CN115097635A - 一种抬头显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及显示技术领域，公开了一种抬头显示装置，包括投影光机、显示屏幕和扩散光学元件，投影光机用于向显示屏幕和扩散光学元件的至少一者发出光线，扩散光学元件设置于投影光机和显示屏幕之间，使得来自投影光机的光线通过扩散光学元件后光能量均匀，并且通过后的光线入射至显示屏幕，显示屏幕用于使得来自投影光机的光线或者来自扩散光学元件的光线入射至显示屏幕时，光线在显示屏幕发生衍射，发射出携带图像信息的光线。本发明中显示屏幕使入射至显示屏幕的光线发生衍射而发射出携带图像信息的光线，投影光机、显示屏幕和观察位置三者所形成光路不是必须遵循反射定律，因此可以降低对投影光机布置位置的限制，使得投影光机的布置更自由。

Description

一种抬头显示装置
技术领域
本发明涉及显示技术领域，特别是涉及一种抬头显示装置。
背景技术
随着社会的急速发展，汽车普及化程度越来越高，由此带来的行车安全问题也越来越多。当驾驶员驾驶汽车在道路上行驶，车辆处于高速运行时，驾驶员获得的视觉信息在行车中所获取信息中的占比相当大，因此，在行车中视觉信息的获取是汽车安全技术中的重中之重。
近几年，车载抬头显示装置（Head Up Display，HUD）得到了人们的广泛关注。HUD技术可以说是投影技术中的一个重要应用，它能够将行车的车速、水温、油量、电压等各类影响驾驶安全的信息实时地投射到汽车挡风玻璃的前方，如此一来，可以减少驾驶员在驾驶车辆时低头的次数，极大地提高了行车安全性，因而HUD技术在汽车驾驶领域具有重要研究价值。
现有的抬头显示装置是将光线投射至汽车的挡风玻璃，光线经挡风玻璃反射而进入驾驶员眼睛，因此，投影光机、挡风玻璃以及观察位置三者所形成的光路需要遵循反射定律，使得对投影光机的布置位置限制性强。
发明内容
本发明的目的是提供一种抬头显示装置，可以降低对投影光机布置位置的限制，使得投影光机的布置更自由。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种抬头显示装置，包括投影光机、显示屏幕和扩散光学元件，所述投影光机用于向所述显示屏幕和所述扩散光学元件的至少一者发出光线；
所述扩散光学元件设置于所述投影光机和所述显示屏幕之间，用于使得来自所述投影光机的光线通过所述扩散光学元件后光能量均匀，并且通过所述扩散光学元件后的光线入射至所述显示屏幕；
所述显示屏幕用于使得来自所述投影光机的光线或者来自所述扩散光学元件的光线入射至所述显示屏幕时，所述光线在所述显示屏幕发生衍射，发射出携带图像信息的光线。
优选地，所述显示屏幕包括体全息光栅，所述显示屏幕使得来自所述投影光机的光线或者来自所述扩散光学元件的光线入射至所述光栅而发生衍射。
优选地，所述投影光机发出光线的一部分入射至所述扩散光学元件，所述投影光机发出光线的另一部分入射至所述显示屏幕。
优选地，所述扩散光学元件采用聚合物分散液晶，所述扩散光学元件可切换为第一状态和第二状态，所述扩散光学元件为第一状态时光线通过所述扩散光学元件后光能量分布不改变，所述扩散光学元件为第二状态时光线通过所述扩散光学元件后光能量均匀，其中，所述扩散光学元件为第二状态时基于聚合物分散液晶对通过光线散射，使得光线通过所述扩散光学元件后光能量均匀。
优选地，所述扩散光学元件采用聚合物分散液晶，所述扩散光学元件被划分成多个区域，所述扩散光学元件的各个区域相对独立，对于所述扩散光学元件的任一区域，可切换为第一状态和第二状态，本区域为第一状态时光线通过本区域后光能量分布不改变，本区域为第二状态时光线通过本区域后光能量均匀，其中，本区域为第二状态时基于聚合物分散液晶对通过光线散射，使得光线通过本区域后光能量均匀。
优选地，所述扩散光学元件采用扩散片，所述扩散片包括基材以及分布于所述基材中的颗粒，所述颗粒对通过光线有散射作用，使得光线通过所述扩散光学元件后光能量均匀。
优选地，所述显示屏幕采用全息光学元件。
优选地，所述显示屏幕还用于允许外界环境的光线透过，使得所述显示屏幕发射出的携带图像信息的光线与外界环境的光线叠加。
优选地，所述投影光机包括基于微机电系统的扫描投影光机。
由上述技术方案可知，本发明所提供的一种抬头显示装置包括投影光机、显示屏幕和扩散光学元件，投影光机用于向显示屏幕和扩散光学元件的至少一者发出光线，扩散光学元件设置于投影光机和显示屏幕之间，用于使得来自投影光机的光线通过扩散光学元件后光能量均匀，并且通过扩散光学元件后的光线入射至显示屏幕，显示屏幕用于使得来自投影光机的光线或者来自扩散光学元件的光线入射至显示屏幕时，光线在显示屏幕发生衍射，发射出携带图像信息的光线。
本发明的抬头显示装置中，显示屏幕使入射至显示屏幕的光线发生衍射而发射出携带图像信息的光线，投影光机、显示屏幕和观察位置三者所形成光路不是必须遵循反射定律，因此可以降低对投影光机布置位置的限制，使得投影光机的布置更自由。
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为本发明实施例提供的一种抬头显示装置的示意图；
图2为本发明又一实施例提供的一种抬头显示装置的示意图；
图3为本发明又一实施例提供的一种抬头显示装置的示意图。
说明书附图中的附图标记包括：
投影光机-1，显示屏幕-2，用户眼睛-3，扩散光学元件-4，虚像-5，衍射光线-6。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种抬头显示装置，包括投影光机、显示屏幕和扩散光学元件，所述投影光机用于向所述显示屏幕和所述扩散光学元件的至少一者发出光线；
所述扩散光学元件设置于所述投影光机和所述显示屏幕之间，用于使得来自所述投影光机的光线通过所述扩散光学元件后光能量均匀，并且通过所述扩散光学元件后的光线入射至所述显示屏幕；
所述显示屏幕用于使得来自所述投影光机的光线或者来自所述扩散光学元件的光线入射至所述显示屏幕时，所述光线在所述显示屏幕发生衍射，发射出携带图像信息的光线。
当投影光机向显示屏幕发出光线时，来自投影光机的光线入射至显示屏幕，在显示屏幕发生衍射而发射出携带图像信息的光线。携带图像信息的光线进入处于观察位置的用户眼睛，用户能够观察到图像。
当投影光机向扩散光学元件发出光线时，来自投影光机的光线通过扩散光学元件后光能量均匀，而后入射至显示屏幕；光线在显示屏幕发生衍射而发射出携带图像信息的光线。携带图像信息的光线进入处于观察位置的用户眼睛内，用户能够观看到图像。
本实施例的抬头显示装置中，显示屏幕使入射至显示屏幕的光线发生衍射而发射出携带图像信息的光线，投影光机、显示屏幕和观察位置三者所形成光路不必遵循反射定律，因此可以降低对投影光机布置位置的限制，使得投影光机的布置更自由。
并且，与现有的通过挡风玻璃反射相比，本抬头显示装置通过显示屏幕使入射至显示屏幕的光线发生衍射而发射出携带图像信息的光线，具有更高的衍射效率，可以提高图像亮度，提高图像质量。
显示屏幕基于全息光学原理，实现发射出携带图像信息的光线，显示屏幕可采用全息光学元件（Holographic Optical Elements；HOE）。显示屏幕设置有使得光线入射至显示屏幕时光线发生衍射的结构。具体的，显示屏幕可包括体全息光栅，所述显示屏幕使得来自所述投影光机的光线或者来自所述扩散光学元件的光线入射至所述光栅而发生衍射。本实施例中，对显示屏幕设置的光栅的结构、形成方式不做限定。优选的，可通过以下方法在显示屏幕上制作形成光栅，包括：使用两束相干光照射感光材料，两束相干光发生干涉并在感光材料记录下干涉条纹，从而得到光栅。本实施例采用全息干涉的方法制作形成光栅。可选的，显示屏幕设置的光栅可以是体光栅即布拉格光栅。
相应优选的，来自所述投影光机的光线或者来自扩散光学元件的光线入射至所述显示屏幕的入射角度，与在所述显示屏幕上形成所述光栅时入射的相干光的入射角度对应，这样保证光线入射至显示屏幕时能够发生衍射，并基于发生衍射而发射出包含相应图像信息的光线。
示例性的可参考图1，图1为一实施例提供的一种抬头显示装置的示意图，如图所示，投影光机1向显示屏幕2发出光线，光线在显示屏幕2发生衍射，发射出携带图像信息的光线，光线进入用户眼睛3。本实施方式下所呈现的图像即用户观看到的图像距离较近。当投影光机1发出的光线直接投影到显示屏幕2上时，受全息光学元件自身特性的影响，在全息光学元件的某一点处，只有一个角度（或者很小的角度范围内）的光线入射，此时全息光学元件等同于一个发散角角度控制的元件，投影光机1投射出的画面在全息光学元件表面形成实像，从而形成实像投屏。此时显示屏幕2即全息光学元件可以看成是一个角度可控的偏转器。在图1中未示出扩散光学元件。另外在图1至图3中带箭头的线表示光线的传播方向。
示例性的可参考图2，图2为又一实施例提供的一种抬头显示装置的示意图，如图所示，扩散光学元件4设置于投影光机1和显示屏幕2之间，投影光机1向扩散光学元件2发出光线，光线通过扩散光学元件4后入射至显示屏幕2。光线在显示屏幕2发生衍射而发射出携带图像信息的光线，显示屏幕2出射的光线进入用户眼睛3。本实施方式下，所成的图像5即用户观看到的图像距离较远，投影光机1发出的光线以特定的入射角入射至扩散光学元件4的表面，此时投影光机1发出的光线在扩散光学元件4的表面成清晰的实像，扩散光学元件4对经过它的投影光线具有强的均匀扩散作用，此时在平视观察可以目视到成像在人眼视野前方的虚拟图像，从而形成虚像投屏。
可选地在又一种实施方式中，可以是投影光机1发出光线的一部分入射至扩散光学元件4，投影光机1发出光线的另一部分入射至显示屏幕2，相应地，两部分光线分别入射至显示屏幕2后能够分别衍射出图像。示例性的可参考图3，图3为又一实施例提供的一种抬头显示装置的示意图，如图所示，扩散光学元件4设置于投影光机1和显示屏幕2之间，投影光机1向显示屏幕2发出光线，这部分光线在显示屏幕2发生衍射后发射出，从显示屏幕2发射出的衍射光线6进入用户眼睛3。这部分光线对应所成的图像距离较近。同时，投影光机1向扩散光学元件2发出光线，光线通过扩散光学元件4后入射至显示屏幕2。光线在显示屏幕2发生衍射而发射出携带图像信息的光线，光线进入用户眼睛3。这部分光线对应所成的图像距离较远。
本实施方式中，抬头显示装置可以投射出具有远近不同的成像距离的图像，丰富了抬头显示装置投射出图像的显示效果。比如，未经过扩散光学元件4的投像可用于显示仪表盘等不需要成像距离很远的信息，比如基本信息，如时间等，也便于用户清晰地观看到信息；经过扩散光学元件4的投像可用于显示仪表盘上需要远距离成像的信息，比如导航信息。因此，本抬头显示装置可以投射出具有远近不同的成像距离的图像，扩大显示信息的范围，有助于驾驶员更充分地获取到各种行车信息，可以有效改善人眼从远处到近处的来回调焦，减小甚至消除人眼的疲劳感，增加行车安全性。
本实施例中，对扩散光学元件4的结构不做限定，只要能够实现光线通过扩散光学元件4后光能量均匀即可。可选的，扩散光学元件4可采用扩散片，所述扩散片包括基材以及分布于所述基材中的颗粒，所述颗粒对通过光线有散射作用，从而使得光线通过所述扩散光学元件4后光能量均匀。可选地，扩散光学元件4还可采用聚合物分散液晶，基于聚合物分散液晶对通过光线散射，使得光线通过扩散光学元件4后光能量均匀。
优选地在又一种实施方式中，扩散光学元件4采用聚合物分散液晶，扩散光学元件4可切换为第一状态和第二状态，所述扩散光学元件4为第一状态时光线通过所述扩散光学元件4后光能量分布不改变，所述扩散光学元件4为第二状态时光线通过所述扩散光学元件4后光能量均匀。当扩散光学元件4为第一状态时，聚合物分散液晶呈现出透射状态，光线通过扩散光学元件4后光能量分布不改变，那么，光线通过扩散光学元件4后入射至显示屏幕2，可投射出成像距离较近的图像。当扩散光学元件4为第二状态时聚合物分散液晶呈现出散射状态，基于聚合物分散液晶对通过光线散射，使得光线通过扩散光学元件4后光能量均匀，那么，光线通过扩散光学元件4后入射至显示屏幕2，可投射出成像距离较远的图像。在实际应用中，可以根据对投射出图像的成像距离要求，控制扩散光学元件4为第一状态或者第二状态。因此，本实施方式下丰富了抬头显示装置投射出图像的显示效果，增加了抬头显示装置投射出图像的显示效果的灵活性，提升了用户体验。
优选地在又一种实施方式中，扩散光学元件4采用聚合物分散液晶，扩散光学元件4可被划分成多个区域，所述扩散光学元件4的各个区域相对独立，对于所述扩散光学元件4的任一区域，可切换为第一状态和第二状态，本区域为第一状态时光线通过本区域后光能量分布不改变，本区域为第二状态时光线通过本区域后光能量均匀。其中，扩散光学元件4的任一区域为第一状态时，聚合物分散液晶呈现出透射状态，扩散光学元件4的任一区域为第二状态时聚合物分散液晶呈现出散射状态，基于聚合物分散液晶对通过光线散射，使得光线通过本区域后光能量均匀。投影光机1向扩散光学元件4发出光线，可根据对图像的各部分内容的显示需求，控制扩散光学元件4各个区域的状态。比如，所投图像的A部分需要在近处成像，则可以控制A部分对应的光线入射到扩散光学元件4的区域为第一状态，那么A部分对应的光线通过后光能量分布不改变，经过显示屏幕2后成像在近处。又比如，所投图像的B部分需要在远处成像，则可以控制B部分对应的光线入射至扩散光学元件4的区域为第二状态，那么B部分对应的光线通过后光能量分布均匀，经显示屏幕2衍射后成像在远处。
优选的，显示屏幕2还用于允许外界环境的光线透过，使得所述显示屏幕2发射出的携带图像信息的光线与外界环境的光线叠加，外界环境的光线可以透过显示屏幕2，可以进入用户眼睛3，这样本实施例的抬头显示装置可以实现将抬头显示装置投射出的图像与外界环境融合，可以使抬头显示装置投射出的图像叠加到外界环境上，达到增强现实的显示效果。因此，本实施例的抬头显示装置结合了增强现实技术，可以将导航、道路、ADAS信息更加直观、安全地通过显示屏幕2投射呈现给驾驶员，将使得车载抬头显示系统更加完善。
本实施例中，对投影光机1的类型、结构不做限定。优选的，投影光机1可包括基于微机电系统的扫描投影光机。基于微机电系统（MEMS）的扫描投影光机，可以结合RGB激光束的光强调制来成像，具有如下优点：第一，采用激光光源，色彩更丰富（色域更大）；第二，利用激光束扫描成像，无需聚焦便可以投影到任何表面且可以近距离形成清晰像；第三，由于是通过对光束的反射扫描成像，所用光学系统简单，体积小，光机效率高。
以上对本发明所提供的一种抬头显示装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种抬头显示装置，其特征在于，包括投影光机、显示屏幕和扩散光学元件，所述投影光机用于向所述显示屏幕和所述扩散光学元件的至少一者发出光线；
所述扩散光学元件设置于所述投影光机和所述显示屏幕之间，用于使得来自所述投影光机的光线通过所述扩散光学元件后光能量均匀，并且通过所述扩散光学元件后的光线入射至所述显示屏幕；
所述显示屏幕用于使得来自所述投影光机的光线或者来自所述扩散光学元件的光线入射至所述显示屏幕时，所述光线在所述显示屏幕发生衍射，发射出携带图像信息的光线。
2.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述显示屏幕包括体全息光栅，所述显示屏幕使得来自所述投影光机的光线或者来自所述扩散光学元件的光线入射至所述光栅而发生衍射。
3.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述投影光机发出光线的一部分入射至所述扩散光学元件，所述投影光机发出光线的另一部分入射至所述显示屏幕。
4.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述扩散光学元件采用聚合物分散液晶，所述扩散光学元件可切换为第一状态和第二状态，所述扩散光学元件为第一状态时光线通过所述扩散光学元件后光能量分布不改变，所述扩散光学元件为第二状态时光线通过所述扩散光学元件后光能量均匀，其中，所述扩散光学元件为第二状态时基于聚合物分散液晶对通过光线散射，使得光线通过所述扩散光学元件后光能量均匀。
5.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述扩散光学元件采用聚合物分散液晶，所述扩散光学元件被划分成多个区域，所述扩散光学元件的各个区域相对独立，对于所述扩散光学元件的任一区域，可切换为第一状态和第二状态，本区域为第一状态时光线通过本区域后光能量分布不改变，本区域为第二状态时光线通过本区域后光能量均匀，其中，本区域为第二状态时基于聚合物分散液晶对通过光线散射，使得光线通过本区域后光能量均匀。
6.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述扩散光学元件采用扩散片，所述扩散片包括基材以及分布于所述基材中的颗粒，所述颗粒对通过光线有散射作用，使得光线通过所述扩散光学元件后光能量均匀。
7.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述显示屏幕采用全息光学元件。
8.根据权利要求1-7任一项所述的抬头显示装置，其特征在于，所述显示屏幕还用于允许外界环境的光线透过，使得所述显示屏幕发射出的携带图像信息的光线与外界环境的光线叠加。
9.根据权利要求1-7任一项所述的抬头显示装置，其特征在于，所述投影光机包括基于微机电系统的扫描投影光机。
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