CN111948816A - 一种抬头显示系统及机动车 - Google Patents

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CN111948816A CN202010397894.8A CN202010397894A CN111948816A CN 111948816 A CN111948816 A CN 111948816A CN 202010397894 A CN202010397894 A CN 202010397894A CN 111948816 A CN111948816 A CN 111948816A
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吴慧军
徐俊峰
方涛
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Future Beijing Black Technology Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种抬头显示系统及机动车，该抬头显示系统包括：多个光源、导光元件、分离式光扩散元件、图像形成元件和透反元件，所述多个光源发出的光线经所述导光元件传输至图像形成元件，所述分离式光扩散元件将所述光源发出的光线扩散成至少两个不同方向的光束，每个所述光束包括预设形状的截面，所述图像形成元件将光线转化为图像光线，所述图像光线在所述透反元件上反射，反射光线射向至少两个不同的观察区域。通过本发明实施例提供的抬头显示系统，交通工具内的不同观察者可在至少两个区域观察到图像，可扩展多人多角度观看等应用，提升了HUD的使用体验与便利性，扩展了HUD的应用场景。

Description

一种抬头显示系统及机动车
技术领域
本发明属于光学显示技术领域，具体涉及一种抬头显示系统及机动车。
背景技术
HUD(head up display)是通过反射式的光学设计，将图像源发出的光线最终投射到成像窗(成像板、挡风玻璃等)上，驾驶员无需低头就可以直接看到画面，避免驾驶员在驾驶过程中低头看仪表盘所导致的分心，提高驾驶安全系数，同时也能带来更好的驾驶体验。HUD图像源发出的光线在透明成像窗上发生反射，反射光线进入驾驶员的眼睛，使得驾驶员可以看到HUD图像源上显示的画面在成像窗的另一侧空间呈现的虚像。与此同时，透明的成像窗另一侧的环境光线依然可以透射，使得驾驶员在看到HUD成像的同时，还不影响驾驶中观察车外情况。
但现有的HUD设计基本只能在一个区域内观看，如驾驶员处内观察到图像，在实际使用中带来诸多不便，限制了HUD的应用场景与进一步推广。
发明内容
为了克服现有技术中HUD视角受限的问题，本发明实施例提供一种抬头显示系统及机动车。
本发明的一方面提供一种抬头显示系统，包括：多个光源、导光元件、分离式光扩散元件、图像形成元件；
所述多个光源沿第一方向扩展排列成光源线阵列，所述多个光源被构造成依靠电能产生光线；
所述导光元件设置在所述多个光源的出光方向上；所述导光元件的内反射面朝向所述多个光源且形成允许光线通过的内部空间；所述多个光源发出的光线经所述导光元件形成的内部空间传输至所述图像形成元件；
所述分离式光扩散元件将所述多个光源发出的光线扩散成至少两个不同方向的光束，每个所述光束包括预设形状的截面；
所述图像形成元件将所述多个光源发出的光线转化为图像光线。
在本发明的一种实现方式中，该抬头显示系统还包括：透反元件；
所述透反元件设置在所述图像形成元件远离所述多个光源的一侧，所述图像光线在所述透反元件上反射，反射光线射向至少两个不同的观察区域；
所述导光元件、所述分离式光扩散元件及所述图像形成元件设置在所述多个光源与所述透反元件之间。
本发明的另一种实现方式中，所述导光元件、所述分离式光扩散元件及所述图像形成元件依次设置在所述多个光源与所述透反元件之间。
本发明的另一种实现方式中，所述导光元件、所述图像形成元件及所述分离式光扩散元件依次设置在所述多个光源与所述透反元件之间。
本发明的另一种实现方式中，所述抬头显示系统包括多个沿第二方向排列的光源线阵列；
多个所述导光元件一一对应的设置在与其对应的所述光源线阵列的出光方向上。
本发明的另一种实现方式中，所述导光元件包括设有内反射面的中空壳体；
所述中空壳体包括用于设置所述多个光源的端部和远离所述端部的出光开口；
所述出光开口的尺寸大于所述端部的尺寸。
本发明的另一种实现方式中，所述中空壳体的出光开口朝向所述图像形成元件；
所述多个光源发出的光线经所述中空壳体的内部空间传输并在所述内反射面上反射，反射光线经过所述出光开口传输至所述图像形成元件。
本发明的另一种实现方式中，所述中空壳体包括相对设置的第一内反射面及第二内反射面；
所述第一内反射面及所述第二内反射面沿所述第一方向延伸。
本发明的另一种实现方式中，所述中空壳体还包括相对设置的第三内反射面和第四内反射面；
所述第三内反射面分别和所述第一内反射面、所述第二内反射面相接；
所述第四内反射面分别和所述第一内反射面、所述第二内反射面相接。
本发明的另一种实现方式中，所述第一内反射面和所述第二内反射面沿所述第一方向延伸的长度，大于所述第三内反射面与所述第一内反射面、所述第二内反射面相接部分的长度；
和/或，所述第一内反射面和所述第二内反射面沿所述第一方向延伸的长度，大于所述第四内反射面与所述第一内反射面、所述第二内反射面相接部分的长度。
本发明的另一种实现方式中，所述中空壳体的内反射面包括平面面形或曲面面形。
本发明的另一种实现方式中，所述图像形成元件包括液晶显示面板。
本发明的另一种实现方式中，所述分离式光扩散元件包括光线定向层和光线扩散层；
所述光线定向层将所述多个光源发出的光线沿至少两个不同方向出射；
所述光线扩散层将所述沿至少两个不同方向出射的光线扩散为至少两个光束；
所述光线定向层朝向所述多个光源，所述光线扩散层设置在所述光线定向层远离所述多个光源的一侧。
本发明的另一种实现方式中，所述抬头显示系统还包括：准直元件；
所述准直元件设置在所述多个光源与所述图像形成元件之间；
所述准直元件将所述多个光源发出的光线调整为平行光线。
本发明的另一种实现方式中，所述准直元件设置在所述中空壳体的内部，且所述准直元件的尺寸小于所述中空壳体的出光开口尺寸。
本发明的另一种实现方式中，所述准直元件设置在所述中空壳体的出光开口外侧，且所述准直元件的尺寸大于或等于所述中空壳体的出光开口尺寸。
本发明的另一种实现方式中，所述准直元件包括准直透镜或准直膜中的至少一种。
本发明的另一种实现方式中，所述准直透镜包括平凸柱面透镜、平凹柱面透镜、双凸柱面透镜、双凹柱面、弯月柱面镜、柱交柱面镜或以上几种透镜组合中的一种或多种。
根据权利要求1所述的抬头显示系统，其特征在于，所述抬头显示系统还包括弥散元件；
所述弥散元件与所述分离式弥散元件层叠设置，且所述弥散元件与所述分离式光扩散元件之间间隔预设距离；
所述弥散元件将所述多个光源发出的光线扩散。
本发明的另一种实现方式中，所述预设距离为40～50mm。
本发明的另一种实现方式中，弥散元件为衍射光学元件或散射光学元件。
本发明的另一种实现方式中，所述至少两个观察区域包括对应交通工具驾驶员的观察区域及乘客的观察区域。
本发明的另一种实现方式中，所述至少两个观察区域包括对应交通工具内任意至少两个乘客的观察区域。
本发明的另一方面提供一种机动车，包括上述任一实施例中所述的抬头显示系统。
本发明实施例提供的上述方案中，通过设置多个光源、导光元件、分离式光扩散元件和图像显示层，导光元件将多个光源发出的光线传输，分离式光扩散元件将光源发出的光线扩散成至少两个不同方向的光束，每个光束包括预设形状的截面；图像显示层将入射光线转化并出射图像光线，图像光线在透反元件上反射，反射光线射向至少两个不同的观察区域，观察区域与扩散后的光束一一对应，HUD可在至少两个区域观察到图像，可扩展多人多角度观看等应用，提升了HUD的使用体验与便利性，扩展了HUD的应用场景。
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
图1显示了本发明一个实施例抬头显示系统的结构示意图一；
图2显示了本发明一个实施例抬头显示系统的结构示意图二；
图3显示了本发明一个实施例抬头显示系统的结构示意图三；
图4显示了本发明一个实施例多个沿第二方向排列的光源线阵列示意图；
图5显示了本发明一个实施例中空壳体的示意图；
图6显示了本发明一个实施例抬头显示系统的局部结构示意图一；
图7显示了本发明一个实施例抬头显示系统的局部结构示意图二；
图8显示了本发明一个实施例分离式光扩散元件对光线作用的示意图一；
图9a显示了本发明一个实施例分离式光扩散元件的结构示意图一；
图9b显示了本发明一个实施例分离式光扩散元件的结构示意图二；
图10a显示了本发明一个实施例分离式光扩散元件对光线作用的示意图二；
图10b显示了本发明一个实施例分离式光扩散元件对光线作用的示意图三；
图11显示了本发明一个实施例分离式光扩散元件的结构示意图三；
图12显示了本发明一个实施例分离式光扩散元件的结构示意图四；
图13显示了本发明一个实施例抬头显示系统的局部结构示意图三；
图14显示了本发明一个实施例抬头显示系统的局部结构示意图四；
图15显示了本发明一个实施例抬头显示系统的局部结构示意图五；
图16显示了本发明一个实施例抬头显示系统的局部结构示意图六；
图17显示了本发明一个实施例抬头显示系统的局部结构示意图七；
图18显示了本发明一个实施例抬头显示系统的局部结构示意图八；
图19显示了本发明一个实施例抬头显示系统的局部结构示意图九。
标号说明：100-光源；200-导光元件；300-分离式光扩散元件；400-图像形成元件；500-透反元件；600-准直元件；700-弥散元件；1-图像源；10-第一观察区域；11-第二观察区域；20-第一虚像；21-第二虚像；201-中空壳体；2011-中空壳体端部；2012-中空壳体出光开口；2013-第一内反射面；2014-第二内反射面；2015-第三内反射面；2016-第四内反射面；301-光线定向层；302-光线扩散层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作更进一步的说明。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
需要说明的是，为了描述上的简洁和直观，下文通过描述若干代表性的实施方式来对本发明的方案进行阐述。实施方式中大量的细节仅用于帮助理解本发明的方案。但是很明显，本发明的技术方案实现时可以不局限于这些细节。为了避免不必要地模糊了本发明的方案，一些实施方式没有进行细致地描述，而是仅给出了框架。下文中，“包括”是指“包括但不限于”，“根据……”是指“至少根据……，但不限于仅根据……”。“第一”、“第二”等仅用于对特征的指代，而并不意图对该特征进行任何限制、例如顺序上的限制。由于汉语的语言习惯，下文中没有特别指出一个成分的数量时，意味着该成分可以是一个也可以是多个，或可理解为至少一个。
本实施例提供一种抬头显示系统，参见图1所示，包括：多个光源100、导光元件200、分离式光扩散元件300、图像形成元件400；多个光源100沿第一方向扩展排列成光源线阵列，多个光源100被构造成依靠电能产生光线；导光元件200设置在多个光源100的出光方向上；导光元件200的内反射面朝向多个光源100且形成允许光线通过的内部空间；多个光源100发出的光线经导光元件200传输至图像形成元件400；分离式光扩散元件300将光源100发出的光线扩散成至少两个不同方向的光束，每个光束包括预设形状的截面；图像形成元件400将多个光源100发出的光线转化为图像光线。
进一步的可选的，本发明任一实施例中，该抬头显示系统还可以包括透反元件500，透反元件500设置在图像形成元件400远离多个光源100的一侧，图像光线在透反元件500上反射，反射光线射向至少两个不同的观察区域；导光元件200、分离式光扩散元件300及图像形成元件400设置在多个光源100与透反元件500之间。
本实施例中，光源100可以为点光源、线光源或面光源，光源100的数量可以为至少两个，对此不做限制；光源100具体可为电致发光元件，电致发光元件依靠电能产生光线，包括但不限于发光二极管(Light Emitting Diode,LED)、有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode,OLED)、迷你发光二极管(Mini LED)、微发光二极管(Micro LED)、冷阴极荧光灯管(Cold Cathode Fluorescent Lamp，CCFL)、LED冷光源(Cold LED Light，CLL)、电激发光(Electro Luminescent，EL)、电子发射(Field Emission Display，FED)或量子点光源(Quantum Dot,QD)等。如图1所示，多个光源100沿第一方向扩展排列成光源线阵列，第一方向可为任意方向，保证多个光源100排列成线阵列即可；可选的，多个光源100包括发出白光的电致发光元件，如白光LED；也可以包括发出不同颜色光线的电致发光元件，如包括蓝光LED、红光LED或绿光LED，不同颜色的电致发光元件可用于彩色显示等特殊目的；本发明实施例对多个光源之间的间距也不做限制。
因光源100发出的光线一般具有一定的发散角度，如LED光源发出的光线一般包括90°、120°或150°的发散角度(全角)。发散角度较大的光线难以射向图像形成元件400，因此难以被利用成像，设置导光元件200，导光元件200设置在多个光源100的出光方向上，导光元件200的内反射面朝向多个光源100且形成允许光线通过的内部空间，多个光源100发出的光线经导光元件200传输至图像形成元件400。如图1所示，导光元件200的内反射面朝向多个光源100，多个光源100发出的光线在导光元件200的内部空间中传输至图像形成元件400，同时大发散角度的光线在导光元件200的内反射面上发生反射后传输至图像形成元件400；通过设置导光元件200，可以将多个光源发出的具有一定发散角度的光线聚拢，使尽可能多的光线最终可用于成像，提高光线利用率。
设置分离式光扩散元件300，将多个光源100发出的光线扩散成至少两个不同方向的光束，每个光束包括预设形状的截面，从而对光线的传播方向和扩散状态均进行改变；具体的，截面是指沿光束传播的主光轴(Chief Ray)的截面，预设形状包括但不限于线形、三角形、矩形、正方形、圆形、椭圆形、梯形或平行四边形。本实施例中，分离式光扩散元件300扩散的多个光源100发出的光线，包括直接由多个光源100发出的光线和/或间接由多个光源100发出的光线，其中直接由多个光源100发出的光线具体是指由多个光源100发出、且未经过其他元件的光线；间接由多个光源100发出的光线，具体是指由多个光源100发出、经过了其他元件再出射至分离式光扩散元件300的光线。如图1所示，对于分离式光扩散元件300而言，多个光源100发出的光线经过导光元件传输后到达分离式光扩散元件300，因此在图1对应的实施例中，分离式光扩散元件300是将多个光源100间接发出的光线扩散并形成至少两个不同方向的光束。图1中以多个光源100发出的光线经过分离式光扩散元件300后扩散出两个光束为例进行说明，图中的CRA和CRB代表扩散后形成的两个光束各自的主光轴，主光轴具体是指光束能量分布的中心，指向光束光强最大的方向；主光轴方向具体也可以是光束光强分布对称轴的方向，一般为光束的中心轴方向；主光轴的方向代表了光束光线传播的主要方向，主光轴方向和接近主光轴方向的光线的光强大于其他方向光线的光强，也即可以用光束的主光轴代表光束光线整体的传播和方向变化情况。通过设置分离式光扩散元件300，可将多个光源100发出的光线射向至少两个不同的方向，可在至少两个不同的方向观看抬头显示系统成像，实现了抬头显示系统的多视角应用。
图像形成元件400将多个光源100发出的光线转化为图像光线，如图1所示，分离式光扩散元件300扩散的两个光束再经过图像形成元件400，图像形成元件400将光束光线转化为图像光线并出射图像光线；光线经过图像形成元件后会在图像形成元件400表面形成图像，也即图像形成元件400出射的光线是包括图像信息的图像光线。图像形成元件400几乎不改变光束的主光轴方向，因此两个光束经过图像形成元件400形成的图像光线也包括朝向两个方向的图像光线光束，且两个图像光线光束的主光轴仍为CRA和CRB。本实施例中，图像形成元件400将多个光源100发出的光线转化为图像光线，包括直接由多个光源100发出的光线和/或间接由多个光源100发出的光线，其中直接由多个光源100发出的光线具体是指由多个光源100发出、且未经过其他元件的光线；间接由多个光源100发出的光线，具体是指由多个光源100发出、经过了其他元件再出射至分离式光扩散元件300的光线。如图1所示，对于图像形成元件400而言，多个光源100发出的光线经过导光元件传输后到达分离式光扩散元件300，再到达图像形成元件400，因此在图1对应的实施例中，图像形成元件400是将多个光源100间接发出的光线转化为图像光线。通过设置图像形成元件400将多个光源100发出的光线转化为图像光线，抬头显示系统就可以显示文字、图画或视频等图像信息，观察者就可以看到图像。
透反元件500设置在图像形成元件400远离多个光源的100一侧，图像光线在透反元件500上反射，反射光线射向至少两个不同的观察区域。具体的，如图1所示，两个图像光线光束再在透反元件500上反射，反射光线射向第一观察区域10和第二观察区域11两个不同观察区域，即两个不同方向的光束与观察区域一一对应，使得眼睛位于第一观察区域10和第二观察区域11处的观察者可以看到各自对应的第一虚像20和第二虚像21，第一虚像20和第二虚像21是两个不同的图像光线光束经透反元件500后以反射成像形式所成的虚像，优选的，两个光束在观察区域的截面相互分离；同时，外部环境的光线经过透反元件500透射至第一观察区域10和第二观察区域11。具体的，透反元件500可以为交通工具的挡风玻璃，外部环境可以为交通工具挡风玻璃外侧的环境，观察区域可以为交通工具挡风玻璃内侧的观察者，如乘客或驾驶员的观察区域，驾驶员和乘客就都可以看到HUD的图像，实现多角度观看，同时还可观察到交通工具外部的情况，不影响正常驾驶。具体的，第一观察区域10和第二观察区域11可分别对应设置为乘客和驾驶员的眼盒区域(eyebox)；眼盒区域是指观察者双眼所在的、可以看到HUD图像的区域。此时，只需要上述两个光束分别覆盖驾驶员和乘客的眼盒区域即可，驾驶员和乘客的眼盒区域不重合，两个光束在眼盒区域的截面也分离不重合；优选地，两个光束在第一观察区域10和第二观察区域11处截面的形状与眼盒区域的形状相同，光束的截面尺寸与驾驶员和乘客的眼盒区域接近，恰好覆盖眼盒范围，可以进一步提高光效。本实施例中，第一观察区域10和第二观察区域11均具有一定的尺寸，即使观察者双眼相对于观察区域的中心偏离一定距离，如上下、左右移动一定距离，只要观察者双眼仍处于观察区域内，观察者仍然可以看到HUD的图像。当去除透反元件500时，图像光线会直接射向至少两个不同的区域，至少两个不同区域具体是与其一一对应的不同观察区域相对于透反元件500的镜像位置，此时不同的观察者双眼在上述至少两个不同的区域，可以直接看到图像形成元件400表面所成的图像，即至少两个观察者可以在至少两个不同的区域直接观看到图像形成元件400表面所成的图像。本领域技术人员应当理解，为方便区分第一虚像20和第二虚像21，图1和图2中第一虚像20和第二虚像21之间有一定的距离，但并不限定第一虚像20和第二虚像21在侧视图上有距离差，第一虚像20和第二虚像21在侧视方向上可以有一定距离，也可以没有距离。
导光元件200、分离式光扩散元件300及图像形成元件400设置在多个光源100与透反元件500之间，具体的，如图1所示，导光元件200、分离式光扩散元件300及图像形成元件400依次设置在多个光源100与透反元件500之间；或者，如图2所示，导光元件200、图像形成元件400及分离式光扩散元件300依次设置在多个光源100与透反元件500之间，多个光源100发出的光线经过导光元件200传输后，首先经过图像形成元件400，形成图像光线；图像光线再经过分离式光扩散元件300并扩散为两个不同方向的光束；图像光线可以认为是多个光源100间接发出的光线；两个不同的光束再经透反元件500反射至不同的第一观察区域10及第二观察区域11的过程与上述过程类似，此处不再赘述。
本领域技术人员应当理解，图1及图2为本实施例抬头显示系统应用于交通工具的示意图，图中x方向代表交通工具的行进方向。可以理解，两个不同的观察区域，第一观察区域10和第二观察区域11可以分布在竖直方向(即垂直于交通工具所在xy平面的z方向)，也可以分布在水平方向(即交通工具所在xy平面的y方向)；优选地，第一观察区域10和第二观察区域11分布在水平方向，分别对应为驾驶员和乘客的眼盒区域。图1及图2对应的实施例中，分离式光扩散元件300还可以扩散出更多的光束，对应更多的观察区域，实现过程与上述过程类似，本实施例不再列举及赘述。
图3示出了本实施例抬头显示系统另一个视角的原理示意图，为方便解释说明，本发明实施例中抬头显示系统去除透反元件500外的其他部件可以组成图像源1，图像源1出射图像光线，利用图像源1代替多个光源100、导光元件200、分离式光扩散元件300和图像形成元件400等进行解释说明。图3中选取图像源1的一个较小的显示区域AB为例进行示意，图中的实线箭头代表显示区域AB不同像素点出射的两个光束的主光轴CRA和CRB，不同像素点出射的两个光束分别沿CRA及CRB的主光轴方向出射至透反元件500并发生反射，反射光线分别射向第一观察区域10及第二观察区域11，不同的观察者双眼位于第一观察区域10及第二观察区域11分别可以看到各自对应的第一虚像20和第二虚像21，第一虚像20和第二虚像21形成在透反元件500的外侧。为方便说明，本发明实施例及说明书附图中以透反元件500为平面进行示意，在实际应用中，透反元件500可以是具有带弧度的曲面面形，如挡风玻璃，其反射成像原理与上述过程类似，此处不做赘述。本领域技术人员应当理解，曲面的透反元件500在不同的位置观察，虚像的位置是不固定的，因此当透反元件500为带有弧度的挡风玻璃或成像窗时，本实施例中的虚像是指从各个观察区域处观察时所看到的虚像，即虚像的位置为不同观察者从各自观察区域处观察时的虚像位置。
本实施例所述的抬头显示系统安装在车辆等交通工具上时，本实施例中的透反元件500可以是车辆的挡风玻璃，或者是贴在挡风玻璃上的透反膜，或者是透明材质，包括透明树脂、高分子透明材料或玻璃形成的成像窗，如组合式抬头显示系统(Combiner-HUD，C-HUD)的成像窗；不同的观察区域对应为交通工具内不同观察者的眼盒区域，如驾驶员和乘客的眼盒区域。驾驶员或乘客不仅可以观察到经反射形成的虚像，车辆外部的光线也可以透过透反元件500并到达驾驶员或乘客各自的观察区域，也可以正常观看车辆外部的景象。本实施例中的图像源1可以设置在车辆的挡风玻璃下方、控制台的表面，进一步地，图像源1可以大面积设置，出射的光线经透反元件500反射后可形成大尺寸的图像，进一步提升抬头显示系统的使用体验。
本实施例中，通过导光元件200将多个光源100发出的光线收束聚拢，分离式光扩散元件300将多个光源100发出的光线扩散成至少两个不同方向的光束，并通过图像形成元件400将光线转化为图像光线，图像光线在透反元件500上发生反射形成图像，反射光线射向至少两个不同的观察区域，使得不同的观察者如驾驶员和乘客都可以看到HUD的图像，实现了多角度观察，提高了HUD使用的便利性，提升了HUD的使用体验。
在本发明上述实施例的基础上，抬头显示系统包括多个沿第二方向排列的光源线阵列，多个导光元件200一一对应的设置在与其对应的光源线阵列的出光方向上。具体的，如图4所示，图4为多个导光元件200及与其对应的光源线阵列的俯视图，可以看出，图中的每个光源线阵列的多个光源均按照为水平方向的第一方向排列；多个光源线阵列则按照第二方向排列，图4中第二方向可为垂直方向和/或水平方向；可选的，多个光源线阵列也可按照与水平/垂直方向有一定夹角的第二方向排列，本实施例对此不做限定。本实施例中通过设置多个导光元件200和对应的多个光源线阵列，增加光源100的数量，使得光线在平面内较均匀的分布，增加光线强度，进一步提高了抬头显示系统的成像亮度。
在本发明上述实施例的基础上，导光元件200包括设有内反射面的中空壳体201。如图5-图7所示，中空壳体201包括用于设置多个光源100的端部2011和远离端部2011的出光开口2012；出光开口2012的尺寸大于端部2011的尺寸。具体的，中空壳体201的内反射面包括镀铝、镀银、镀其他金属或镀介质膜形成的内反射面，光线可在内反射面上发生镜面反射。端部2011的形状包括矩形、梯形、平行四边形或正方形中的至少一种形状；出光开口2012的形状包括矩形、梯形、平行四边形或正方形中的至少一种形状；优选地，出光开口2012的形状与图像形成元件400的形状一致。如图5所示，中空壳体201包括矩形形状的出光开口2012和矩形形状的端部2011，出光开口2012的尺寸大于端部。可以理解，中空壳体201的内反射面可为平面、曲面或抛物面，图5-图7中以内反射面为平面为例进行解释说明；可以理解，中空壳体201的形状可以与内反射面的形状不同，只要内反射面为上述可以使光线反射的形状即可；本发明实施例中为方便说明，中空壳体201与内反射面的形状一致。
进一步地，中空壳体201的出光开口2012朝向图像形成元件400，中空壳体201的端部2011设置多个光源100，中空壳体201的端部2011延伸方向为多个光源100排列的第一方向，如图5所示。图6示出了在沿第一方向的视角下中空壳体201的视图，可以看出，多个光源100发出的光线经中空壳体201的内部空间传输并在内反射面上反射，传输至图像形成元件400。图5-图7示意性的给出了多个光源100发出的光线经过四棱梯台形状的中空壳体201的传输示意图，中空壳体201的出光开口2012朝向图像形成元件400，多个光源100发出的部分光线在中空壳体201的传输通道中传输出射，另一部分角度较大的光线则在中空壳体201的内反射面上发生反射并传输出射；经中空壳体201传输的光线传输至图像形成层400，具体可以是光线直接传输至图像形成层400，如图2所示；也可以是间接传输至图像形成层400，如图1所示，光线可先经过分离式光扩散元件300后再传输至图像形成层400，均可视为多个光源100发出的光线经中空壳体201的内部空间传输至图像形成层400。本领域技术人员应当理解，图5及图6对应的实施例中的中空壳体201，在图中为类似对称形状，但本发明实施例及对应附图并不限定中空壳体201或其他类似元件均为对称形状。图7示出了一种中空壳体201沿第一方向延伸的视图，中空壳体201为非对称形状，可以用于调节光线方向，使得经过出光开口2012的光线具有一定的朝向，配合其他元件将光线指向眼盒。
进一步地，在本实施例一个优选的实施方式中，中空壳体201包括相对设置的第一内反射面2013及第二内反射面2014；第一内反射面2013及所述第二内反射面2014沿所述第一方向延伸。如图5-图7所示，中空壳体201包括四棱梯台形状，具体包括沿第一方向延伸的第一内反射面2013及第二内反射面2014，多个光源100发出的光线在第一内反射面2013和2014上发生反射并聚拢。
更进一步地，中空壳体201还包括相对设置的第三内反射面2015和第四内反射面2016，第三内反射面2015分别和第一内反射面2013、第二内反射面2014相接；第四内反射面2016分别和第一内反射面2013、第二内反射面2014相接。如图5-图7所示，第三内反射面2015和第四内反射面2016分设在中空壳体201的两端。可以理解，多个光源100发出的光线中发散角度较大的部分光线，几乎都会在第一内反射面2013和第二内反射面2014上发生反射并聚集，提高光线利用率；而对于第三内反射面2015和第四内反射面2016而言，只有靠近这两个内反射面的部分光源100发出的大角度光线才会发生反射，距离较远的其他光源100发出的大角度光线难以到达第三内反射面2015和第四内反射面2016发生反射，因此第三内反射面2015和第四内反射面2016对光线的聚集作用有限，实际应用中，第三内反射面2015和第四内反射面2016可以仅保留靠近光源的一小部分即可。可选的，上述多个内反射面的形状包括平面、曲面、弧面或抛物面，本实施例对此不做限定。
进一步地，第一内反射面2013和第二内反射面2014沿第一方向延伸的长度，大于第三内反射面2015与第一内反射面2013、第二内反射面2014相接部分的长度；和/或第一内反射面2013和第二内反射面2014沿第一方向延伸的长度，大于第四内反射面2016与第一内反射面2013、第二内反射面2014相接部分的长度。如图5所示，图中标注了第一内反射面2013和第二内反射面2014沿第一方向延伸的长度，图中以各反射面上的双箭头进行标识；图中也标注了第三内反射面2015与第一内反射面2013、第二内反射面2014相接部分的长度，以及第四内反射面2016与第一内反射面2013、第二内反射面2014相接部分的长度，图中以各反射面上的双箭头进行标识。可以理解，为了对多个光源100发出的发散角度较大的光线尽可能多的反射并聚拢，第一内反射面2013和第二内反射面2014与光源100的距离较近，而多个光源100延伸排列为线光源，因此两端的第三内反射面2015和/或第四内反射面2016的延伸长度，优选小于第一内反射面2013和第二内反射面2014的延伸长度。
本实施例中，通过设置中空壳体201，多个光源100发出的大角度、难以到达图像形成层400的光线在中空壳体201的内反射面发生反射，反射后光线的角度改变并聚拢，可提高多个光源100发出光线的利用率，进而提高了抬头显示系统的光效。
在本发明上述实施例的基础上，可选的，图像形成元件包括液晶显示面板。具体的，液晶显示面板具体包括第一偏振控制元件、液晶层和第二偏振控制元件，第一偏振控制元件透射第一偏振特性的光线，第二偏振控制元件透射第二偏振特性的光线；第一偏振特性的光线与第二偏振特性的光线偏振方向正交。具体的，液晶层包括扭曲向列型(TwistedNematic,TN)液晶、高扭曲向列型(High Twisted Nematic,HTN)液晶、超扭曲向列型(SuperTwisted Nematic,STN)液晶、格式化超扭曲向列型(Formated Super Twisted Nematic,FSTN)液晶或蓝相液晶等。第一偏振特性的光线与第二偏振状态的光线的偏振方向正交，偏振状态具体可以包括线偏振、椭圆偏振、圆偏振等；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，分离式光扩散元件300包括光线定向层301和光线扩散层302，光线定向层301将多个光源100发出的光线沿至少两个不同方向出射；光线扩散层302将沿至少两个不同方向出射的光线扩散为至少两个光束，光线定向层301朝向多个光源100，光线扩散层302设置在光线定向层301远离多个光源100的一侧，多个光源100直接或间接发出的光线首先经过光线定向层301，光线沿至少两个不同方向出射，再经过光线扩散层302扩散为至少两个不同方向的光束，如图8所示。
具体的，光线定向层301包括多个微棱镜结构，如图9a、图9b所示，微棱镜结构包括截面为三角形的三棱镜结构，通过微棱镜对光线的折射作用将光线射向至少两个不同的方向，微棱镜的材料为折射率大于1的透明材质，包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate,PMMA)、聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)或玻璃等；优选的，微棱镜结构的高度为50μm-200μm，微棱镜结构的底边长度为50μm-300μm，相邻微棱镜结构之间的夹角角度为60-120°。
光线扩散层302包括可将光线扩散为包括预设形状截面光束的元件，如衍射光学元件(Diffractive Optical Elements,DOE)，通过控制衍射光学元件的微结构，能够使光线扩散为包括预设形状截面的光束，预设形状包括但不限于线形、三角形、矩形、正方形、圆形、椭圆形、梯形或平行四边形；扩散后的每个光束在水平和垂直方向的弥散角也可精确控制，扩散角具体可为5°～30°，弥散角越大，光线分散程度越高，最终成像亮度越低，反之亦然；弥散角具体是指偏离主光轴角度最大的两条光线之间的夹角。具体的，衍射光学元件包括光束整形元件(Beam Shaper)。
可选的，至少两个光束的截面预设形状可以相同，也可以不同，如图8中分离式光扩散元件将光线扩散为两个圆形截面形状的光束，也可以将光线扩散为一束截面预设形状为矩形的光束、一束截面预设形状为圆形的光束；至少两个光束的扩散角也可以相同或不同，最终观察区域内的光线强度相同或不同，最终看到的图像亮度可以相同或不同。
图10a示出了多个光源100直接或间接发出的光线由光线定向层301入射的光路示意图，图中以光线分离为两个光束为例进行解释说明。光线首先入射至光线定向层301的微棱镜结构，因为微棱镜结构的折射作用，两个出射光束的主光轴CRA和CRB折射向两个不同的方向，具体是通过调整微棱镜结构的折射率和微棱镜结构的角度来实现，较小的微棱镜角度(棱镜角度指棱镜内角)或较大的折射率都将导致较大的光线折射角，当光线折射角大于某一临界值时，出射光束的主光轴CRA和CRB指向不同的方向；具体的，微棱镜结构的折射率在1.45至1.6的范围内。图10b则示出了多个光源100直接或间接发出的光线由光线扩散层302入射时的光路示意图，可以看出，入射角度较小、较接近垂直方向的光线到达光线定向层301出射时，因光线定向层301相对于空气为光密介质，光线出射时会全反射，经过两次全反射后又会射回光线入射的一侧，光线不会出射；入射角度较大的光线则折射出光线定向层，出射光束的主光轴CRA的折射角度较小，主光轴出射至一个方向，不会出射至少两个方向，多个光源100直接或间接发出的光线从光线扩散层302入射时，只有大角度光线才可出射并形成单个光束。也即，光线扩散层302设置在光线定向层301远离所述光源的一侧，分离式光扩散元件300有微棱镜结构的一面朝向多个光源100，多个光源100直接或间接发出的光线经过分离式光扩散元件后，才会扩散成至少两个不同方向、包括预设形状截面的光束。应当理解，图9a中为方便说明光线定向层301朝向多个光源100，光线定向层301和光线扩散层302均进行了放大，不代表实际比例和尺寸。
可选的，如图11、图12所示，微棱镜结构还包括成对设置的截面为直角三角形的棱镜结构及截面为直角梯形的棱镜结构，实现光线定向出射的原理与三棱镜结构类似，此处不再赘述。
在本发明上述实施例的基础上，抬头显示系统还包括准直元件600。具体的，准直元件600设置在多个光源100与图像形成元件400之间，准直元件600将多个光源100发出的光线调整为平行光线。参见图13-图15所示，准直元件600设置在多个光源100与图像形成元件400之间，多个光源100发出的光线经过准直元件600后会调整为平行或近乎平行的光线，可选的，准直元件600可为准直透镜或准直膜，图13-图15中以准直透镜进行解释示意。准直透镜包括平凸柱面透镜、平凹柱面透镜、双凸柱面透镜、双凹柱面、弯月柱面镜、柱交柱面镜或以上几种透镜组合中的一种或多种。具体的，准直元件600可以为平凸柱面透镜，则多个光源100可以设置在柱面透镜的焦距处，即柱面透镜与多个光源100位置之间的距离为柱面透镜的焦距，以使得多个光源100发出的不同方向的光线经准直元件600后可以平行射出；具体的，多个光源100扩展排列的第一方向，与柱面透镜的轴向子午线方向平行。或者，准直元件600可以为准直膜，比如BEF膜(Brightness Enhancement 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。
具体的，准直元件600为准直透镜时，准直元件600可设置在中空壳体201的内部，且准直元件600的尺寸小于中空壳体201的出光开口尺寸，如图13-图15所示，图14为图13对应的实施例沿第一方向延伸的视图；准直元件600将中空壳体201内传输的部分光线调整准直后发射至图像形成元件400，部分光线具体是多个光源100发出的角度较小的中心光线经过准直元件600后会转变为平行或近乎平行的光线。准直元件600将多个光源100发出的部分光线进行准直，该部分光线的出射角度较小；而多个光源100发出的出射角度较大的光线通过中空壳体201的内反射面反射并聚拢，从而结合准直元件600和中空壳体201可以更加有效地对多个光源100发出的光线进行聚拢和准直，进一步提高光线利用率。可以理解，准直后的光线可以是垂直平行出射，如图13所示；也可以将准直透镜倾斜或偏离放置，准直后的光线仍为平行光线，但会有一定的倾斜角度平行出射，如图15所示；本实施例及附图中的中空壳体201、准直元件等也都可以是对称，也可以是非对称的，本实施例对此不做限定。
准直元件600准直元件600的尺寸也可以大于或等于出光开口2012的尺寸，准直元件600设置在中空壳体201的外侧，如图16-18所示，图17是图16对应实施例沿第一方向的视图。准直元件600覆盖多个光源100发出的几乎所有光线，对光线起到准直作用，准直后的光线可以是垂直平行出射，如图16所示；也可以将准直透镜倾斜或偏离放置，准直后的光线仍为平行光线，但会有一定的倾斜角度平行出射，如图18所示；本实施例及附图中的中空壳体201、准直元件等也都可以是对称形状，也可以是非对称形状，本实施例对此不做限定。
本实施例中，通过设置准直元件600对多个光源100发出的光线进行准直，准直后的平行光线传输至图像形成元件400时，光线发散角很小，光线一致性较好，光线高效入射到图像形成元件400，从而可以图像形成元件400对图像光线的转化效率，进而提高了抬头显示系统的光效；结合准直元件600和导光元件200，可以更加有效地对多个光源100发出的光线进行准直，进一步提高光线利用率，进而提升抬头系统的画面亮度和降低功耗。
在本发明上述实施例的基础上，抬头显示系统还包括弥散元件700，弥散元件700将多个光源100发出的光线扩散；弥散元件700与分离式光扩散元件300层叠设置，且弥散元件700与分离式光扩散元件300之间间隔预设距离。具体的，弥散元件700可以对多个光源100直接或间接发出的光线进行弥散，能够进一步均匀光线，使得成像亮度比较均匀。弥散元件700具体是将光线扩散为光束，弥散元件700具体可以是衍射光学元件(DiffractiveOptical Elements,DOE)，例如光束整形片(Beam Shaper)等，衍射光学元件的具体结构可参见上述分离式光扩散元件的相关描述，此处不做赘述。或者，弥散元件700可以是散射光学元件，如匀光片、扩散片等，主要通过散射作用将光线扩散。
同时，为了保证弥散元件700可以起到相应作用，弥散元件700和分离式光扩散元件300之间间隔有预设距离，该预设距离具体可以为40～50mm。此外，本实施例中的弥散元件700和分离式光扩散元件300可以均设置在图像形成元件400的两侧，如图19所示；弥散元件700和分离式光扩散元件300也可以均设置在图像形成元件400的同一侧，多个光源100直接或间接发出的光线可以先经过弥散元件700，再经过分离式光扩散元件300；或多个光源100直接或间接发出的光线可以先经过分离式光扩散元件300，再经过弥散元件700，本实施例对此不做限定。
本实施例中，通过间隔设置的弥散元件700和分离式光扩散元件300，在对光线起到定向扩散的同时，还可以进一步均匀光线亮度，保证抬头显示系统的成像亮度均匀。
在本发明上述实施例的基础上，至少两个观察区域包括对应交通工具驾驶员的观察区域和对应乘客的观察区域，如图1-图3所示，至少两个观察区域包括对应驾驶员眼盒区域的第二观察区域11和对应副驾驶乘客眼盒区域的第一观察区域10；或者，至少两个观察区域包括对应交通工具内任意至少两个乘客眼盒区域的观察区域，如包括分别对应副驾驶乘客眼盒区域的观察区域和后排乘客眼盒区域的观察区域，或包括分别对应后排多个乘客各自眼盒区域的观察区域，可分别针对交通工具内的不同乘客设置与其对应的观察区域，进一步提升HUD的使用体验和便利性。
本公开另一实施例提供一种机动车，包括上述任一实施例所述的显示装置。本公开实施例提供的机动车采用了上述显示装置，可以使驾驶员在驾驶过程中无需低头看仪表盘就可以直接看到更加丰富的信息，比如导航地图、复杂的安全信息等大尺寸画面，因此，可以较好的满足驾驶员掌控车辆行驶中各类信息的需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (24)

1.一种抬头显示系统，其特征在于，包括：多个光源、导光元件、分离式光扩散元件、图像形成元件；
所述多个光源沿第一方向扩展排列成光源线阵列，所述多个光源被构造成依靠电能产生光线；
所述导光元件设置在所述多个光源的出光方向上；所述导光元件的内反射面朝向所述多个光源且形成允许光线通过的内部空间；所述多个光源发出的光线经所述导光元件形成的内部空间传输至所述图像形成元件；
所述分离式光扩散元件将所述多个光源发出的光线扩散成至少两个不同方向的光束，每个所述光束包括预设形状的截面；
所述图像形成元件将所述多个光源发出的光线转化为图像光线。
2.根据权利要求1所述的抬头显示系统，其特征在于，还包括：透反元件；
所述透反元件设置在所述图像形成元件远离所述多个光源的一侧，所述图像光线在所述透反元件上反射，反射光线射向至少两个不同的观察区域；
所述导光元件、所述分离式光扩散元件及所述图像形成元件设置在所述多个光源与所述透反元件之间。
3.根据权利要求1所述的抬头显示系统，其特征在于，所述导光元件、所述分离式光扩散元件及所述图像形成元件依次设置在所述多个光源与所述透反元件之间。
4.根据权利要求1所述的抬头显示系统，其特征在于，所述导光元件、所述图像形成元件及所述分离式光扩散元件依次设置在所述多个光源与所述透反元件之间。
5.根据权利要求1所述的抬头显示系统，其特征在于，所述抬头显示系统包括多个沿第二方向排列的光源线阵列；
多个所述导光元件一一对应的设置在与其对应的所述光源线阵列的出光方向上。
6.根据权利要求1所述的抬头显示系统，其特征在于，所述导光元件包括设有内反射面的中空壳体；
所述中空壳体包括用于设置所述多个光源的端部和远离所述端部的出光开口；
所述出光开口的尺寸大于所述端部的尺寸。
7.根据权利要求5所述的抬头显示系统，其特征在于，所述中空壳体的出光开口朝向所述图像形成元件；
所述多个光源发出的光线经所述中空壳体的内部空间传输并在所述内反射面上反射，反射光线经过所述出光开口传输至所述图像形成元件。
8.根据权利要求5所述的抬头显示系统，其特征在于，所述中空壳体包括相对设置的第一内反射面及第二内反射面；
所述第一内反射面及所述第二内反射面沿所述第一方向延伸。
9.根据权利要求7所述的抬头显示系统，其特征在于，所述中空壳体还包括相对设置的第三内反射面和第四内反射面；
所述第三内反射面分别和所述第一内反射面、所述第二内反射面相接；
所述第四内反射面分别和所述第一内反射面、所述第二内反射面相接。
10.根据权利要求8所述的抬头显示系统，其特征在于，所述第一内反射面和所述第二内反射面沿所述第一方向延伸的长度，大于所述第三内反射面与所述第一内反射面、所述第二内反射面相接部分的长度；
和/或，所述第一内反射面和所述第二内反射面沿所述第一方向延伸的长度，大于所述第四内反射面与所述第一内反射面、所述第二内反射面相接部分的长度。
11.根据权利要求8所述的抬头显示系统，其特征在于，所述中空壳体的内反射面包括平面面形或曲面面形。
12.根据权利要求1所述的抬头显示系统，其特征在于，所述图像形成元件包括液晶显示面板。
13.根据权利要求1所述的抬头显示系统，其特征在于，所述分离式光扩散元件包括光线定向层和光线扩散层；
所述光线定向层将所述多个光源发出的光线沿至少两个不同方向出射；
所述光线扩散层将所述沿至少两个不同方向出射的光线扩散为至少两个光束；
所述光线定向层朝向所述多个光源，所述光线扩散层设置在所述光线定向层远离所述多个光源的一侧。
14.根据权利要求1所述的抬头显示系统，其特征在于，所述抬头显示系统还包括：准直元件；
所述准直元件设置在所述多个光源与所述图像形成元件之间；
所述准直元件将所述多个光源发出的光线调整为平行光线。
15.根据权利要求13所述的抬头显示系统，其特征在于，所述准直元件设置在所述中空壳体的内部，且所述准直元件的尺寸小于所述中空壳体的出光开口尺寸。
16.根据权利要求13所述的抬头显示系统，其特征在于，所述准直元件设置在所述中空壳体的出光开口外侧，且所述准直元件的尺寸大于或等于所述中空壳体的出光开口尺寸。
17.根据权利要求13所述的抬头显示系统，其特征在于，所述准直元件包括准直透镜或准直膜中的至少一种。
18.根据权利要求16所述的抬头显示系统，其特征在于，所述准直透镜包括平凸柱面透镜、平凹柱面透镜、双凸柱面透镜、双凹柱面、弯月柱面镜、柱交柱面镜或以上几种透镜组合中的一种或多种。
19.根据权利要求1所述的抬头显示系统，其特征在于，所述抬头显示系统还包括弥散元件；
所述弥散元件与所述分离式弥散元件层叠设置，且所述弥散元件与所述分离式光扩散元件之间间隔预设距离；
所述弥散元件将所述多个光源发出的光线扩散。
20.根据权利要求18所述的抬头显示系统，其特征在于，所述预设距离为40～50mm。
21.根据权利要求18所述的抬头显示系统，其特征在于，弥散元件为衍射光学元件或散射光学元件。
22.根据权利要求1所述的抬头显示系统，其特征在于，所述至少两个观察区域包括对应交通工具驾驶员的观察区域及乘客的观察区域。
23.根据权利要求1所述的抬头显示系统，其特征在于，所述至少两个观察区域包括对应交通工具内任意至少两个乘客的观察区域。
24.一种机动车，其特征在于，包括如权利要求1-23中任一项所述的抬头显示系统。
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