CN113835283B - 投影显示系统及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种投影显示系统，包括：投影装置，用于发出携带显示信息的准直均匀光线；匀光元件，位于投影装置后；以及反射镜组，用于偏折经过匀光元件散射后的光线的方向，以使得显示元件接收经由反射镜组偏折后的光线，并反射光线中的显示信息，其中，投影显示系统还包括移动机构，用于改变投影装置与匀光元件之间的相对位置，以改变成像在匀光元件上的光线的投影的大小，从而改变经显示元件反射到人眼后，人眼看到的成像画面的大小。

Description

投影显示系统及其形成方法

技术领域

本申请涉及一种可以控制成像大小的投影显示系统及其形成方法，具体的涉及一种可以控制成像大小的HUD(Head-UP Display,抬头显示器)，尤其涉及一种通过PGU(Picture Generation Unit,图像生成单元)的无焦性而实现控制成像大小的HUD。本申请还涉及这样的一种无焦性的PGU。

背景技术

由于汽车的普及，交通安全问题逐渐引起人们的关注，车载HUD通过将行车的重要信息如行驶速度、导航信息等通过显示系统投射到挡风玻璃上，再通过挡风玻璃反射给驾驶员，从而避免了驾驶员在行车过程中频繁低头看仪表盘、导航仪或者车载屏幕等过程中造成的视野盲区，潜在的减少驾驶员由于在道路和仪表信息间切换视野而造成的心理负担，和分散注意力的时间，同时降低眼睛焦距需要不断调整产生的延迟与不适。而随着技术的发展，车载HUD除了可以显示仪表、导航等信息外，还可以根据用户需求实现各式各样的功能。

投影设备如PGU目前被广泛应用于交通工具中以实现HUD。PGU将图像投影到称为散射屏的中间图像平面上。HUD光学系统随后将图像放大并投影到挡风玻璃上，然后在此处反射到驾驶员的可视范围中，从而向驾驶员呈现道路远方2到20m外的图像。

目前车载HUD包括多种类型，诸如：W-HUD(Windshield-HUD，风挡式抬头显示器)，其使用汽车的挡风玻璃为显示设备，实现显示效果一体化。C-HUD(Combiner-HUD，组合式抬头显示器),其被安装在一块儿透明玻璃上，光学图像经过折射反射到该透明玻璃。在离驾驶员视线1.8-2.5米的位置形成显示不同信息的虚像。AR-HUD(Augmented Reality-HUD，增强现实抬头显示器)更是将增强现实技术与HUD技术很好的进行了融合，能够在不影响驾驶员感知真实驾驶环境的情况下帮助驾驶员分析重要的驾驶信息。在AR-HUD的应用场景下，AR画面往往与真实驾驶环境中的物体近似地“融为一体”。AR-HUD的成像距离更远，驾驶员可以获得更大的视场角，能够使驾驶信息与外部环境进行更好的融合，大大提升驾驶员的使用体验。

但目前主流HUD大都为一个固定大小画面，对于驾驶员而言，在道路拥挤情况小，固定画面大小会影响驾驶者观察路况，会引起驾驶疲劳，产生安全隐患，所以目前急需一种能够在行驶过程中，画面大小能够适配周围环境发生改变的HUD，以降低安全风险。

此外，除了上述车载HUD之外，在许多其它领域也存在改变画面大小的投影显示需求。

发明内容

因此，本申请的目的是提供一种无焦性投影装置，以实现成像大小可控制的HUD，其中HUD不限于W-HUD、C-HUD和AR-HUD。由于该HUD的成像大小可控，从而能够提升驾驶人员的使用体验，降低安全风险。

本申请另一方面提供了.一种投影显示系统，包括：投影装置，用于发出携带显示信息的准直均匀光线；匀光元件，位于投影装置后；以及反射镜组，用于偏折经过匀光元件散射后的光线的方向，以使得显示元件接收经由反射镜组偏折后的光线，并反射光线中的显示信息。

在一个实施方式中，投影显示系统还包括移动机构，用于改变投影装置与匀光元件之间的相对位置，以改变成像在匀光元件上的光线的投影的大小，从而改变经显示元件反射到人眼后，人眼看到的成像画面的大小。

在一个实施方式中，投影显示系统的投影装置包括：光源，用于发射光；以及至少一个准直透镜，用于对光源发出的光进行准直并减小光斑尺寸。

在一个实施方式中，述投影装置的准直透镜为柱面透镜。

在一个实施方式中，投影显示系统的投影装置的准直透镜具有第一面和第二面，该投影装置的焦距f与准直透镜的第一面或第二面的曲率半径R之间的关系满足：f/R≥100。

在一个实施方式中，投影显示系统的投影装置的光斑尺寸SPOT SIZE满足：SPOTSIZE≤1000μm以及该投影装置的准直度满足：准直度≤3mrd。

在一个实施方式中，投影显示系统的投影装置还包括成像元件，用于生成待投影信息。

在一个实施方式中，投影显示系统的投影装置的成像元件可以为MEMS模块。

在一个实施方式中，投影显示系统中的移动机构可以为电动滑轨。

在一个实施方式中，投影显示系统中的反射镜组可以为包括至少一个自由曲面镜的自由曲面镜组。

在一个实施方式中，投影显示系统中的反射镜组可以为包括两个自由曲面镜的自由曲面镜组。

在一个实施方式中，投影显示系统中的显示元件可以为车辆的风挡。

在一个实施方式中，投影显示系统的投影装置的光源为LD光源。

在一个实施方式中，投影显示系统的投影装置的光源为LED光源。

在一个实施方式中，投影显示系统中的投影装置设置在移动机构上，投影装置与匀光元件之间的相对位置的改变通过移动机构移动投影装置来实现。作为一种选择，投影显示系统中的匀光元件设置在移动机构上，投影装置与匀光元件之间的相对位置的改变通过移动机构移动匀光元件来实现。

在本申请中，利用投影装置成像的无焦性以及通过移动机构改变投影装置与匀光元件之间的相对位置，改变在匀光元件的表面上的光线的投影的大小，从而实现了投影显示系统的虚像大小可控，从而避免了驾驶者在行驶过程中由于投影显示系统成像过大无法调整引起驾驶者视觉疲劳，造成驾驶者体验感下降的问题。

在本申请的另一方面中还提供了一种形成投影显示系统的方法，该方法可包括：设置投影装置，用于发出携带显示信息的准直均匀光线；在准直均匀光线的光路上设置匀光元件，其位于投影装置后；在将准直均匀光线散射后的光路上设置反射镜组，用于偏折经过匀光元件散射后的光线的方向，以使得显示元件接收经由反射镜组偏折后的光线，并反射光线中的显示信息。

该方法还可包括：将投影装置或匀光元件设置在移动机构上，通过移动机构移动投影装置改变投影装置与匀光元件之间的相对位置，以改变成像在匀光元件上的光线的投影的大小，从而改变经显示元件反射到人眼后，人眼看到的成像画面的大小。

在一个实施方式中，该方法还可包括在投影装置中设置用于发射光的光源；以及设置至少一个准直透镜，用于对光源发出的光进行准直并减小光斑尺寸。

在一个实施方式中，该方法中设置的准直透镜可以为柱面透镜。

在一个实施方式中，该方法中设置的准直透镜具有第一面和第二面，投影装置的焦距f与准直透镜的第一面或第二面的曲率半径R之间的关系满足：f/R≥100。

在一个实施方式中，该方法中设置的投影装置的光斑尺寸SPOT SIZE满足：SPOTSIZE≤1000μm以及投影装置的准直度满足：准直度≤3mrd。

在一个实施方式中，该方法还包括可以在投影装置中设置成像元件，用于生成待投影信息。

在一个实施方式中，该方法中设置的投影装置的成像元件可以为MEMS模块。

在一个实施方式中，该方法中设置的移动机构可以为电动滑轨。

在一个实施方式中，该方法中设置的反射镜组可以为包括至少一个自由曲面镜的自由曲面镜组。

在一个实施方式中，该方法中设置的反射镜组可以为包括两个自由曲面镜的自由曲面镜组。

在一个实施方式中，该方法中的显示元件可以为车辆的风挡。

在一个实施方式中，在该方法中设置的投影装置的光源可以为LD光源。

在一个实施方式中，在该方法中设置的投影装置的光源可以为LED光源。

在一个实施方式中，在该方法中将投影显示系统中的投影装置设置在移动机构上，投影装置与匀光元件之间的相对位置的改变通过移动机构移动投影装置来实现。作为一种选择，在该方法中将投影显示系统中的匀光元件设置在移动机构上，投影装置与匀光元件之间的相对位置的改变通过移动机构移动匀光元件来实现。

本申请通过对投影装置中的镜片进行光学优化设计保证了投影装置的出射光具备准直特性。并且区别于DMD投影装置的面扫描成像方式，本申请为点扫描成像，具有分辨率高，成本低的优势。

本申请通过移动机构移动投影装置或匀光元件的实施方式，仅需对成像在匀光元件上的成像尺寸做调整以适应投影装置投影像面大小，极大地降低了设计成本和难度。

此外，通过对光源进行光学准直设计，从而保证光束的高度空间相关性，使光斑尺寸随着投影距离增加不会急剧变大，从而在不同的投影距离下可成像清晰，即投影系统景深极长，即实现了系统的无焦性的情况下，可以在不同投影距离下保证成像清晰，满足人眼可视清晰度。通过实现投影系统即投影装置的无焦性，可以实现画面大小能够适配周围环境发生改变的投影显示系统，从而降低安全风险。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施方式所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是根据本申请实施方式的投影装置的示意图；

图2是根据本申请实施方式的投影显示系统的示意图；

图3是根据本申请另一实施方式的投影显示系统的示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。

应注意，在本说明书中，第一、第二等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本申请的教导的情况下，下文中讨论的第一材料也可被称作第二材料。

在附图中，为了便于说明，可能已稍微夸大了各部件的厚度、尺寸和形状。具体来讲，附图中所示的球面或非球面的形状通过示例的方式示出。即，球面或非球面的形状不限于附图中示出的球面或非球面的形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。

还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、元件和/或部件，但不排除还存在一个或多个其它特征、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰列表中的全部特征，而不是仅仅修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可”表示“本申请的一个或多个实施方式”。另外，词语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。

如在本文中使用的，词语“大致”、“大约”以及类似的词语用作表近似的词语，而不用作表程度的词语，并且旨在说明本领域普通技术人员能够认识到的测量值或计算值中的固有偏差。

除非另外限定，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，术语(例如在常用词典中定义的术语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，而不应以理想化或过于形式化的意义进行解释，除非本文中明确如此限定。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。另外，除非明确限定或与上下文相矛盾，否则本申请所记载的方法中包含的具体步骤不必限于所记载的顺序，而可以任意顺序执行或并行地执行。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本申请。

为实现成像大小可控制的投影显示系统，本申请提供了一种无焦性投影装置，包括：光源，用于发射光；以及至少一个准直透镜，用于对光源发出的光进行准直并减小光斑尺寸。图1是根据本申请实施方式的投影装置的示意图。下面将参照图1对该实施方式的投影装置进行详细的描述。

如图1所示，投影装置可包括：用于发射光的光源L1。光源L1可以为LD光源(即，激光二极管光源)，其受激辐射出复合发光，具有效率高、体积小、寿命长的优点，作为一种选择光源L1还可以为LED光源(即，发光二极管光源)，其利用注入有源区的载流子自发辐射处复合发光，具有节能、环保、显色性与响应速度好等优点。在本申请的实施方式中，光源L1发出的光不限定光源波段(即光源的颜色)，其可以为单色波段光源(单色光)，也可以为多波段光源(复合光，如白光等)。

投影装置还可包括准直透镜组，用于对光源发出的光进行准直并减小光斑尺寸。准直透镜组包括至少一个准直透镜LE2。该准直透镜LE2设置在光源L1的出射光的光路上，用于对光进行准直以使光均匀准直出射。作为示例，该准直透镜LE2可为柱面透镜LE2，但是在未背离本发明教导的情况下还可以使用其他的透镜，只要能使得从光源L1发出的光进行准直以使光均匀准直出射即可。在一些情况下，还可以采用简单的单片准直透镜，如平凸、凹凸或双凸透镜。还可以通过多片不同透镜实现准直，此外，还可以采用双胶合准直透镜。通过对准直透镜LE2进行光学优化设计，使投影装置中的来自光源L1的光实现准直出射，以得到较小的光斑尺寸。

如图1所示的准直透镜LE2为柱面透镜，其具有第一面S1和第二面S2。该准直透镜LE2的曲率半径可标记为R。根据本申请的实施方式，投影装置的焦距f准直透镜LE2的曲率半径R之间的关系满足：f/R≥100，焦距f越长，准直透镜LE2的曲率半径R越小，准直度越好。另外，准直透镜LE2的第一面S1的曲率半径RS1可例如为1～3mm；准直透镜LE2的第二面S2的曲率半径RS2可例如为1～3mm。准直透镜LE2的厚度可例如为1～5mm；准直透镜LE2的口径可例如为1～5mm。

回到图1，为了实现更好的投影像质，还可以在投影装置中设置多个透镜LE1。多个透镜LE1也位于光源L1发出的光的光路中。具体地，在本实施方式中该多个透镜LE1为6个透镜LE1，其中准直透镜LE2设置在多个透镜LE1之间。在图中虽然示出了6个透镜为例，但是其它个数的透镜也是可以的。该多个透镜可以使准直效果更优；并且能够起到整形的作用，即使得经过该多个透镜出射的光束分布更均匀。在具有6个透镜的情况下，准直透镜LE2设置在透镜组的中央，即沿着光轴从光源L1起计算的第3透镜和第4透镜之间。然而本发明并不限于此，其它的设置情况也是允许的。例如准直透镜LE2设置在透镜组的沿着光轴从光源L1起计算的第1透镜和第2透镜之间、第2透镜和第3透镜之间、第4透镜和第5透镜之间或者第5透镜和第6透镜之间都是可以的。其它数目的透镜的情况，与此类似。

图1中示出了准直透镜LE2设置在多个透镜LE1之间的情形，但是在本申请的一个实施方式中，沿着光轴从光源L1发射的光看起，准直透镜LE2还可设置在多个透镜LE1之前，即设置在光源L1与多个透镜LE1之间。

为了实现更好的投影像质，还可以在投影装置中设置成像元件。如图1所示，投影装置还可包括用于生成投影图像成像元件IME。其用于生成待投影图像，从而从投影装置发射出的光入射到该成像元件IME后，携带成像元件IME上的投影信息，从而将携带投影信息的光成像在投影面IM上。该成像元件IME可以为TFT(Thin Film Transistor，薄膜晶体管)显示屏。可选择地，该成像元件可以为MEMS模块。采用MEMS模块作为成像元件的投影装置有体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短等优点，其可以将机械可动部、电子线路、传感器等集成到一片硅板上，所占空间少，受热膨胀等的影响小，本质上更加安全。与采用DMD作为成像元件的投影装置的面扫描成像方式不同，根据本申请的实施方式的投影装置2可以实现点扫描成像。当经过准直的光入射到作为成像元件IME的MEMS模块上时，通过MEMS模块的高速2维选择，能够实现点对点的扫描成像，使得系统具有分辨率高，成本低的优势。

根据本申请的实施方式，投影装置的性能参数中的光斑尺寸SPOT SIZE满足：SPOTSIZE≤1000μm；其中SPOT SIZE指的是投影装置投影至其后的光学元件时(如图2和图3中的匀光元件8时)的光斑直径大小。以及如图1所示的投影装置的性能参数中的准直度满足：准直度≤3mrd。具体地，准直透镜LE2的面S1的曲率半径RS1例如可为2.9mm；准直透镜LE2的面S2的曲率半径RS2例如可为2.5mm；准直透镜LE2的厚度例如可为2.5mm；准直透镜LE2的口径例如可为1.5mm；投影装置的焦距f例如可为400mm，f/RS1＝137.93，f/RS2＝160。

光源L1、准直透镜LE2组成的投影装置实现了无焦性(即，光线准直的)投影系统，可替代地，光源L1、准直透镜LE2与多个透镜LE1组成的投影装置实现了无焦性(即，光线准直的)投影系统，即，通过柱面镜来进行光学设计准直优化，保证光束准直出射，得到较小的光斑尺寸来实现无焦性。特别地，通过对光源的光学准直设计，保证了光束的高度空间相关性，光斑尺寸随着投影距离增加不会急剧变大，所以在不同的投影距离下可成像清晰，即投影系统景深极长，在不同投影距离下可保证成像清晰，满足人眼可视清晰度。

为了能够提升驾驶人员的使用体验，降低安全风险，本申请提供了一种实现成像大小可控制的投影显示系统。如图2所示，图2是根据本申请实施方式的投影显示系统的示意图。投影显示系统包括：投影装置2，投影装置2可例如包括：用于发射光的光源L1；至少一个准直透镜LE2，用于对光源发出的光进行准直并减小光斑尺寸。

上述的投影装置2可例如是参照图1的装置，因此对于其包括的各个部件均不再赘述。投影装置2发出携带显示信息的无焦性的光线。在一个实施方式中，投影装置2可实现点扫描成像，具体地，光源L1的发出的经过准直透镜LE2与多个透镜LE1后实现光斑尺寸减小及准直然后照射至成像元件IME表面。在本实施方式中，成像元件IME为MEMS模块，通过MEMS模块的高速2维的旋转，实现点对点的扫描成像。

如图2所示，本申请的投影显示系统还包括匀光元件8，其具有成像显示作用，可以改变光线的发散角，以提高图像的均匀性和亮度，用于对从投影装置2出射的准直均匀光线进行散射，具体地，匀光元件8为漫反射元件。作为一种选择，匀光元件8也可以为菲涅尔元件，其相当于透镜但成本比普通的透镜的成本低很多；作为另一种选择，匀光元件8也可以为衍射元器件，其具有能够在对光保持较高衍射效率的同时对光强分布进行精确控制的优点，但匀光元件8不限于此，能够用作屏幕以将投影装置2出射光线的投影显示出来的任意元件均可在本申请保护范围之内。

如图2所示，本申请的投影显示系统还包括反射镜组，用于偏折经过匀光元件8的散射后的光线的方向，以使得显示元件接收经由反射镜组偏折后的光线，并反射光线中的显示信息。作为一种选择，反射镜组包括小自由曲面镜4和大自由曲面镜5。本领域技术人员应该理解，自由曲面镜是通过非对称复杂光学设计表面加工的技术形成的面镜。此类加工对设备性能要求比较高，传统的球柱面研磨机器难以满足表面精度既高又要有镜面光滑效果便于直接抛光的加工要求。

如图所示，经过匀光元件8散射后的光入射到小自由曲面镜4后经过小自由曲面镜4反射后入射到大自由曲面镜5上。自由曲面镜4和自由曲面镜5具备特定的面型曲率及面型方程，可以控制投影显示系统成像画质、投影距离、成像尺寸。在图中虽然示出了两个自由曲面镜4和自由曲面镜5为例，但是其它个数的自由曲面镜也是可以的，能够实现光线偏折的任何数目的由曲面镜均可在本申请的保护范围之内。本申请不限于小自由曲面镜4和大自由曲面镜5，能够实现光线偏折的任何反射镜诸如平面反射镜、凹面镜、凸面镜均可在本申请的保护范围之内。

如图2所示，根据本申请的实施方式的投影显示系统还可和显示元件6一起协作完成投影显示系统的显示功能。例如显示元件6可用于接收经由反射镜组即本实施方式中的小自由曲面镜4和大自由曲面镜5的组合偏折后的光线，并反射光线中的显示信息。在本实施方式中，显示元件6为车辆的风挡。可替代的，显示元件6可以为飞机或船等的风挡。进一步可替代地，显示元件6可以为C-HUD中的组合件。

根据本申请的实施方式，投影显示系统还包括移动机构3，用于改变投影装置与匀光元件之间的相对位置，以改变成像在匀光元件上的光线的投影的大小，从而改变经显示元件反射到人眼后，人眼看到的成像画面的大小。作为一种选择，移动机构3可以为电动滑轨。投影装置2设置在移动机构3上，投影装置2与匀光元件8之间的相对位置的改变通过移动机构3移动投影装置2来实现。具体地，通过步进电机来控制移动机构3的前后移动，控制精度可以为0.1mm。

如图2所示，根据本申请的实施方式，投影显示系统可以为AR HUD。作为一种选择投影显示系统可以为C-HUD。投影显示系统还可以为W-HUD。

如图2所示，根据本申请的实施方式，投影装置2设置于移动机构3之上，通过移动机构3沿光轴方向前后移动，具体地通过步进电机控制移动机构3进行前后移动，控制精度为0.1mm，以实现由投影装置2出射的携带着显示信息的准直均匀光线照射在匀光元件8上的光线的投影大小的改变，匀光元件8的膜片可匀化发散不同大小的成像信息，经小自由曲面镜4和大自由曲面镜5反射后射向显示元件6，并经显示元件6反射后进入驾驶者的眼睛1，这样驾驶者便观察到成像于视线前方的成像画面7大小可控的虚像。

为了能够提升驾驶人员的使用体验，降低安全风险，本申请还提供了另一种实现成像大小可控制的投影显示系统。如图3所示，图3是根据本申请另一实施方式的投影显示系统的示意图。投影显示系统包括：投影装置2，投影装置2可例如包括：光源L1，用于发射光；至少一个准直透镜LE2，用于对光源发出的光进行准直并减小光斑尺寸。

上述投影装置2可例如是参照图1的装置，因此对于其包括的各个部件均不再赘述。投影装置2发出携带显示信息的无焦性的光线，在一个实施方式中，投影装置2可实现点扫描成像，具体地，光源L1的发出的经过准直透镜LE2与多个透镜LE1后实现光斑尺寸减小及准直然后照射至成像元件IME表面。在本实施方式中，成像元件IME为MEMS模块，通过MEMS模块的高速2维的旋转，实现点对点的扫描成像。

如图3所示，本申请的投影显示系统还包括匀光元件8，具有成像显示作用，可以改变光线的发散角，以提高图像的均匀性和亮度，用于对从投影装置2出射的准直均匀光线进行散射，具体地，匀光元件8为漫反射元件，作为一种选择，匀光元件8也可以为菲涅尔元件，其相当于透镜但成本比普通的透镜低很多；作为另一种选择，匀光元件8也可以为衍射元器件，其具有能够在对光保持较高衍射效率的同时对光强分布进行精确控制的优点，但匀光元件8不限于此，能够用作屏幕以将投影装置2出射光线的投影显示出来的任意元件均可在本申请保护范围之内。

如图3所示，本申请的投影显示系统还包括反射镜组，用于偏折经过匀光元件8的散射后的光线的方向，以使得显示元件6接收经由反射镜组偏折后的光线，并反射光线中的显示信息。作为一种选择，反射镜组包括小自由曲面镜4和大自由曲面镜5。本领域技术人员应该理解，自由曲面镜是通过非对称复杂光学设计表面加工的技术形成的面镜。此类加工对设备性能要求比较高，传统的球柱面研磨机器难以满足表面精度既高又要有镜面光滑效果便于直接抛光的加工要求。

如图所示，经过匀光元件8散射后的光入射到小自由曲面镜4后经过小自由曲面镜4反射后入射到大自由曲面镜5上。自由曲面镜4和自由曲面镜5具备特定的面型曲率及面型方程，可以控制投影显示系统成像画质、投影距离、成像尺寸。在图中虽然示出了两个自由曲面镜4和自由曲面镜5为例，但是其它个数的自由曲面镜也是可以的，能够实现光线偏折的任何数目的由曲面镜均可在本申请的保护范围之内。本申请不限于小自由曲面镜4和大自由曲面镜5，能够实现光线偏折的任何反射镜诸如平面反射镜、凹面镜、凸面镜均可在本申请的保护范围之内。

如图3所示，根据本申请的实施方式的投影显示系统还包括显示元件6一起协作完成投影显示系统的显示功能。例如显示元件6可用于接收经由反射镜组即本实施方式中的小自由曲面镜4和大自由曲面镜5的组合偏折后的光线，并反射光线中的显示信息。在本实施方式中，显示元件6为车辆的风挡。可替代的，显示元件6可以为飞机或船等的风挡。进一步可替代地，显示元件6可以为C-HUD中的组合件。

根据本申请的实施方式，投影显示系统还包括移动机构3，用于改变投影装置与匀光元件之间的相对位置，以改变成像在匀光元件上的光线的投影的大小，从而改变经显示元件反射到人眼后，人眼看到的成像画面的大小。作为一种选择，移动机构3可以为电动滑轨。投影显示系统的匀光元件8设置在移动机构3上，投影装置2与匀光元件8之间的相对位置的改变通过移动机构3移动匀光元件8来实现。具体地是通过步进电机来控制移动机构3的前后移动，控制精度为0.1mm。

如图3所示，根据本申请的实施方式，投影显示系统可以为AR HUD。作为一种选择，投影显示系统还可以为C-HUD或W-HUD。

如图3所示，根据本申请的实施方式，匀光元件8设置于移动机构3之上，由投影装置2出射的携带着显示信息的准直均匀光线照射在匀光元件8上，通过移动机构3沿光轴方向前后移动，具体地通过步进电机控制移动机构3进行前后移动，控制精度为0.1mm，以实现匀光元件8上成像的大小，使得匀光元件8的膜片可匀化发散不同大小的成像信息，经小自由曲面镜4和大自由曲面镜5反射后射向显示元件6，并经显示元件6反射后进入驾驶者的眼睛1，这样驾驶者便观察到成像于视线前方的成像画面7大小可控的虚像。

上文主要以车载投影显示系统为例阐述了根据本申请实施方式的可以实现成像大小控制的投影显示系统。然而，本领域技术人员可知，在不背离本申请所教导的技术构思的前提下，还可将上述方案应用于多种成像场景中。

根据本申请的另一方面，一种形成投影显示系统的方法可包括：

设置投影装置，用于发出携带显示信息的准直均匀光线；在准直均匀光线的光路上设置匀光元件，其位于投影装置后；在将准直均匀光线散射后的光路上设置反射镜组，用于偏折经过匀光元件散射后的光线的方向，以使得显示元件接收经由反射镜组偏折后的光线，并反射光线中的显示信息。该方法还包括：将投影装置或匀光元件设置在移动机构上，通过移动机构移动投影装置改变投影装置与匀光元件之间的相对位置，以改变成像在匀光元件上的光线的投影的大小，从而改变经显示元件反射到人眼后，人眼看到的成像画面的大小。

以上描述仅为本申请的实施方式以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的保护范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离技术构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (24)

1.一种投影显示系统，包括：

投影装置，用于发出携带显示信息的准直均匀光线；

匀光元件，位于所述投影装置后；以及

反射镜组，用于偏折经过所述匀光元件散射后的光线的方向，以使得显示元件接收经由所述反射镜组偏折后的光线，并反射所述光线中的显示信息，

其中，所述投影显示系统还包括移动机构，用于改变所述投影装置与所述匀光元件之间的相对位置，以改变成像在所述匀光元件上的光线的投影的大小，从而改变经所述显示元件反射到人眼后，人眼看到的成像画面的大小，

其中，所述投影装置为无焦性投影装置，并且包括光源、准直透镜组、多个透镜和成像元件，所述准直透镜组和所述多个透镜均位于所述光源的出光路径上，并均位于所述光源与所述成像元件之间；其中，所述准直透镜组包括至少一个柱面透镜，并位于所述光源与所述多个透镜之间，或者，位于所述多个透镜中的相邻透镜之间，

所述柱面透镜具有第一面和第二面，所述投影装置的焦距f与所述柱面透镜的第一面或第二面的曲率半径R之间的关系满足：f/R≥100，所述投影装置的光斑尺寸SPOT SIZE满足：SPOT SIZE≤1000μm以及所述投影装置的准直度满足：准直度≤3mrd。

2.根据权利要求1所述的投影显示系统，其特征在于，所述光源用于发射光，所述准直透镜组用于对所述光源发出的光进行准直并减小光斑尺寸。

3.根据权利要求1所述的投影显示系统，其特征在于，所述成像元件用于生成待投影信息。

4.根据权利要求1所述的投影显示系统，其特征在于，所述成像元件为MEMS模块。

5.根据权利要求1所述的投影显示系统，其特征在于，所述移动机构为电动滑轨。

6.根据权利要求1所述的投影显示系统，其特征在于，所述反射镜组为包括至少一个自由曲面镜的自由曲面镜组。

7.根据权利要求1所述的投影显示系统，其特征在于，所述反射镜组为包括两个自由曲面镜的自由曲面镜组。

8.根据权利要求1所述的投影显示系统，其特征在于，所述显示元件为车辆的风挡。

9.根据权利要求1所述的投影显示系统，其特征在于，所述光源为LD光源。

10.根据权利要求1所述的投影显示系统，其特征在于，所述光源为LED光源。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的投影显示系统，其特征在于，所述投影装置设置在所述移动机构上，所述投影装置与所述匀光元件之间的相对位置的改变通过所述移动机构移动所述投影装置来实现。

12.根据权利要求1-10中任一项所述的投影显示系统，其特征在于，所述匀光元件设置在所述移动机构上，所述投影装置与所述匀光元件之间的相对位置的改变通过所述移动机构移动所述匀光元件来实现。

13.一种形成投影显示系统的方法，包括：

设置投影装置，用于发出携带显示信息的准直均匀光线；

在所述准直均匀光线的光路上设置匀光元件，其位于所述投影装置后；

在将所述准直均匀光线散射后的光路上设置反射镜组，用于偏折经过所述匀光元件散射后的光线的方向，以使得显示元件接收经由所述反射镜组偏折后的光线，并反射所述光线中的显示信息，

其中，所述方法还包括：将所述投影装置或所述匀光元件设置在移动机构上，通过所述移动机构移动所述投影装置改变所述投影装置与所述匀光元件之间的相对位置，以改变成像在所述匀光元件上的光线的投影的大小，从而改变经所述显示元件反射到人眼后，人眼看到的成像画面的大小，

其中，所述投影装置为无焦性投影装置，并且包括光源、准直透镜组、多个透镜和成像元件，所述准直透镜组和所述多个透镜均位于所述光源的出光路径上，并均位于所述光源与所述成像元件之间；其中，所述准直透镜组包括至少一个柱面透镜，并位于所述光源与所述多个透镜之间，或者，位于所述多个透镜中的相邻透镜之间，

所述柱面透镜具有第一面和第二面，所述投影装置的焦距f与所述柱面透镜的第一面或第二面的曲率半径R之间的关系满足：f/R≥100，所述投影装置的光斑尺寸SPOT SIZE满足：SPOT SIZE≤1000μm以及所述投影装置的准直度满足：准直度≤3mrd。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述光源用于发射光，所述准直透镜组用于对所述光源发出的光进行准直并减小光斑尺寸。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述成像元件用于生成待投影信息。

16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述成像元件为MEMS模块。

17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述移动机构为电动滑轨。

18.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述反射镜组为包括至少一个自由曲面镜的自由曲面镜组。

19.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述反射镜组为包括两个自由曲面镜的自由曲面镜组。

20.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述显示元件为车辆的风挡。

21.根据权利要求13所述的投影显示系统，其特征在于，所述光源为LD光源。

22.根据权利要求13所述的投影显示系统，其特征在于，所述光源为LED光源。

23.根据权利要求13-22中任一项所述的方法，其特征在于，所述投影装置设置在所述移动机构上，所述投影装置与所述匀光元件之间的相对位置的改变通过所述移动机构移动所述投影装置来实现。

24.根据权利要求13-22中任一项所述的方法，其特征在于，所述匀光元件设置在所述移动机构上，所述投影装置与所述匀光元件之间的相对位置的改变通过所述移动机构移动所述匀光元件来实现。