CN113741036A - 车载抬头显示器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种车载抬头显示器，包括：底座；衍射波导，设置于底座上，工作时高速旋转；衍射波导设置有入瞳光栅和出瞳光栅；投影光机，设置于底座和衍射波导之间，对应入瞳区设置，投影光机的出光轴线、入瞳光栅的中轴线与衍射波导的旋转轴线同轴；投影光机发出的光线进入入瞳光栅，由入瞳光栅衍射耦合进衍射波导，经波导内全反射传播至出瞳光栅，并由出瞳光栅衍射输出。本申请车载抬头显示器通过小面积的衍射波导实现大视场显示。

Description

车载抬头显示器

技术领域

本申请属于显示技术领域，特别涉及一种车载抬头显示器。

背景技术

目前，驾驶员开车的过程中，需要经常性的观察车速、导航等重要信息来辅佐开车，获取这种信息一般都需要驾驶员低头去查看汽车自带的仪表盘和导航仪。而如果通过抬头显示器(HUD，Head Up Display)形成的虚拟像落在驾驶员的视线前方，驾驶员即可方便查看车辆和路线信息，这将大大提高驾驶的安全性。

根据HUD的成像解决方案，可以分为三类：挡风玻璃反射型，玻璃成像型，虚拟成像型。挡风玻璃反射型即为利用挡风玻璃反射投影图像，这种方法容易受玻璃面型和光照影响，显示区域小，显示内容一般只有车速等单一信息；玻璃成像型是在仪表盘上方安装固定件，并插入平面或曲面玻璃充当投影屏，图像投影到玻璃上显示，这种方法显示视场角较大，显示内容丰富，可同时显示车辆及道路信息；虚拟成像型是利用全息或 AR等新型显示技术，这种方法不仅显示内容丰富，还能融入深度信息，显示更加直观，使驾驶员沉浸在整个环境中。

现有的基于光波导技术的AR-HUD通过半透半反镜成像，一方面透过反射镜观看路面状况，一方面投影图像源经反射镜反射，进入人眼区域，反射镜所反射的图像源一般为LCOS、Micro-LED等显示屏或DLP投影的一次像面。

然而，大面积的AR波导制作成本非常昂贵，难以推广。

发明内容

本申请提供一种车载抬头显示器，以解决波导实现的车载抬头显示器体积大造价高的问题。

为解决上述技术问题，本申请提出一种车载抬头显示器，包括：底座；衍射波导，相对所述底座旋转设置；所述衍射波导设置有入瞳光栅和出瞳光栅；投影光机，设置于所述底座和所述衍射波导之间，对应所述入瞳区设置，所述投影光机的出光轴线、所述入瞳光栅的中轴线与所述衍射波导的旋转轴线同轴；所述投影光机发出的光线进入所述入瞳光栅，由所述入瞳光栅衍射进入所述衍射波导，通过衍射波导内全反射传播到所述出瞳光栅，并由所述出瞳光栅衍射输出。

在一个实施例中，还包括：驱动电机，所述驱动电机连接所述衍射波导，驱动所述衍射波导以预设速度旋转；所述预设速度大于或等于30Hz。

在一个实施例中，所述投影光机在所述衍射波导的一个旋转周期内无序发出RGB三色光，所述预设速度最低为30Hz；或者，所述投影光机在所述衍射波导的三个旋转周期内依时序发出RGB三色光，所述预设速度最低为60Hz。

在一个实施例中，高成像质量需要的预设速度大于或等于180Hz。

在一个实施例中，所述衍射波导还设置有扩瞳光栅，设置于所述入瞳光栅的外侧，所述出瞳光栅设置于所述扩瞳光栅的下侧，所述投影光机发出的光线进入所述入瞳光栅，由所述入瞳光栅衍射耦合进入所述衍射波导，通过全反射传播到所述扩瞳光栅，由所述扩瞳光栅衍射使光线转向并进入所述出瞳光栅。

在一个实施例中，所述衍射波导包括两个扩瞳光栅和两个出瞳光栅，两个所述扩瞳光栅分别位于所述入瞳光栅的相对两侧，两个所述出瞳光栅与两个所述扩瞳光栅一一对应设置。

在一个实施例中，所述衍射波导包括两个出瞳光栅，分别设置于所述入瞳光栅的相对两侧。

在一个实施例中，所述衍射波导为对称形状，所述衍射波导的对称中心为旋转中心。

在一个实施例中，所述衍射波导为圆形，以所述旋转中心为圆心。

在一个实施例中，所述入瞳光栅远离所述投影光机的表面设置有增反膜或遮光层。

在一个实施例中，所述衍射波导包括一个入瞳光栅和一个出瞳光栅；或者，包括一个入瞳光栅、一个扩瞳光栅和一个出瞳光栅；所述入瞳光栅为闪耀光栅。

在一个实施例中，所述入瞳光栅为普通对称光栅。

在一个实施例中，所述衍射波导的长度为50～200mm，出瞳光栅与入瞳光栅的最大夹角为20～30°。

区别于现有技术，本申请车载抬头显示器包括底座、衍射波导、投影光机，衍射波导相对底座旋转设置，投影光机固定设置于底座，且衍射波导上入瞳光栅的中心与旋转中心同轴，利用旋转可实现出瞳光栅的等效分布，即旋转面可等效为一个圆形的出瞳面。因此，小体积的衍射波导可实现大面积的显示。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：

图1是本申请车载抬头显示器一实施例的结构示意图；

图2是本申请车载抬头显示器中波导路径图；

图3是本申请车载抬头显示器中衍射波导的第一结构示意图；

图4是本申请车载抬头显示器中衍射波导的第二结构示意图；

图5是本申请车载抬头显示器中衍射波导的第三结构示意图；

图6是本申请车载抬头显示器中衍射波导的第四结构示意图；

图7是本申请车载抬头显示器中衍射波导的第五结构示意图；

图8是本申请车载抬头显示器中衍射波导旋转式的等效光栅分布图；

图9是本申请车载抬头显示器的显示效果图；

图10是本申请车载抬头显示器在车辆中的应用场景图；

图11是本申请车载抬头显示器在车辆中的另一应用场景图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

目前，在AR-HUD方案中，为了兼顾距离和视场，一般采用大尺寸的衍射波导。以50～100cm的显示距离来说，在15°FOV下，衍射波导出瞳区的面积达100～300cm2，如此大的面积将会产生十分高昂的制作成本，不利于推广。因此，本申请希望能在小尺寸的出瞳面积下，实现大视场的显示效果和增大AR-HUD的eye box。

本发明主要思路为采用旋转式衍射波导来实现大视场的AR-HUD。例如将一块20°夹角出瞳面的衍射波导，绕入瞳中心高速旋转，投影光机固定在入瞳区背面，以透射的方式从出瞳区正面出光。在这种方式下实现的大视场AR-HUD，出瞳区面积降低到5.56～16.67cm2，可有效地降低制作成本。

下面结合附图图1-图10来详细描述本申请公开的具体实施方式。

首先，如图1和图2所示，本实施例车载抬头显示器包括衍射波导100、投影光机500和底座700，为了便于衍射波导100的稳定性，车载抬头显示器还包括波导固定件及保护盖600。

衍射波导100，相对底座700旋转设置，投影光机500固定设置于底座700内，位于衍射波导100和底座700之间，因而衍射波导100的出光方式为透射式出光，即投影光机500的光束从衍射波导的入瞳光栅背面耦合进波导，从出瞳光栅的正面出光并入射人眼。

这种出光方式的主要目的是防止光机对视场的遮挡，以提高AR-HUD 的使用体验。投影光机500出瞳面正对衍射波导100入瞳光栅的背面。其中衍射波导100入瞳光栅的中轴线，衍射波导100旋转轨道(rotation trajectory)的中轴线即旋转轴线，投影光机500出瞳面的中轴线即出光轴线，三线共轴。

衍射波导100具体由驱动电机带动旋转，驱动电机驱动衍射波导100 以预设速度旋转，预设速度可设置为大于或等于30Hz，可也进一步的设置为大于或等于60Hz，实现高速旋转。为实现高成像质量，预设速度进一步设置为大于或等于180Hz。

衍射波导具体安装在波导固定件600内，波导固定件600内部设有波导片旋转轨道，其表面则通过保护盖进行防护。

本申请利用旋转式衍射波导结构来给AR-HUD提供大视场并增大eye box。通过高速旋转形成一等效的大面积圆形出瞳区域。由于投影光机固定在入瞳光栅背面，不跟随波导进行旋转，因此其成像面积为整个旋转区域。由此便可通过小面积的出瞳实现大视场的显示效果。

请参阅图3-7，具体介绍衍射波导的结构。其中图3为单边波导，包括入瞳光栅101、扩瞳光栅201和第一出瞳光栅301，其中虚线部分为旋转区域。

该波导为传统的单片单眼衍射波导，常用于近眼显示。投影光机500 置于入瞳光栅101背面，光机500出瞳面的法线与波导入瞳区的法线重合，投影光束从入瞳光栅101耦合进波导内，经全反射传播到扩瞳光栅201，一部分光在扩瞳光栅的作用下朝出瞳光栅301衍射，另一部分光则继续通过全反射传播，扩瞳光栅内同时进行光路的偏折和一维扩瞳；朝出瞳光栅 301衍射的光在出瞳光栅光栅301的作用下，同时进行二维扩瞳和出瞳。最终出瞳图像经过两个方向的放大，进入人眼。

衍射波导100在电机的带动下，绕入瞳光栅中心以30Hz以上的速度旋转，根据等效视场面原则，当旋转速度超过人眼的分辨能力时，整个旋转面可看成等效视场面，以实现大视场显示。等效视场面的有效面积为出瞳光栅301旋转时的积分面积，旋转半径对出瞳区的截距越大，等效视场面的有效面积越大，同时整体出光亮度也会降低，变为原出光亮度的(πr^2)^(-1)，其中r为旋转半径。

由于衍射波导100为单边衍射模式，可选的，为了提高出光亮度，入瞳光栅101可采用闪耀光栅，以提高衍射效率。

可选的，投影光机500可采用三色光源，以时序的方式依次投影R、G、B三种颜色的光。衍射波导100需要在一个光机投影周期内旋转一周，以覆盖三色光的投影周期，从而保证彩色显示时的色彩均匀性。投影周期为三色光依次完成一次投影所需的时间，此时衍射波导的转速最低为30Hz。或者在三个旋转周期依时序发出RGB三色光，此时，衍射波导100的转速最低为60Hz。

可选的，波导入瞳光栅及附近可添加增反膜或遮光涂层，以屏蔽直接透射光对使用者的影响，提高使用体验。

可选的，原单片衍射波导可适当改变形状，可选为长度等于旋转直径的圆边矩形，如图6，也可选为圆形波导，入瞳区设置在圆心位置。上述波导片变种可有效地提高其旋转时的稳定性。

投影光机500置于波导片的背面，光机及图像源固定，两者均不会跟随波导片旋转。波导片出光方式为透射式，即光束从波导片背面耦合进波导，从波导的正面出光并入射人眼，见3所示。这种出光方式的主要目的是防遮挡，以提高AR-HUD的使用体验。

图4也为单边波导，包括入瞳光栅101和第二出瞳光栅401，该衍射波导100不包括扩瞳光栅，因此仅有一维扩瞳，但由于其在工作时高速旋转，且投影光机固定在入瞳背面，不会跟随波导旋转，其一维扩瞳将演变为辐射式扩瞳，从而大幅提高可视面积。

该衍射波导100只包括入瞳光栅和出瞳光栅，单独使用时只能进行一维扩瞳。当其作为旋转式波导片的载体时，其光波矢量则是辐射式的。在旋转时的等效视场面中，入瞳光会朝所有方向发生衍射，每个角度的光波都会同时进行扩瞳和出瞳，以此将一维扩瞳演变成辐射式扩瞳，从而实现图像和视场的放大。

衍射波导100通过电机带动旋转，绕入瞳区中心以30Hz以上的速度旋转，根据等效视场面原则，当旋转速度超过人眼的分辨能力时，整个旋转面可看成等效视场面，以实现大视场显示。所述等效视场面的有效面积为第二出瞳光栅401旋转时的积分面积，旋转半径对出瞳区的截距越大，等效视场面的有效面积越大，同时整体出光亮度也会降低，变为原出光亮度的(πr^2)^(-1)，其中r为旋转半径。

由于衍射波导100为单边衍射模式，可选的，为了提高出光亮度，入瞳光栅可采用闪耀光栅，以提高衍射效率。对于本申请中的双边衍射模式，采用普通对称光栅即可。

可选的，所述投影光机500可采用三色光源，以时序的方式依次投影 R、G、B三种颜色的光，此时衍射波导的转动速度最低为30Hz。

可选的，所述衍射波导100需要在一个光机投影周期内旋转一周，以覆盖三色光的投影周期，从而保证彩色显示时的色彩均匀性。所述投影周期为三色光依次完成一次投影所需的时间。

可选的，波导入瞳区及附近可添加增反膜或遮光涂层，以屏蔽直接透射光对使用者的影响，提高使用体验。

可选的，原单片衍射波导可适当改变形状，可选为长度等于旋转直径的圆边矩形，如图7，也可选为圆形波导，入瞳区设置在圆心位置。上述波导片变种可有效地提高其旋转时的稳定性。

投影光机置于波导片的背面，光机出瞳面的法线和波导入瞳区的法线重合，光机及图像源固定，两者均不会跟随波导片旋转。波导片出光方式为透射式，即光束从波导片背面耦合进波导，从波导的正面出光并入射人眼。这种出光方式的主要目的是防遮挡，以提高AR-HUD的使用体验。

图5为双边波导，包括入瞳光栅101，第二出瞳光栅401和第三出瞳光栅402。该波导同样不包括扩瞳光栅，仅有一维扩瞳，但由于其在工作时高速旋转，且投影光机固定在入瞳背面，不会跟随波导旋转，其一维扩瞳将演变为辐射式扩瞳，从而大幅提高可视面积。

该衍射波导100只包括入瞳光栅和出瞳光栅，单独使用时只能进行一维扩瞳。当其作为旋转式波导片的载体时，其光波矢量则是辐射式的。在旋转时的等效视场面中，入瞳光会朝所有方向发生衍射，每个角度的光波都会同时进行扩瞳和出瞳，以此将一维扩瞳演变成辐射式扩瞳，从而实现图像的放大。

衍射波导100通过电机带动旋转，绕入瞳区中心以30Hz以上的速度旋转，根据等效视场面原则，当旋转速度超过人眼的分辨能力时，整个旋转面可看成等效视场面，以实现大视场显示。所述等效视场面的有效面积为第二出瞳光栅401和第三出瞳光栅402旋转时的积分面积，旋转半径对出瞳区的截距越大，等效视场面的有效面积越大，同时整体出光亮度也会降低，变为原出光亮度的(πr^2)^(-1)，其中r为旋转半径。

本实施例采用双边衍射模式，左右两侧出瞳区的尺寸和光栅结构沿波导片中轴线镜像对称，相比单边衍射波导，能将等效视场面出光亮度提升为原来的2倍。

可选的，所述投影光机可采用三色光源，以时序的方式依次投影R、 G、B三种颜色的光。

可选的，所述衍射波导需要在一个光机投影周期内旋转一周，以覆盖三色光的投影周期，从而保证彩色显示时的色彩均匀性。所述投影周期为三色光依次完成一次投影所需的时间。

可选的，波导入瞳区及附近可添加增反膜或遮光涂层，以屏蔽直接透射光对使用者的影响，提高使用体验。

投影光机置于波导片的背面，光机及图像源固定，两者均不会跟随波导片旋转。波导片出光方式为透射式，即光束从波导片背面耦合进波导，从波导的正面出光并入射人眼。这种出光方式的主要目的是防遮挡，以提高AR-HUD的使用体验。

以上入瞳光栅、扩瞳光栅和出瞳光栅均为衍射光栅，具体可以为表面浮雕光栅，或体全息光栅。其中衍射波导100的最大长度为50～100mm，出瞳光栅与入瞳光栅的最大夹角为20～30°。

请参阅图8-9，图8为等效光栅分布，其中最外圈和中间圈的实线为等效出瞳边界，中间圈的虚线为等效出瞳光栅；最内圈的实线为等效入瞳边界，最内圈的虚线为等效入瞳光栅。图9为显示效果图，显示面中央有一个小面积的显示盲区，其大小等于入瞳区域的面积。

由于投影光机500固定在入瞳光栅的背面，且不会跟随衍射波导100 旋转，因此每当衍射波导100旋转一定角度，衍射波导100的波矢方向都会跟随衍射波导100发生变化。当衍射波导的旋转速度到达人眼的分辨极限时(24Hz)，其旋转面便可等效为一个大面积的圆形出瞳区，且其光栅排布为半径逐渐递增的同心圆环，每一个单位面积的光栅方向均朝向圆心。其中，图9中的显示区域为波导出瞳光栅旋转时的积分面，同时也是系统的等效视场面和出瞳等效光栅；未显示区域为波导入瞳光栅旋转时的积分面，同时也是系统的入瞳等效光栅。

这种同心圆式光栅，区别于普通的单方向衍射光栅，其衍射方式为辐射式衍射，衍射角可朝向各个方向，且各向同性。当投影光束耦合进波导时，入瞳光束会朝各个方向发生衍射，同时进行各方向的扩瞳和出瞳，最终图像效果见图9。

请参阅图10-11，其分别为车载抬头显示器在车辆中的应用场景，图 10为车窗反射式AR-HUD，即车载抬头显示器的输出光由车窗反射进入人眼。图11为立式AR-HUD，即车载抬头显示器的输出光直接进入人眼。

目前AR-HUD的设计大多采用大面积的出瞳区来实现大视场显示，该方法的制作成本昂贵，难以推广。通过旋转波导片产生的等效视场面，可由小面积的出瞳区来实现大视场显示，这种技术将是未来大视场 AR-HUD的主要实现手段。

在本说明书的上述描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“固定”、“安装”、“相连”或“连接”等术语应该做广义的理解。例如，就术语“连接”来说，其可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，或者可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。因此，除非本说明书另有明确的限定，本领域技术人员可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

根据本说明书的上述描述，本领域技术人员还可以理解如下使用的术语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”、“中心”、“纵向”、“横向”、“顺时针”或“逆时针”等指示方位或位置关系的术语是基于本说明书的附图所示的方位或位置关系的，其仅是为了便于阐述本申请的方案和简化描述的目的，而不是明示或暗示所涉及的装置或元件必须要具有所述特定的方位、以特定的方位来构造和进行操作，因此上述的方位或位置关系术语不能被理解或解释为对本申请方案的限制。

另外，本说明书中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明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”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体的限定。

虽然本说明书已经示出和描述了本申请的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本申请思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本申请的过程中，可以采用对本文所描述的本申请实施例的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本申请的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的模块组成、等同或替代方案。

Claims (13)

1.一种车载抬头显示器，其特征在于，包括：

底座；

衍射波导，相对于所述底座旋转设置；所述衍射波导上设置有入瞳光栅和出瞳光栅；

投影光机，固定设置于所述底座内，位于所述底座和所述衍射波导之间，对应所述入瞳区设置；

所述投影光机的出光轴线、所述入瞳光栅的中轴线与所述衍射波导的旋转轴线同轴；所述投影光机发出的光线进入所述入瞳光栅，由所述入瞳光栅衍射进入所述衍射波导，通过衍射波导内全反射传播到所述出瞳光栅，并由所述出瞳光栅衍射输出。

2.根据权利要求1所述的车载抬头显示器，其特征在于，还包括：

驱动电机，所述驱动电机连接所述衍射波导，驱动所述衍射波导以预设速度旋转；所述预设速度大于或等于30Hz，或者，所述预设速度大于或等于60Hz；优选的，高成像质量需要的预设速度大于或等于180hz。

3.根据权利要求2所述的车载抬头显示器，其特征在于，所述投影光机在所述衍射波导的一个旋转周期内无序发出RGB三色光，所述预设速度最低为30Hz；或者，所述投影光机在所述衍射波导的三个旋转周期内依时序发出RGB三色光，所述预设速度最低为60Hz；优选的，高成像质量需要的预设速度大于或等于180hz。

4.根据权利要求1所述的车载抬头显示器，其特征在于，所述衍射波导还设置有扩瞳光栅，设置于所述入瞳光栅的外侧，所述出瞳光栅设置于所述扩瞳光栅的下侧，所述投影光机发出的光线进入所述入瞳光栅，由所述入瞳光栅衍射耦合进入所述衍射波导，通过全反射传播到所述扩瞳光栅，由所述扩瞳光栅衍射使光线转向并进入所述出瞳光栅。

5.根据权利要求4所述的车载抬头显示器，其特征在于，所述衍射波导包括两个扩瞳光栅和两个出瞳光栅，两个所述扩瞳光栅分别位于所述入瞳光栅的相对两侧，两个所述出瞳光栅与两个所述扩瞳光栅一一对应设置。

6.根据权利要求1所述的车载抬头显示器，其特征在于，所述衍射波导包括两个出瞳光栅，分别设置于所述入瞳光栅的相对两侧。

7.根据权利要求1所述的车载抬头显示器，其特征在于，所述衍射波导为对称形状，所述衍射波导的对称中心为旋转中心。

8.根据权利要求7所述的车载抬头显示器，其特征在于，所述衍射波导为圆形，以所述旋转中心为圆心。

9.根据权利要求1所述的车载抬头显示器，其特征在于，所述入瞳光栅远离所述投影光机的表面设置有增反膜或遮光层。

10.根据权利要求1所述的车载抬头显示器，其特征在于，所述衍射波导包括一个入瞳光栅和一个出瞳光栅；或者，包括一个入瞳光栅、一个扩瞳光栅和一个出瞳光栅；所述入瞳光栅均为闪耀光栅。

11.根据权利要求5或6所述的车载抬头显示器，其特征在于，所述入瞳光栅为普通对称光栅。

12.根据权利要求1所述的车载抬头显示器，其特征在于，所述衍射波导的最大长度为50mm至200mm，出瞳光栅与入瞳光栅的最大夹角为20°至30°。

13.根据权利要求1所述的车载抬头显示器，其特征在于，还包括波导固定件及保护盖，所述衍射波导设置在所述波导固定件内，所述波导固定件，所述保护盖依次盖设于所述底座。

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