实心透明体，如图6所示，图6相对于图3只保留了光源101附近可起到反向反射的作用的部分结构。

在本发明上述实施例的基础上，准直元件102将光源101发出光线的出射方向调整至预设角度范围内，具体的，准直元件102将光源101发出光线的出射方向调整至平行出射，如图1及图2所示，光源101出射的光线具有较大的发散角，经过准直元件102后，准直元件102将出射方向调整为平行出射，预设角度可认为是光线主轴(光线强度最大处，如图1中的中心光线)与光线强度较小处(如光强最小处、最大光强的1/10处)的夹角，也可认为是与准直元件102的光轴或表面法线之间的夹角。当光线被调整为平行出射时，此时可认为预设角度为0，即光线的出射方向与准直元件102表面法线平行；准直元件102也可以将光线调整为在预设角度范围内但不平行的光线，如与准直元件102表面法线之间的预设角度范围为±40°、±35°、±20°、±10°或±1°等，本实施例对此不做限制。具体的，准直元件102可为准直透镜或准直膜，图1及图2中以准直透镜进行解释示意。该准直透镜包括凸透镜、菲涅尔透镜、透镜组合(例如凸透镜与凹透镜的组合，菲涅尔透镜与凹透镜的组合等)中的一种或多种。具体的，该准直元件102可以为凸透镜，则光源101可以设置在凸透镜的焦距处，即凸透镜与光源位置之间的距离为凸透镜的焦距，以使得光源101发出的不同方向的光线经准直元件101后可以平行射出。或者，准直元件102可以为准直膜，比如BEF膜(BrightnessEnhancement Film)，用于将光线的出射方向调整至预设角度范围内，例如将光线聚集在准直膜法线的±35°的角度范围内。准直透镜可以覆盖光源101发出的所有光线，也可以覆盖光源101发出的部分光线，本实施例对此不做限定。

在本发明上述实施例的基础上，第一偏振特性的光线与第二偏振状态的光线的偏振状态不同，偏振状态具体可以包括线偏振、椭圆偏振和圆偏振。具体的，第一偏振特性的光线为水平线性偏振光，第二偏振特性的光线为垂直线性偏振光；或第一偏振特性的光线为垂直线性偏振光，第二偏振特性的光线为水平线性偏振光；或第一偏振特性的光线为左旋圆偏振光，第二偏振特性的光线为右旋圆偏振光；或第一偏振特性的光线为右旋圆偏振光，第二偏振特性的光线为左旋圆偏振光；或第一偏振特性的光线为左旋椭圆偏振光，第二偏振特性的光线为右旋椭圆偏振光；或第一偏振特性的光线为右旋椭圆偏振光，第二偏振特性的光线为左旋椭圆偏振光。

在本发明上述实施例的基础上，光特性转换元件103为1/4波片，通过改变光线的相位实现光线偏振状态的改变，可以把偶数次经过自身后的具有线性偏振状态的光线(第二偏振特性的光线)转换为具有另一种线性偏振状态的光线(包含第一偏振特性的光线)，从而实现光线的高利用率。具体的，第一偏振方向的线偏振光线两次经过1/4波片后会转变为第二偏振方向的线性偏振光。

在本发明一个优选的实施方式中，第一透反元件104透射第一偏振方向的线偏振光且反射第二偏振方向的线偏振光，光特性转换元件103为1/4波片。具体参见图2所示，光源101发出的具有一定发散角度的自然光AB经过准直元件102调整为平行出射的光束AB，光线AB平行出射后仍为自然光；自然光的光线AB经1/4波片后，是大量的各种长短轴比例的椭圆偏振光的集合，仍然是自然光，即仍然为光线AB。自然光可以分解为第二线偏振光和第一线偏振光，当光线AB射至第一透反元件104后，其中的第一线偏振光(即第一偏振特性的光线A)即可透过该第一透反元件104，第二线偏振光(第二偏振特性的光线B)反射至1/4波片，即光线B反射至1/4波片。之后，第二线偏振光B透过1/4波片后转换为圆偏振光(即光线C)，圆偏振光的光线C经反射导光体105反向反射后，再次透过1/4波片，将圆偏振光的光线C转换为第一线偏振光(即光线D)，此时光线D与光线A均为第一线偏振光，即第二线偏振的光线B经过两次透过1/4波片后即可转换为第一线偏振光，从而光线D也可以透过第一透反元件104。在不考虑其他损耗的情况下，光源AB发出的光线可以完全以第一线偏振光的形式(包括光线A和光线D)发出，大大提高了光源发光的利用率。

需要说明的是，线偏振光经过1/4波片后转换为椭圆偏振光，当线偏振光的偏振方向与1/4波片的光轴之间的夹角为45°或135°时，才会转换为标准的圆偏振光。本实施例为了方便解释，以线偏振光透过1/4波片后转换为圆偏振光为例说明。

在本发明上述实施例的基础上，第一透反元件104可为高分子薄膜、无机氧化物薄膜或光子晶体，均可实现偏振光的选择性透过和反射。具体的，高分子薄膜包括反射式偏振膜(Reflective Polarizer Mirror，RPM)膜或双层增亮薄膜(Dual BrightnessEnhancement Film，DBEF)，利用RPM膜或DBEF实现透射第一线偏振光且反射第二线偏振光；无机氧化物薄膜由五氧化二钽、二氧化钛、氧化镁、氧化锌、氧化锆、二氧化硅、氟化镁、氮化硅、氮氧化硅、氟化铝中的一种或多种堆叠而成；光子晶体可用于单入射角度透过第一偏振特性的光线，其中，“单入射角度”指的是光线的入射角度为特定的一个角度、或入射角度在预设的入射角度范围内，即只有沿着某些特定的入射角度(例如垂直入射至光子晶体表面等)或入射角度范围入射到光子晶体上的具有第一偏振特性的光线，才可以透过光子晶体。

在本发明上述实施例的基础上，参见图7所示，抬头显示装置还包括光线聚集元件107；光线聚集元件107设置在第一透反元件104远离光特性转换元件103的一侧。光线聚集元件107用于将光线聚集至预定区域，通过设置光线聚集元件107，可以将光线集中聚集到一个较小的范围，如图7中预定区域为一个点，本领域技术人员可以理解，预定区域也可为一个较小的区域，本实施例对此不做限定。可以理解，当不存在第二透反元件201时，光线汇聚至预定区域，在预定区域内可观察到完整的图像，并且因为光线聚集在较小的区域内，对光线实现了高效利用，因此成像亮度很高。当存在第二透反元件201时，驾驶员在预设位置处(即为预定区域相对于第二透反元件的虚像位置)就可观察到高亮度的HUD图像。其中，光线聚集元件107具体可以为菲涅尔透镜，也可以为凸透镜，还可以为透镜组合(比如凸透镜与凹透镜的组合，菲涅尔透镜与凹透镜的组合等)。例如，光线聚集元件107为凸透镜，则该预定区域即为凸透镜的焦点位置。

在本发明上述实施例的基础上，为了扩大成像范围，以增加观察者观察图像的区域，抬头显示装置还包括弥散元件108，弥散元件108可将光线弥散为特定截面形状的光束。如图8所示，光线经过弥散元件108后，会转变为在截面具有特定形状的光束，图8中以矩形进行示意，光束截面的大小和形状由弥散元件108的微观结构所决定，光束截面形状包括但不限于圆形、椭圆形、正方形或长方形，弥散元件108还可以将光线转变为至少两个分离的且具有特定截面形状的光束，如图9中以光线转化为两束截面为矩形的光束进行说明。弥散元件108具体可以为衍射光学元件(Diffractive Optical Elements,DOE)，例如光束整形片(Beam Shaper)。弥散后的光斑在侧视方向的弥散角为10度，优选为5度；在正视方向的弥散角为50度，优选为30度。

具体的，弥散元件108具体可以位于光线聚集元件107远离第一透反元件104的一侧，如图10所示。图10中的虚线光线代表未设置弥散元件108时的光路，光线最终汇聚在一个较小的范围。增设弥散元件108后，光线以一定的弥散角度发散，图10中以实线光线表示，可以看出光线最终汇聚在一个较大的范围内，这样就可以保证抬头显示装置具有较大的可视范围，驾驶员双眼在此范围内都可以观察到HUD图像，进一步扩大了HUD的使用范围。

具体的，弥散元件108还可以位于第一透反元件104与光线聚集元件107之间，具体的过程与上述实施例类似，不再赘述。设置多个弥散元件108会使光线的分布更加均匀，实施例和示意图中为方便说明解释，均以一个弥散元件108为例进行说明，本发明实施例对弥散元件108的数量不做限制。

在本发明上述实施例的基础上，一个光源101可以对应设置一个反射导光体105，如图1所示；也可以多个光源101共用一个反射导光体105，当存在多个光源101时，多个光源101可以按照矩阵形式排列，如4个光源101排列为2*2的矩阵，共用一个反射导光体105，如多个光源101共用一个中空壳体或实心透明部件，图11为俯视图，图中4个光源101对应设置一个反射导光体105，光源101设置在相对于反射导光体出光面1052的端部缺口1053处。

在上述实施例的基础上，参见图12所示，抬头显示装置还包括光线阻隔元件109，该光线阻隔元件109设置在液晶层106远离光源101的一侧，光线阻隔元件109用于限制图像光线的出射角度。具体的，光线阻隔元件109包括多个设有预设高度的光线阻隔栅栏，通过多个凸起的光线阻隔栅栏形成栅栏阵列，来物理阻挡光线在某些方向的传播。通过设计光线阻隔栅栏的高度和宽度，可以限制观测者可看到光线的角度。如图12所示，通过光线阻隔元件109，将液晶层106射出的光线限制在角度α内，从而形成了可观察区域；即人眼eye-1位于可观察区域内，此时可以看到图像光线，但是人眼eye-2位于可观察区域之外，使得人眼eye-2并不能看到图像光线。进一步的，光线阻隔元件109表面还包括可对外部环境光线如太阳光进行散射的磨砂层，可防止外部环境光线在光线阻隔元件109表面反射产生眩光，进而影响正常的驾驶。本领域技术人员可以理解，图1至图11所对应的实施例均可以包含光线阻隔元件109，此处不做赘述。

图13为抬头显示装置增设光线阻隔元件109的整体示意图，为方便解释说明，图中仅示意性的给出光源101、反射导光体105和光线阻隔元件109。光线阻隔元件109可以避免驾驶者直接观看到抬头显示器的屏幕，光线阻隔元件109的光线阻隔栅栏的高度方向朝向第二透反元件201，图13中以小矩形表示光线阻隔栅栏，抬头显示装置工作时，其在液晶层表面会形成实像、且通过第二透反元件201还会形成虚像，由于设置了光线阻隔元件109，驾驶员的眼睛eye-3不能看到抬头显示器屏幕上的实像，只能通过第二透反元件201观看到抬头显示器所成的虚像；即从用户所在的位置不能直接观看到抬头显示器的屏幕，从而在用户驾驶车辆时，可以避免因抬头显示器屏幕成实像时的亮度影响用户的视野，或者对用户造成眩晕，可以提高驾驶时的安全性。

在本发明上述实施例的基础上，抬头显示装置还包括至少一个反射元件，如图14所示，反射元件301设置在液晶层106与第二透反元件201之间，将所述图像光线出射至所述第二透反元件。具体的，反射元件301设置在液晶层106与第二透反元件201之间，是指反射元件301设置在液晶层106出射的图像光线的光路上。为方便解释说明，图中仅示意性的给出出射图像光线的液晶层106。具体的，反射元件301可为曲面反射镜，图14中以曲面反射镜为例进行示意。通过设置曲面镜3011，可增加虚像的成像距离，同时曲面镜3011还可对图像起到一定的放大作用；反射元件301还包括平面反射镜3012，增加平面反射镜3012可对光路起到折叠作用，减小抬头显示装置的体积，增加装置的适用性，如图15所示。进一步的，曲面镜3011可为自由曲面镜，平面镜3011可为铝镜或介质膜反射镜，本实施例对此不做限制。

本发明上述实施例提供的抬头显示装置，将原本需要过滤掉的第二偏振特性的光线转换为所需的第一偏振特性的光线并透出，从而提高了光源射出光线的利用率和透光率，通过小功率的光源即可透出高亮度的光线，方便后续高亮度成像，减小光源的能耗；同时，由于透光率提高，装置不会吸收大量的光能，发热量较小，对HUD的散热要求较低。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (19)

1.一种抬头显示装置，其特征在于，包括：

光源，发出光线并且所述光源发出的光线入射至准直元件；其中，所述光源发出的光线包含第一偏振特性和第二偏振特性；

光特性转换元件，所述光特性转换元件转换透过的光线的偏振特性，且所述光特性转换元件允许光线双向透过；所述第二偏振特性的光线经偶数次透过所述光特性转换元件后转换生成的光线包含所述第一偏振特性的光线；

准直元件，所述准直元件将所述光源发出光线的出射方向调整至预设角度范围内；所述准直元件设置在所述光源与所述光特性转换元件之间，将光线经所述准直元件透射后准直，发射至所述光特性转换元件；

第一透反元件，所述第一透反元件透过第一偏振特性的光线，并反射第二偏振特性的光线；

反射导光体，被所述第一透反元件反射的光线透过所述光特性转换元件，并入射到所述反射导光体，所述反射导光体将入射至所述反射导光体内表面的光线经内部反射后沿入射方向的反方向反射；

液晶层，所述液晶层接收所述第一透反元件出射的光线并出射图像光线，所述液晶层设置在所述第一透反元件远离所述光源的一侧；

第二透反元件，所述第二透反元件将所述图像光线反射至预设位置。

2.根据权利要求1所述的抬头显示装置，所述反射导光体包括正三角锥形状、等腰三角锥形状、立方锥形状或球形；

所述光源设置在所述反射导光体的顶点。

3.根据权利要求2所述的抬头显示装置，其特征在于，所述反射导光体为中空壳体，所述壳体的内表面包含反光面，所述壳体的出光口朝向所述光特性转换元件，所述光源设置在所述壳体远离出光方向的端部。

4.根据权利要求2所述的抬头显示装置，其特征在于，所述反射导光体为实心透明部件，光线在所述实心透明部件内部传输并在所述实心透明部件的内表面发生全反射，所述实心透明部件的出光方向朝向所述光特性转换元件，所述光源设置在所述实心透明部件远离出光方向的端部；

所述实心透明部件的折射率大于1。

5.根据权利要求3或4所述的抬头显示装置，其特征在于，所述反射导光体包括用于设置所述光源的端部缺口。

6.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述光源、所述准直元件、所述光特性转换元件、所述第一透反元件和所述液晶层依次设置。

7.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述准直元件将所述光源发出光线的出射方向调整为平行出射。

8.根据权利要求7所述的抬头显示装置，其特征在于，所述准直元件包括准直透镜或准直膜。

9.根据权利要求8所述的抬头显示装置，其特征在于，所述准直透镜包括凸透镜、凹透镜、菲涅尔透镜或以上几种透镜组合中的一种或多种。

10.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述第一透反元件为高分子薄膜、无机氧化物薄膜或光子晶体中的一种或多种。

11.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述光特性转换元件包括1/4波片。

12.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，还包括：光线聚集元件；

所述光线聚集元件设置在所述第一透反元件远离所述光特性转换元件的一侧；

所述光线聚集元件将光线聚集至预定区域。

13.根据权利要求12所述的抬头显示装置，其特征在于，还包括：弥散元件；

所述弥散元件将光线弥散为具有特定截面形状的光束。

14.根据权利要求13所述的抬头显示装置，其特征在于，所述弥散元件设置在所述光线聚集元件远离所述第一透反元件的一侧。

15.根据权利要求13所述的抬头显示装置，其特征在于，所述弥散元件设置在所述第一透反元件与所述光线聚集元件之间。

16.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述抬头显示装置包括至少两个所述光源；所述光源与所述反射导光体的数量相同且一一对应。

17.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述抬头显示装置包括至少两个所述光源；所述光源的数量小于所述反射导光体的数量，且所述多个光源对应一个所述反射导光体。

18.根据权利要求1-17任一项所述的抬头显示装置，其特征在于，还包括至少一个反射元件，所述反射元件设置在所述液晶层与所述第二透反元件之间，将所述图像光线出射至所述第二透反元件。

19.根据权利要求18所述的抬头显示装置，其特征在于，所述反射元件包括曲面反射镜或平面反射镜。

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