CN112444972A - 一种抬头显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抬头显示设备，包括：光线透射元件和具有像源的抬头显示器本体；光线透射元件设置在像源至外部反射装置之间的光路上，光线透射元件用于透过具有第一特性的光线，并反射或吸收具有第二特性的光线；第二特性是与第一特性不同的特性；像源用于发出具有第一特性的成像光线，成像光线透过光线透射元件后入射至反射装置处。通过本发明实施例提供的抬头显示设备，利用该光线透射元件能够透过具有第一特性的成像光线的特点，使得抬头显示设备可以正常成像；同时可以滤除掉外部光线的一部分，即可以吸收或反射具有第二特性的光线，从而可以降低外部光线入射到像源的光照强度，可以避免因外部光线过强而烧坏像源。

Description

一种抬头显示设备

技术领域

本发明涉及抬头显示器技术领域，具体而言，涉及一种抬头显示设备。

背景技术

HUD(head up display，抬头显示器)利用汽车挡风玻璃即可成像(虚像)，使得抬头显示器可以投出包含仪表盘信息的图像，驾驶员在观看挡风玻璃外部真实环境的同时，还可以观看到抬头显示器的成像，从而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，可以提高驾驶安全系数，同时也能带来更好的驾驶体验。

传统HUD内部设有像源，当外部强烈的光线入射到像源时，导致像源温度升高，可能影响像源正常工作。此外，HUD一般还设有曲面镜，且像源接近曲面镜的焦平面，一般情况下HUD可以正常工作。但是，当在车辆外部存在强光(比如太阳光)时，外部的光线可以透过挡风玻璃到达曲面镜，进而汇聚在曲面镜的焦平面上，导致汇聚的光斑可能烧坏像源，甚至导致车辆起火而发生事故。参见图1所示，当太阳在某个角度或位置时，太阳光可以透过挡风玻璃直接入射至HUD的曲面镜1，使得光线汇聚在像源2附近，从而可能烧坏像源2。

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设备。

本发明实施例提供了一种抬头显示设备，包括：光线透射元件和具有像源的抬头显示器本体；

所述光线透射元件设置在所述像源至外部反射装置之间的光路上，所述光线透射元件用于透过具有第一特性的光线，并反射或吸收具有第二特性的光线；所述第二特性是与所述第一特性不同的特性；

所述像源用于发出具有第一特性的成像光线，所述成像光线透过所述光线透射元件后入射至所述反射装置处。

本发明实施例上述提供的方案中，在抬头显示器本体内设有光线透射元件，利用该光线透射元件能够透过具有第一特性的成像光线的特点，使得抬头显示设备可以正常成像；同时可以滤除掉外部光线的一部分，即可以吸收或反射具有第二特性的光线，从而可以降低外部光线入射到像源的光照强度，可以避免因外部光线过强而烧坏像源。

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示出了抬头显示器的成像原理以及可能被烧毁的示意图；

图2示出了本发明实施例提供的抬头显示设备的第一结构示意图；

图3示出了本发明实施例提供的抬头显示设备防烧屏原理的示意图；

图4示出了本发明实施例提供的抬头显示设备的第二结构示意图；

图5示出了本发明实施例提供的抬头显示设备的第三结构示意图；

图6示出了本发明实施例提供的抬头显示设备的第四结构示意图；

图7示出了本发明实施例提供的抬头显示设备的第五结构示意图。

图标：

10-抬头显示器本体、20-反射装置、100-光线透射元件、110-像源、120-曲面镜、130-平面镜。

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。

本发明实施例提供的一种抬头显示设备，参见图2所示，包括：光线透射元件100和具有像源110的抬头显示器本体10。

本发明实施例中，光线透射元件100用于透过具有第一特性的光线，并反射或吸收具有第二特性的光线；第二特性是与第一特性不同的特性；且光线透射元件100设置在像源110至外部反射装置20之间的光路上。其中，像源110发出的成像光线可以直接入射至反射装置20上，从而利用反射装置20成像；或者，像源110发出的成像光线先入射至内凹的曲面镜120，经该曲面镜120反射后再将成像光线传输至反射装置20，具体如图2所示。其中，当抬头显示器本体10包含其他反射元件时，该光线透射元件100可以设置在像源110与反射元件之间，也可以设置在反射元件与反射装置20之间，也可以设置在两个反射元件之间，只需要保证该光线透射元件100设置在像源110至外部反射装置20之间的光路上即可。具体的，该反射元件设置在成像光线的传播路径上，用于反射成像光线，并最终将成像光线反射至外部的反射装置20处；该反射元件可以是曲面镜或平面镜。图2中以光线透射元件100设置在像源110与曲面镜120之间为例示出。本实施例中，抬头显示器本体可以包含一个或多个反射元件，该反射元件可以为曲面镜或平面镜，且至少一个反射元件为曲面镜；即，该抬头显示器本体可以包含一个或多个曲面镜，或者包含一个曲面镜和一个平面镜，或者包含一个曲面镜和多个平面镜等。其中，该曲面镜具体可以是自由曲面镜、球面镜、双曲面镜、抛物面镜等。

反射装置20为具有反射功能的透明装置，其具体可以是汽车内部额外设置的具有反射成像光线功能的部件，也可以是汽车的挡风玻璃，或者是涂覆在挡风玻璃内侧的透明反射膜，本实施例对此不做限定。图2中以反射装置20为挡风玻璃为例说明。

本发明实施例中，像源110用于发出具有第一特性的成像光线，该成像光线透过光线透射元件100后入射至反射装置20处。由于光线透射元件100能够透过具有第一特性的光线，故像源110发出的成像光线可以透过该光线透射元件100，并利用外部的反射装置20成像，即该光线透射元件100并不影响抬头显示设备的成像过程。同时，由于光线透射元件100可以反射或吸收具有第二特性的光线，当外部光线入射至抬头显示设备内部时，该光线透射元件100可以吸收或反射外部光线中具有第二特性的光线，从而可以降低外部光线入射至像源110的强度，避免因外部光线过强而烧坏像源110。

具体的，参见图3所示，在正常工作状态下，像源110发出具有第一特性的成像光线A，该成像光线A透过光线透射元件100后入射至曲面镜120，经曲面镜120的反射作用反射至反射装置20处，从而在反射装置20的外侧形成虚像供驾驶员观看。当外部的太阳位于汽车的某个特定方位时，太阳发出的太阳光B正好可以穿过抬头显示器本体的出光口进入该抬头显示器本体的内部，进而太阳光B可以入射至曲面镜120，该曲面镜120此时会将太阳光B反射至光线透射元件100；由于太阳光B为自然光，其混合有多种特性的光线，此时太阳光B中具有第二特性的光线被该光线透射元件100吸收或反射，而太阳光B中只有具有第一特性的光线C可以透过该光线透射元件100并到达像源110处，从而利用光线透射元件100可以滤掉或阻挡外部太阳光中的部分光线，降低入射至像源110的光照强度，避免像源110被外部太阳光烧坏。

本领域技术人员可以理解，由于抬头显示器本体可以包含像源110，也可以包含改变光路传播方向的反射元件，例如曲面镜120，故成像光线透过该光线透射元件100后可以先入射至该反射元件，之后再由该反射元件将成像光线反射至该反射装置20，本实施例中的“成像光线透过光线透射元件100后入射至反射装置20处”并不用于限定成像光线透过光线透射元件100后直接射向反射装置20，该成像光线透过光线透射元件100后也可以经过一个或多个反射元件后间接射向反射装置20。此外，抬头显示器本体的“出光口”指的是出射像源成像光线的开口，但是外部的光线经由该“出光口”也可以入射到抬头显示器本体内部，即该“出光口”对于外部光线来说是入光口。

本发明实施例提供的一种抬头显示设备，在抬头显示器本体内设有光线透射元件，利用该光线透射元件能够透过具有第一特性的成像光线的特点，使得抬头显示设备可以正常成像；同时可以滤除掉外部光线的一部分，即可以吸收或反射具有第二特性的光线，从而可以降低外部光线入射到像源的光照强度，可以避免因外部光线过强而烧坏像源。

在上述实施例的基础上，当反射装置20主要用于成像时(例如该反射装置20是抬头显示设备额外设置的反射面等)，该光线透射元件100设置在像源110至反射装置20之间的光路上。当用于成像的反射装置20除了可以成像之外还需要透过外部环境光线时(例如反射装置20为挡风玻璃等)，该光线透射元件100设置在像源110至抬头显示器本体10的开口之间的光路上。即，光线透射元件100不设在抬头显示器本体10的开口至反射装置20之间。当光线透射元件100设在抬头显示器本体10的开口至反射装置20之间时，此时虽然可以阻挡外部光线进入抬头显示器本体内，但是车辆外部道路或环境的光线也会被光线透射元件100过滤掉一部分，从而可能会影响观察者正常查看车辆外部的场景。本实施例中，将光线透射元件100设置在像源110至抬头显示器本体10的开口之间的光路上，可以避免上述问题。

具体的，当抬头显示器本体10内包含反射元件(例如曲面镜120)时，该光线透射元件100可以设置在像源110与反射元件之间，如图2所示；或者，该光线透射元件100可以设置反射元件与抬头显示器本体10的出光口之间，如图4所示。

可选的，由于车辆内用于安装抬头显示设备的空间有限，为了保证像源位于曲面镜的焦平面附近、并减小抬头显示设备的体积，抬头显示器本体10内至少有一个反射元件是平面镜，即抬头显示器本体10包含曲面镜和平面镜，通过该平面镜调整成像光线传播的成像光路，从而减小抬头显示器本体的体积。参见图5所示，本实施例中，在抬头显示器本体10内部设有平面镜130，该平面镜130设置在像源110与曲面镜120之间的成像光路上。如图5所示，该平面镜130可以改变像源110的成像光路，从而可以改变像源110与曲面镜120之间的相对位置；同时，像源110在平面镜130中成的虚像仍在曲面镜120的焦平面附近，即本质上像源110仍然在曲面镜120的焦平面附近，该抬头显示器本体10可以正常在反射装置20上成像。优选的，像源110可以位于曲面镜120的焦平面上，或者，像源110位于曲面镜120的一倍焦距之内，即像源110位于曲面镜120的焦平面靠近该曲面镜120的一侧。

本实施例中，光线透射元件100在像源110与抬头显示器本体10的出光口之间即可，图5中以光线透射元件100在像源110与平面镜130之间为例示出。或者，参见图6所示，光线透射元件100设置在曲面镜120与平面镜130之间；或者，参见图7所示，光线透射元件100设置在曲面镜120与抬头显示器本体10的出光口之间。

当抬头显示器本体10包含更多个反射元件时，相应调整像源110与曲面镜120之间的距离，只需要保证像源110与曲面镜120的焦平面之间的距离小于预设距离即可，即像源110靠近曲面镜120的焦平面。其中，该预设距离为预先设置的距离阈值，该预设距离可以人为设置，也可以基于抬头显示设备的尺寸或抬头显示设备所成像的距离来确定，此处不做限定；例如，该预设距离可以为10cm、1cm、5mm等，只需要保证该像源110与曲面镜120的焦平面之间距离足够小即可，或者，该预设距离可以为0，即像源110设置在曲面镜120的焦平面处。此外，光线透射元件100只需要在成像光线的传输光路上即可，类似于图5至图7所示，本实施例对光线透射元件100的具体位置不做限定。

本实施例中所述的光线具有多特性，例如第一特性、第二特性等，本质上指的是该光线可以分解成多种特性的光线。其中，光线的特性具体可以是偏振特性(即偏振状态)，也可以是波长特性，还可以是相位特性、方向特性等。

具体的，本发明实施例中，第一特性和第二特性是两个不同的偏振特性，即第一特性为第一偏振特性，第二特性为第二偏振特性。其中，偏振特性具体包括线偏振、圆偏振、椭圆偏振等。本实施例中，两个线偏振若偏振方向不同，则二者的偏振特性也不同；两个椭圆偏振的慢轴夹角不同，也可认为偏振特性不同；两个圆偏振的旋转方向(左旋或右旋)不同，则偏振特性也不同。相应的，光线透射元件100可以是选择性波长透射膜或选择性偏振透射膜。

本实施例中，该光线透射元件100可以是基于现有工艺制作的具有选择性透反功能的光学膜；具体的，该光线透射元件100可以为由无机电介质材料或有机高分子材料制成的光学膜，该光学膜由至少两种具有不同折射率的膜层堆叠而成。此处的“不同折射率”指的是膜层在xyz三个方向上至少有一个方向上的折射率不同；预先选取所需的不同折射率的膜层，并按照预先设置好的顺序对膜层进行堆叠，可以形成具备选择反射和选择透射特性的光学膜，该光学膜可以选择性透过第一特性的光线、并选择性反射或吸收具有第二特性的光线，该光学膜即可作为本实施例中的光线透射元件100。

具体的，对于无机电介质材料的膜层，该膜层的成分选自五氧化二钽、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。对于有机高分子材料的膜层，该有机高分子材料的膜层包括至少两种热塑性有机聚合物膜层；两种热塑性聚合物膜层交替排列形成光学膜，且两种热塑性聚合物膜层的折射率不同。其中，有机高分子材料的分子为链状结构，拉伸后分子朝某个方向排列，造成不同方向上折射率不同，即通过特定的拉伸工艺即可形成所需的薄膜。该热塑性聚合物具体可以为不同聚合程度的PET(聚对苯二甲酸乙二酯)及其衍生物、不同聚合程度的PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)及其衍生物、不同聚合程度的PBT(聚对苯二酸丁二酯)及其衍生物等，本实施例对此不做限定。

本实施例中，像源110可以发出具有特定偏振特性的光线，例如LCD(LiquidCrystal Display，液晶显示器)像源可以发出特定偏振方向的线偏振光线，DLP(DigitalLight Processing，数字光处理)像源、diffuser和背光模组组成的像源等均可以发出特定的偏振光。本实施例以像源110为LCD为例说明，基于液晶的成像原理可知，此时的像源110发出的光线是具有特定偏振方向的线偏振，例如偏振方向平行于液晶显示器长边的线偏振等。本实施例中，像源110发出的成像光线是具有第一偏振方向的线偏振光线，即第一特性是：第一偏振方向的线偏振，相应的，第二特性是：第二偏振方向的线偏振。优选的，该第一偏振方向与第二偏振方向垂直，此时的光线透射元件100可以更有效地区分具有第一特性的光线和具有第二特性的光线，从而可以更有效地吸收或反射具有第二特性的光线。本发明实施例中，“第二特性是与第一特性不同的特性”指的是第一特性与第二特性不完全相同。例如，第一特性是线偏振，第二特性是圆偏振；或者第一特性是500nm波长，第二特性是600nm波长、或第二特性是除500nm之外的其他波长；或者第一特性是波长为500nm的线偏振，第二特性是波长为600nm的线偏振等。

此外，像源110也可以发出圆偏振或椭圆偏振的成像光线，此时，第一偏振特性为左旋圆偏振，第二偏振特性为右旋圆偏振；或者

第一偏振特性为右旋圆偏振，第二偏振特性为左旋圆偏振；或者

第一偏振特性为左旋椭圆偏振，第二偏振特性为右旋椭圆偏振；或者

第一偏振特性为右旋椭圆偏振，第二偏振特性为左旋椭圆偏振。

本实施例中，以第一特性和第二特性是偏振方向垂直的两个线偏振为例说明。自然光可以分解为偏振方向垂直的两个线偏振，即自然光可以分解成第一偏振方向的线偏振光线和第二偏振方向的线偏振光线，本实施例中的光线透射元件100可以反射或吸收其中的第二偏振方向的线偏振光线。如图3所示，自然光B在透过光线透射元件时，其中的第一偏振方向的线偏振光线C可以透过该光线透射元件100并到达像源110处，而自然光B中的第二偏振方向的线偏振光线被光线透射元件100吸收或反射，即自然光B中有50％的光线被光线透射元件100吸收或反射，从而可以降低外部光线50％的光能，有效避免像源110被外部光线烧坏。

此外，如上所述，本实施例中光线的特性也可以是波长特性。本实施例中，第一特性包含一个或多个谱带；此时，第二特性可以是包含与第一特性的谱带不同的其他谱带。例如，第一特性包含500nm～600nm这一波长谱带，此时第二特性可以是600nm～700nm的谱带，或者是除500nm～600nm之外的其他谱带。

具体的，当像源110需要成彩色的图像时，像源110发出的成像光线至少包含三个谱带，例如像源110发出的光线为RGB三色谱带。本实施例中，第一特性包含至少三个不重叠的谱带；至少三个谱带中的第一个谱带的中心点位于410nm～480nm之间，其对应蓝色(B)谱带；第二个谱带的中心点位于500nm～565nm之间，其对应绿色(G)谱带；第三个谱带的中心点位于590nm～690nm之间，其对应红色(R)谱带。

本实施例中，谱带的中心点可以是谱带两个临界值的平均值，也可以是以其他方式确定的谱带内的某个点，本实施例对此不做限定。例如，谱带为500nm～600nm，则该谱带前后的两个临界值分别是500nm和600nm，则可以将550nm作为该谱带的中心点。此外，为了保证像源110的成像效果，需要避免谱带宽度过大；本实施例中的谱带的宽度不大于50nm，以保证像源成像时具有较广的色域(colour gamut)。

在本发明实施例中，假设自然光是可见光，其谱带的宽度为400nm，若第一特性包含三个谱带，且三个谱带的总宽度为100nm；同时，第二特性是除第一特性之外的其他特性，即第二特性的谱带总宽度是300nm。参见图3所示，当自然光B射向光线透射元件100时，自然光B中的宽度300nm的光线(即具有第二特性的光线)被光线透射元件100反射或吸收，只有宽度100nm的光线C(即具有第一特性的光线)可以入射至像源110处。假设不同波长的光线能量相同，此时可认为自然光中只有25％的光线可以入射至像源110处，从而也可以减小入射至像源110的光照强度。此外，由于外部光线还需要经过挡风玻璃后才可射入抬头显示器本体10内，挡风玻璃本身即可反射部分光线，故实际进入抬头显示器本体10内的光线更少。

可选的，本实施例中，该第一特性包括一个或多个具有预设偏振态的谱带。具体的，像源110可以发出具有特定偏振特性的光线，例如LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)像源可以发出特定偏振方向的线偏振光线，DLP(Digital Light Processing，数字光处理)像源、diffuser和背光模组组成的像源等均可以发出特定的偏振光。本实施例以像源110为LCD为例说明，像源110发出的成像光线可以是RGB三色的线偏振光线，即此时的第一特性包括三个谱带，且每个谱带的光线是第一偏振方向的线偏振光线。此时，第二特性可以是除第一特性之外的其他特性，即光线透射元件100吸收或反射外部光线中除第一偏振方向的线偏振光线的RGB三个谱带之外的其他所有光线。为方便说明，以第一特性仅包含一个谱带为例，谱带为500nm～600nm，且为第一偏振方向的线偏振，若外部光线中的某部分光线的谱带为600nm～700nm，且为第二偏振方向的线偏振，则该光线是具有第二特性的光线；或者，若外部光线中的某部分光线的谱带为500nm～600nm，但是其是第二偏振方向的线偏振，该部分光线也可认为是具有第二特性的光线。

仍然以上述的自然光谱带的宽度为400nm为例说明，由于第一特性的光线宽度为100nm，则光线透射元件100可以滤掉外部自然光中75％的光线，即允许其中的25％光线透过；同时，光线透射元件100还可以进一步滤掉其中的第二偏振方向的线偏振，即可以进一步滤掉50％的光线，最终使得外部自然光只有12.5％的光线可以透过该光线透射元件100，从而可以进一步提高光线透射元件100对外部光线的过滤、阻挡作用。

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 (10)

1.一种抬头显示设备，其特征在于，包括：光线透射元件和具有像源的抬头显示器本体；

所述光线透射元件设置在所述像源至外部反射装置之间的光路上，所述光线透射元件用于透过具有第一特性的光线，并反射或吸收具有第二特性的光线；所述第二特性是与所述第一特性不同的特性；

所述像源用于发出具有第一特性的成像光线，所述成像光线透过所述光线透射元件后入射至所述反射装置处。

2.根据权利要求1所述的抬头显示设备，其特征在于，所述光线透射元件设置在所述像源至所述抬头显示器本体的出光口之间的光路上。

3.根据权利要求1或2所述的抬头显示设备，其特征在于，所述第一特性为第一偏振特性，所述第二特性为第二偏振特性。

4.根据权利要求3所述的抬头显示设备，其特征在于，

所述第一偏振特性为第一偏振方向的线偏振，所述第二偏振特性为第二偏振方向的线偏振，所述第一偏振方向与所述第二偏振方向垂直；或者

所述第一偏振特性为左旋圆偏振，所述第二偏振特性为右旋圆偏振；或者

所述第一偏振特性为右旋圆偏振，所述第二偏振特性为左旋圆偏振；或者

所述第一偏振特性为左旋椭圆偏振，所述第二偏振特性为右旋椭圆偏振；或者

所述第一偏振特性为右旋椭圆偏振，所述第二偏振特性为左旋椭圆偏振。

5.根据权利要求1或2所述的抬头显示设备，其特征在于，所述第一特性包含一个或多个谱带。

6.根据权利要求5所述的抬头显示设备，其特征在于，所述谱带的宽度不大于50纳米。

7.根据权利要求5所述的抬头显示设备，其特征在于，所述第一特性包含至少三个不重叠的谱带；

至少三个谱带中的第一个谱带的中心点位于410nm～480nm之间，第二个谱带的中心点位于500nm～565nm之间，第三个谱带的中心点位于590nm～690nm之间。

8.根据权利要求5所述的抬头显示设备，其特征在于，所述第一特性包括一个或多个具有预设偏振态的谱带。

9.根据权利要求1-8任一所述的抬头显示设备，其特征在于，所述抬头显示器本体还包括：一个或多个反射元件，所述反射元件为曲面镜或平面镜，且至少一个所述反射元件为曲面镜；

所述反射元件设置在所述成像光线的传播路径上，用于反射所述成像光线，并最终将所述成像光线反射至外部的反射装置处。

10.根据权利要求1-8任一所述的抬头显示设备，其特征在于，所述光线透射元件为由无机电介质材料或有机高分子材料制成的光学膜，且所述光学膜由至少两种具有不同折射率的膜层堆叠而成。

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