CN113640991A - 抬头显示系统和车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抬头显示系统和车辆，其中，抬头显示系统包括显示器件、平板透镜和透明玻璃件；所述显示器件和所述透明玻璃件设置在所述平板透镜的两侧，所述显示器件用于显示图像并发射图像光线；所述平板透镜，用于将所述图像光线进行汇聚并照射至所述透明玻璃件，所述透明玻璃件用于将入射的图像光线反射和折射并成像显示。本发明的抬头显示系统和车辆，基于平板透镜可以呈现更大尺寸的浮空实像，提高用户体验。

Description

抬头显示系统和车辆

技术领域

本发明涉及光学制造领域，尤其是涉及一种抬头显示系统和车辆。

背景技术

抬头显示器(Head Up Display)，简称HUD，HUD的原理类似于幻灯片投影，由投影设备发出光信息，经过反射镜反射到投影镜上，再由投影镜反射到挡风玻璃或后加的透明显示屏上，人眼看到的是位于眼前2米或更远处的虚像。在车载领域的抬头显示器分为挡风玻璃型(W-HUD)和集成显示型(C-HUD)，可以将重要的驾驶信息显示在玻璃上，驾驶员不必低头就可以观察到驾驶信息，大大减少了驾驶员的视线转移时间，提升行车安全性。

现有的抬头显示系统显示的图像均为虚像，虚像不能给用户看得见摸得着的实物信息，用户体验低，此外，成像尺寸受曲面镜尺寸影响，由于大尺寸的曲面镜加工难度大，且置于汽车中会大大增加系统的纵向深度，所以，传统的HUD显示的图像一般较小。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种抬头显示系统，该抬头显示系统可以呈现实像，增大显示图像尺寸，占据空间小。

本发明的另一个目的在于提出一种车辆。

为了达到上述目的，本发明第一方面实施例的抬头显示系统，显示器件、平板透镜和透明玻璃件；所述显示器件和所述透明玻璃件设置在所述平板透镜的两侧，所述显示器件用于显示图像并发射图像光线；所述平板透镜，用于将所述图像光线进行汇聚照射至所述透明玻璃件；所述透明玻璃件用于将入射的图像光线进行反射和折射并成像显示。

根据本发明实施例的抬头显示系统，基于平板透镜可以呈现浮空实像，实像可以给用户看得见摸得着的实物信息，提升用户体验。此外，基于平板透镜的成像特性，其可以进行大尺寸图像拼接，从而可以呈现更大尺寸的显示图像，并且在实现大尺寸图像显示的同时不会增加系统的纵向深度，占据空间小。

在一些实施例中，所述显示器件与所述平板透镜的夹角为α，所述透明玻璃件与所述平板透镜的夹角为β，其中，α<90°-β。

在一些实施例中，所述显示器件包括平面显示器件和三维显示器件中的任意一种。

在一些实施例中，所述抬头显示系统还包括：反射镜，所述图像光线投射至所述反射镜上，所述反射镜用于将投射光线反射至所述平板透镜。

在一些实施例中，所述透明玻璃件为透明曲面玻璃；所述反射镜为自由曲面反射镜。

在一些实施例中，所述透明玻璃件为透明平面玻璃；所述反射镜为平面反射镜。

在一些实施例中，所述抬头显示系统还包括：交互装置，所述交互装置与所述显示器件连接，用于检测感应区域的操作指令，并根据所述操作指令控制所述显示器件，其中，所述感应区域大于所述透明玻璃件的成像显示区域。

在一些实施例中，所述交互装置包括：光学传感器，用于检测所述感应区域的操作指令；控制器，与所述光学传感器和所述显示器件连接，用于根据操作指令控制所述显示器件。

在一些实施例中，所述平板透镜包括第一玻璃窗口件和第二玻璃窗口件，在所述第一玻璃窗口件与所述第二玻璃窗口件之间设置有相互正交的两层周期性分布的光波导阵列。

为了达到上述目的，本发明第二方面实施例提出的车辆，所述车辆包括上面实施例所述的抬头显示系统。

根据本发明实施例的车辆，采用上面实施例的抬头显示系统，可以实现浮空实像显示，可以提高用户体验，并且，基于平板透镜本身的成像特性，可以提供大尺寸显示图像，占据车辆空间小。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的抬头显示系统的示意图；

图2是根据本发明实施例的平板透镜的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的平板透镜的结构拆分图；

图4是根据本发明实施例的平板透镜沿厚度方向的正面结构的示意图；

图5是根据本发明实施例的平板透镜成像的示意图；

图6中(1)和(2)是对应图5中平板透镜的一层光波导阵列汇聚成像光线的原理图；

图7是根据本发明实施例的平板透镜成像的原理图；

图8是根据本发明一个实施例的抬头显示系统的结构和光路的原理图

图9是根据本发明另一个实施例的抬头显示系统的结构和光路的原理图；

图10是根据本发明又一个实施例的抬头显示系统的结构和光路的原理图；

图11是根据本发明一个实施例的带有交互功能的抬头显示系统的结构和光路的原理图；

图12是根据本发明的一个实施例的车辆的框图。

附图标记：

车辆100；

抬头显示系统10；

显示器件2、平板透镜1和透明玻璃件400，交互装置11；

第一玻璃窗口件101、第一光波导阵列102、第二光波导阵列103、第二玻璃窗口件104、自由曲面反射镜301、平面反射镜302、挡风玻璃401、透明平面玻璃402、玻璃后方的浮空实像5、玻璃前方的浮空实像6、光学传感器7和控制器8。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面详细描述本发明的实施例。

下面参考图1-图11描述根据本发明实施例的抬头显示系统。

图1是根据本发明的一个实施例的抬头显示系统的框图，如图1所示，本发明实施例的抬头显示系统10包括显示器件2、平板透镜1和透明玻璃件400。

其中，显示器件2和透明玻璃件400分别设置在平板透镜1的两侧，显示器件2用于显示图像并发射图像光线，例如，显示器件2可以显示引导画面或者功能画面或者其它人机交互界面图像。平板透镜1用于将显示器件2发出的图像光线进行汇聚并照射到透明玻璃件400上，透明玻璃件400可以对图像光线进行反射也可以进行折射并在空中成像显示，从而，显示器件2发出的图像光线最终在透明玻璃件400的两侧呈现一对相互对称的浮空实像例如图1中的浮空实像5和浮空实像6。

在具体实施例中，抬头显示系统10可以设置在需要的设备上例如车辆上，平板透镜1可以水平放置，例如平置在车辆的中控台上。透明玻璃件400设置在与人眼相当的位置，透明玻璃件400可以是车辆上的玻璃件例如挡风玻璃或者另外增设在车辆上的透明玻璃，在此不作具体限制。显示器件2可以显示车辆的驾驶信息，进而通过平板透镜1和透明玻璃件400实现浮空实像，从而，坐在车内的用户通过一定距离的平视即可观看到包含驾驶信息的浮空实像5，无需低头观察，在驾驶时更加安全。

下面对平板透镜1的基本结构和成像原理进行说明。

在一些实施例中，如图2和3为根据本发明的一个实施例的平板透镜的结构示意图，平板透镜1可以包括第一玻璃窗口101和第二玻璃窗口104，在第一玻璃窗口101和第二玻璃窗口104之间设置有相互正交的两层周期性分布的光波导阵列即第一光波导阵列102和第二光波导阵列103。其中，光波导阵列由斜向布置的横截面为矩形的光波导组成，可以设X方向为第一光波导阵列102的光波导延伸方向，Y方向为第二光波导阵列103的光波导延伸方向，Z方向为平板透镜1的厚度方向。可以理解的是，第一光波导阵列102和第二光波导阵列103是一个相对的概念，两层光波导阵列中结构没有区别，只是布置时两个光波导阵列中的光波导延伸方向相对垂直。

如图4所示，两层光波导阵列沿平板透镜1的厚度方向其光波导延伸方向相互垂直。在实施例中，成型的光波导阵列其外轮廓形状可以为矩形，每个光波导的延伸方向与光波导阵列外轮廓的至少两条边之间的夹角为θ，其中，θ满足：30°≤θ≤60°，优选的θ＝45°，在该角度下浮空实像最清晰，残像最不明显。

平板透镜1可以使二维或者三维光源直接在空气中成实像且实现真正的全息影像，在实现大视场、大孔径、高解像、无畸变、无色散的同时，可以实现裸眼三维立体显示特性。平板透镜1的核心成像元件为第一光波导阵列102和第二光波导阵列103，如图5所示，平板透镜1可以实现对物像方点对点的无像差成像。

平板透镜1具体成像原理如下：对第一光波导阵列102和第二光波导阵列103进行拆分，如图6所示，以第一光波导阵列102为例，单层光波导阵列中物方单点光线经单侧平板透镜后，被各列光波导分割进行镜像调制，然后，光线重新汇聚在与光波导长边平行的一条直线A’上，形成点对线的一维成像效果。

如图7所示，为了实现物象点不同方向的光线均交于一点，需要两组光波导阵列联合使用，使两组光波导阵列排布方向相互垂直，可对目标物像进行点对点调制，因此，任意方向的光线经过此相互正交的两组光波导阵列，均可在平板透镜1的另一侧与目标物象对称的位置重新汇聚成浮空实像，浮空实像的成像距离与平板透镜1到原物像的距离相同，即光波导阵列为等距离成像，且浮空实像的位置在空中，不需要任何介质载体，可直接把实像呈现在空气中。

在本发明的实施例中，显示器件2可以是平面显示器件，也可以是三维显示器件。为了使白天日光较强的情况下，依然可以看见浮空实像，平面显示器件优选TFT-LCD(Thinfilm transistor liquid crystal display，薄膜晶体管液晶显示器)和DLP(DigitalLight Processing，数字光处理)光源。三维显示器件可以是利用全息三维成像技术、静态体成像技术、平移体扫描技术、旋转体扫描技术等实现的真正意义上的三维显示器件，也可以是利用人眼双目视差原理的伪三维显示器件。为了满足白天日光较强场景下的使用要求，显示器件优选稳定且亮度高的光源。

在实施例中，如图1所示，显示器件2与平板透镜1的夹角为α，透明玻璃件400与平板透镜1的夹角为β，其中，α<90°-β。显示器件2发出的图像光线直接入射到平板透镜1中，平板透镜1对入射的图像光线起到汇聚作用并进一步将汇聚光线发射至透明玻璃件400，透明玻璃件400对入射的图像光线存在透射也存在反射，所以，在透明玻璃件前后会各呈现一个浮空实像即浮空实像5和浮空实像6，两个浮空实像关于透明玻璃件400对称。若该抬头显示系统10设置在车辆上，车内的人员可以看到车内的浮空实像5。

进一步地，为了缩小体积，减小系统的纵向深度，在一些实施例中，抬头显示系统10还包括反射镜，显示器件2发出的图像光线投射至反射镜上，反射镜用于将投射光线反射至平板透镜1，进而平板透镜1对图像光线进行汇聚并发射至透明玻璃件400上，透明玻璃件400对入射的图像光线进行反射和透射，进而在两侧形成对称的两个浮空实像。反射镜可以改变显示器件2发射的图像光线的传播路径，可以缩短光传播长度，从而缩小系统的体积。

在本发明的实施例中，透明玻璃件400可以是透明曲面玻璃例如车辆的挡风玻璃，也可以是透明平面玻璃。透明玻璃件为透明曲面玻璃，反射镜可以设置为自由曲面反射镜，自由曲面反射镜改变显示器件2的图像光线的传播路径，可以缩小系统的体积，并且可以补偿透明曲面玻璃例如挡风玻璃引起的图像畸变。透明玻璃件为透明平板玻璃，反射镜可以为平板透镜，可以缩小系统体积，减小系统的纵向深度。下面分别进行说明。

如图1所示，抬头显示系统10可以装设在车辆上，透明玻璃件400可以为透明曲面玻璃例如车辆的挡风玻璃401。显示器件2与水平方向上的夹角为α，挡风玻璃401与水平方向夹角为β，其中α<90°-β，显示器件2发出的光线直接入射到平板透镜1中，平板透镜1对入射的光线起到汇聚作用，由于挡风玻璃401对光线存在透射也存在反射，所以，在挡风玻璃两侧会各呈现一个浮空实像即浮空实像5和浮空实像6，两个浮空实像关于挡风玻璃401对称，车内的人员只能看到车内的浮空实像5。

进一步地，由于挡风玻璃401通常为曲面玻璃，引入了成像畸变，又由于挡风玻璃曲面的曲率一般较小，在对小尺寸图像成像时，图像畸变可能难以被发现，但在大尺寸图像成像时，图像的畸变会更容易呈现出来。为了缩小体积和减小曲面的挡风玻璃401引入的成像畸变，可以在系统中加入反射镜。例如图8所示，反射镜为自由曲面反射镜301，一方面可以减小系统的纵向深度，另一方面可以减小挡风玻璃401引起的图像畸变，其中，自由曲面反射镜301的面型可以根据挡风玻璃401的面型设计和优化。对于小尺寸像源，浮空实像畸变不明显的情况，考虑到成本，也可以使用平面反射镜。

具体地，如图8所示，显示器件2将显示的包含驾驶信息的图像光线投射至自由曲面反射镜301上，自由曲面反射镜301改变图像光线的传播路径，进而自由曲面反射镜301将投射光线反射至平板透镜1，平板透镜1将入射光线汇聚并照射到挡风玻璃401，挡风玻璃401对光线进行反射和折射形成两个浮空实像即浮空实像5和浮空实像6，车内的人员可以看到呈现在车内空中的浮空实像5，从而无需低头即可查询相关驾驶信息，提高安全性。

在本发明的另一些实施例中，如图9所示，透明玻璃件400为独立的透明平面玻璃。以车辆的抬头显示系统为例，具体地，平板透镜1装载在车辆的中控平台上，并在车辆内增加透明平板玻璃402。其中，显示器件2可以是平面显示器件，也可以是三维显示器件。为了使白天日光较强的情况下，依然可以看见浮空实像，平面显示器件优选TFT-LCD和DLP光源。三维显示器件可以是利用全息三维成像技术、静态体成像技术、平移体扫描技术、旋转体扫描技术等实现真正意义上的三维显示器件，也可以是利用人眼双目视差原理的伪三维显示器件。为了满足白天日光较强场景下的使用要求，显示器件优选稳定且亮度高的光源。为了使浮空实像亮度更高，透明平面玻璃402对可见光的透反比小于常见挡风玻璃的8:2。

如图9所示，显示器件2与水平方向上的夹角为α，透明平面玻璃402与水平方向夹角为β，为了实现最佳的成像效果，优选地，α＝45°，β>45°。显示器件2发出的光线直接入射到平板透镜1，平板透镜1对入射的光线进行汇聚，由于透明平面玻璃402对光线存在透射也存在反射，所以，在透明平面玻璃402的两侧会分别呈现浮空实像，两个浮空实像关于透明平面玻璃402对称，车内的人员可以看到透明平面玻璃402在车内空中呈现的浮空实像5。

进一步地，如图10所示，为了缩小系统的体积，可以在显示器件2和平板透镜1之间加入平面反射镜302。车辆的抬头显示系统10采用独立的透明平面玻璃402，不会产生畸变，并且成本小，此外，还可以通过减小透明平面玻璃402的透反比，来增大浮空实像的亮度，从而呈现更加清晰的图像。

在本发明的实施例中，如图11所示，抬头显示系统10还包括交互装置11，交互装置11与显示器件2连接，用于检测感应区域的操作指令，并根据操作指令控制显示器件2，以实现交互操作的功能，从而，操作人员无需低头即可实现人机交互，尤其对于车辆来说，可以提高驾驶安全。其中，感应区域大于透明玻璃件400的成像显示区域，可以保证对成像显示区域的有效操作，避免无效操作或不能操作。

进一步地，如图11所示，交互装置11包括光学传感器7和控制器8，其中，光学传感器7用于检测感应区域的操作指令；控制器8与光学传感器7和显示器件2连接，用于根据操作指令控制显示器件2，从而实现人机交互。

例如，对于车辆来说，显示器件2的显示内容可以包括车辆的中控台中的相关操作，采用本发明的抬头显示系统10，通过交互装置11就可以实现操作，驾驶员无需低头，可以提高驾驶安全。

具体地，参照图11所示的抬头显示系统10，光学传感器7的感应区域即可捕捉的有效区域大于浮空实像5的有效区域，通过光学传感器7捕捉到人在浮空实像5区域的手势动作或者触碰位置并转换为电信号，然后，控制器8根据接收到的电信号确定操作指令，根据操作指令发出控制信号给显示器件2，从而控制显示器件2显示所需的信息界面，实现了人机交互。

其中，光学传感器7的感应形式包括但不限于远红外、近红外、超声波、激光干涉、光栅、编码器、光纤式或CCD(电荷耦合器件)等。光学传感器7的感应区域与浮空实像5位于同一平面且包含浮空实像所处的三维空间，可以根据安装空间、观看角度和使用环境选择最佳的感应形式，方便用户以最佳的姿态对浮空实像5进行操作，提高用户操作的灵敏度和便捷性。控制器8与光学传感器7采用有线或无线方式连接，传输数字或模拟信号，从而，可以灵活控制成像系统的体积。

例如，在一些实施例中，光学传感器7可以包括红外激光发射器和红外激光接收器，红外激光器发射激光以形成感应区域，人手在感应区域操作会对红外激光发生散射，进而红外激光接收器接收到散射光线并转换为电信号，控制器8根据该电信号确定操作位置并生成操作指令，根据操作指令控制显示器件2以提供对应的信息界面，实现人机交互。

概括来说，本发明实施例的抬头显示系统10，基于平板透镜1来实现浮空实像，可以解决现有的抬头显示系统无法成实像的问题，提供给用户看得着摸得到的实像，提升用户体验，以及，基于平板透镜1自身的成像特性，可以进行大尺寸拼接，从而可以增大成像显示尺寸，以及通过反射镜可以缩短光线传播路径，从而不会增加系统的纵向深度，缩小系统体积。此外，还可以通过交互装置11实现人机交互功能，解决现有抬头显示系统无法通过对浮空像进行触碰实现人机交互的问题。

基于上面实施例的抬头显示系统，本发明第二方面实施例提出一种车辆。

图12是根据本发明的一个实施例的车辆的框图，如图12所示，车辆100包括上面实施例的抬头显示系统10，抬头显示系统10的结构和成像原理可以参照上面实施例的描述，在此不再赘述。

具体地，抬头显示系统10装载在车辆上，例如，将平板透镜和显示器件设置在中控台，透明玻璃件可以直接选择车辆的挡风玻璃，或者，增加透明平面玻璃来作为透明玻璃件，都可以实现车辆100的抬头显示功能。

此外，抬头显示系统10还可以设置反射镜，缩小抬头系统的体积，减小系统的纵向深度，减小占用车内空间。还可以设置人机交互装置，实现人机交互功能。

根据本发明实施例的车辆100，采用上面实施例的抬头显示系统10，可以实现浮空实像显示，并且可以提供大尺寸显示图像，提高用户体验。以及，还可以通过抬头显示系统10的交互装置来实现人机交互功能，从而，驾驶人员无需低头即可实现操作，尤其是在驾驶过程中，可以提高驾驶安全。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种抬头显示系统，其特征在于，包括：

显示器件、平板透镜和透明玻璃件；

所述显示器件和所述透明玻璃件设置在所述平板透镜的两侧；

所述显示器件，用于显示图像并发射图像光线；

所述平板透镜，用于将所述图像光线进行汇聚并照射至所述透明玻璃件；

所述透明玻璃件，用于将入射的图像光线进行反射和折射并成像显示。

2.根据权利要求1所述的抬头显示系统，其特征在于，所述显示器件与所述平板透镜的夹角为α，所述透明玻璃件与所述平板透镜的夹角为β，其中，α<90°-β。

3.根据权利要求2所述的抬头显示系统，其特征在于，所述显示器件包括平面显示器件和三维显示器件中的任意一种。

4.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：

反射镜，所述图像光线投射至所述反射镜上，所述反射镜用于将投射光线反射至所述平板透镜。

5.根据权利要求4所述的抬头显示系统，其特征在于，

所述透明玻璃件为透明曲面玻璃；

所述反射镜为自由曲面反射镜。

6.根据权利要求4所述的抬头显示系统，其特征在于，

所述透明玻璃件为透明平面玻璃；

所述反射镜为平面反射镜。

7.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：

交互装置，所述交互装置与所述显示器件连接，用于检测感应区域的操作指令，并根据所述操作指令控制所述显示器件，其中，所述感应区域大于所述透明玻璃件的成像显示区域。

8.根据权利要求7所述的抬头显示系统，其特征在于，所述交互装置包括：

光学传感器，所述光学传感器用于检测所述感应区域的操作指令；

控制器，所述控制器与所述光学传感器和所述显示器件连接，用于根据操作指令控制所述显示器件。

9.根据权利要求1-8任一项所述的抬头显示系统，其特征在于，所述平板透镜包括第一玻璃窗口件和第二玻璃窗口件，在所述第一玻璃窗口件与所述第二玻璃窗口件之间设置有相互正交的两层周期性分布的光波导阵列。

10.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的抬头显示系统。

Images