CN115113402B - 一种大视场汽车抬头显示装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大视场汽车抬头显示装置及其实现方法，装置包括光学投影系统以及由M×N个子图像源单元组合而成的图像源，每个子图像源单元发射的光线经过光学投影系统投射到汽车挡风玻璃，经汽车挡风玻璃反射，进入眼盒区域，并在汽车挡风玻璃的前方形成一个目标虚像子像面，M×N个子图像源单元将产生M×N个目标虚像子像面,M×N个目标虚像子像面组合构成目标虚像。本发明采用阵列组合的方式，大的目标虚像视场由多个子投影单元分别进行投影、组合拼接，可以获得极大的目标视场，从而实现增强现实型抬头显示所必需的大视场虚像显示。每一个子像面对应的子视场变小，视场越小，投影系统设计难度越小。

Description

一种大视场汽车抬头显示装置及其实现方法

技术领域

本发明属于投影光学技术领域，具体涉及一种大视场汽车抬头显示装置及其实现方法。

背景技术

随着无人驾驶、智能辅助驾驶、人工智能技术、5G通信技术的发展，未来汽车将成为一个信息集成平台，信息的显示将是这个集成平台最重要的组成部分之一。HUD显示技术是车载显示技术中最有吸引力的技术方案。HUD是指车载计算机系统将要显示的信息显示在图像源设备上，图像源设备发射的光线通过由反射、折射光学元件构成的光学投影系统，投射到汽车挡风玻璃上，光线由挡风玻璃反射进入到驾驶员眼中，反射光线的反向延长线，在车辆挡风玻璃前方呈虚像，与前方的实物融为一体，实现增强现实(AR)的信息显示技术。汽车驾驶员可以通过挡风玻璃得到投影系统在汽车前方显示的各种信息，包括汽车仪表信息，道路信息，车联网信息，场景识别与交互，等等，增强现实型抬头显示(AR HUD)将是未来发展的趋势与重点。

要实现有效的交互式AR HUD，要求投影系统在车辆前方所成的虚像具有大的视场才能获得好的显示效果，例如全视场超过60°，然而目前常见的HUD视场一般只有5°-15°。远远达不到实现AR HUD技术的要求。

目前常见的HUD采用单一图像源，曲面反射式设计。由于驾驶员眼睛到汽车挡风玻璃，挡风玻璃到投影镜头都有一定距离，从眼睛到投影镜头总的距离一般不小于700毫米。而要实现较大的视场，例如30°，就会导致反射面口径达到808毫米，同时多片离轴反射面的存在，将导致系统难以安装。另一方面，人在车辆驾驶实际过程中，是可移动状态，因此，一般采用一定尺寸的眼盒表示驾驶员眼睛，典型的眼盒尺寸150×60毫米。眼盒尺寸决定了这个投影系统的光阑。大光阑与大视场，必然导致系统难以获得好的成像质量，另一方面，也限制了投影镜头的小型化。因此，在目前这种汽车抬头显示设计思路下，技术上是难以实现大视场的。这也导致了目前的HUD技术的视场往往较小，一般在15度以下。

综上，AR HUD能够成为一种现实的智能辅助驾驶方案，将很大程度取决于大视场HUD投影技术的成功开发，结合相关联领域的技术进步，探索新的技术方案，实现大视场HUD显而易见是极其重要的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种大视场汽车抬头显示装置及其实现方法，本发明可以获得极大的目标视场，从而实现增实型抬头显示(AR HUD)所必需的大视场虚像显示，且同等成像质量要求下，实现技术难度降低。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明公开了一种大视场汽车抬头显示装置，包括光学投影系统以及由M×N个子图像源单元组合而成的图像源，每个子图像源单元发射的光线经过光学投影系统投射到挡风玻璃，经过挡风玻璃的反射，进入眼盒区域，并在挡风玻璃的前方形成一个目标虚像子像面，M×N个子图像源单元将产生M×N个目标虚像子像面,M×N个目标虚像子像面组合构成目标虚像，目标虚像的M×N个子像面互相不重叠，每个子图像源单元提供的图像信息与目标虚像的每个子像面显示的信息一一对应，每个子图像源单元表面中心点处的法线经过光学投影系统的折射，再经过挡风玻璃的反射后，其反射线与眼盒面相交，交点为眼盒区域的中心点，其反射线的反向延长线与对应的目标虚像子像面相交，且与该交点处目标虚像子像面的法线重合，目标虚像的各个子像面是平面，每个子像面的中心点位于一个以眼盒区域中心点为球心的球面上，每个子像面的法线方向与所述球面在该子像面中心点处的法线方向相同，所述目标虚像的水平视场按水平经度方向平均角度分割成M份，所述目标虚像的垂直视场按垂直纬度方向平均角度分割成N份，目标虚像的M×N个子像面各自的视场互相不重叠地占据目标虚像面分割后的M×N个子视场。

进一步地，所述光学投影系统包括用于矫正光线像差的第一阵列透镜和用于进行虚像投影的第二阵列透镜，所述第一阵列透镜由M×N个相同的第一子透镜单元组成，所述第二阵列透镜由M×N个相同的第二子透镜单元组成，图像源的M×N个子图像源单元与第一阵列透镜的M×N个第一子透镜单元一一对应，第一阵列透镜的M×N个第一子透镜单元与第二阵列透镜的M×N个第二子透镜单元一一对应；所述子图像源单元出射的光线入射到与之相对应的第一子透镜单元，所述第一子透镜单元出射的光线入射到与之相对应的第二子透镜单元，所述第二子透镜单元出射的光线经过挡风玻璃反射后，射向眼盒区域；

子图像源单元表面的法线方向与相应的第一子透镜单元的孔径平面的法线方向相同。

进一步地，所述第一阵列透镜靠近图像源，具有负的光焦度；所述第二阵列透镜靠近挡风玻璃，具有正的光焦度。

进一步地，所述子图像源单元表面的法线方向与相应的第一子透镜单元的孔径平面的法线方向相同；所述第一子透镜单元的孔径大于24毫米，并且小于48毫米。

进一步地，所述子图像源尺寸小于第一子透镜单元尺寸。

进一步地，M≥5，N≥3。

进一步地，每个子图像源单元沿着其表面的法线方向出射光线，该光线的发散角为3°-10°。

进一步地，每一个子图像源单元包括一个显示图像模块和一个背光源，子图像源单元的背光源出光面的法线方向与对应的显示图像模块的法线方向相同；所述显示图像模块为液晶显示图像模块。

进一步地，本发明的大视场汽车抬头显示装置还包括人眼位移传感器、位移控制器，图像源、光学投影系统分别与驱动装置固定连接，所述人眼位移传感器用于实时监测驾驶员人眼的位移信息，并将位移信息传递给位移控制器，所述位移控制器用于根据接收到的驾驶员人眼的位移信息，输出控制信号给驱动装置，控制驱动装置相应地调节图像源与光学投影系统的位置，使光学投影系统投射到挡风玻璃的光线，经挡风玻璃反射，进入人眼位移传感器实时监测到的人眼位置。

本发明还公开了一种大视场汽车抬头显示装置的实现方法，包括如下步骤：

设置驾驶员人眼眼盒、光学投影系统以及由M×N个子图像源单元组合而成的图像源；

每个子图像源单元发射所需显示图像信息的光线，每个子图像源单元发射的光线经过光学投影系统的折射，然后经过挡风玻璃的反射，进入驾驶员人眼眼盒，进入驾驶员人眼眼盒的光线的反向延长线在挡风玻璃的前方形成一个目标虚像子像面，M×N个目标虚像子像面组合构成目标虚像；

调节图像源、光学投影系统的第一阵列透镜、第二阵列透镜、挡风玻璃之间的相对位置以及调节光学投影系统的第一阵列透镜的透镜参数配置，直至驾驶员人眼眼盒可观看到满足要求的目标虚像面。

本发明至少具有如下有益效果：

(1)本发明采用阵列组合的方式，大的目标虚像视场由多个子图像源单元分别进行投影、组合拼接，可以获得极大的目标视场，从而实现增强现实型抬头显示(AR HUD)所必需的大视场虚像显示。

(2)虽然目标虚像视场很大，但经过按水平经度方向，垂直纬度方向分割成M×N份后，每一个子像面对应的子视场变小，视场越小，投影系统设计难度越小，同等成像质量要求下，每一个子系统的实现技术难度降低。

(3)由于每个子图像源单元表面中心点处的法线经过光学投影系统的折射，再经过挡风玻璃的反射后，其反射线与眼盒面相交，交点为眼盒区域的中心点，其反射线的反向延长线与对应的目标虚像子像面相交，且与该交点处目标虚像子像面的法线重合，即每一个图像子单元、目标虚像子像面都是垂直于其所在子系统的主光轴。再次，人眼眼盒的尺寸远远小于眼盒到光学投影系统的距离。这样一来，就允许每一个图像子单元发射到光学投影系统中的光线都集中在沿其法线方向附近，这就使得子图像源单元采用发散角较小的背光源成为可能，从而避免一般余弦发射体背光源绝大部分光线都得不到利用的问题。采用小发散角背光源可以极大地提高进入投影系统中光线的比例，一方面极大地提高光源的利用率，另一方面，在给定背光功率的条件下，也可以获得更高的像面亮度。

(4)采用阵列组合设计，图像源的出光面总面积增大，系统的目标光通量要求一定的情况下，系统对图像源的表面亮度要求就会降低，同时背光源发射小发散角的光，同等光输出功率条件下，图像源法线方向的亮度会极大，这样就可以采用廉价的液晶显示为图像源，避免昂贵的数字微镜元件(DMD)的使用，从而实现低成本、高亮度的显示效果。

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它的附图。

图1为本发明实施例提供的大视场汽车抬头显示装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的光学投影系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的目标虚像面的示意图；

图4为本发明实施例提供的目标虚像面的分布位置示意图；

图5为本发明实施例提供的子图像源单元表面中心点法线光线路径示意图；

图6为本发明实施例提供的子图像源单元与相应的第一阵列透镜的第一子透镜单元的法线方向相同示意图；

图7为本发明实施例提供的图像源的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的子图像源单元的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的子图像源单元的9个视场发射光线都沿法线方向示意图；

图10为本发明实施例提供的光学投影系统与图像源的位置调节示意图。

附图中，1为图像源，11为子图像源单元，111为显示图像模块，112为背光源，2为光学投影系统，21为第一阵列透镜，211为第一子透镜单元，22为第二阵列透镜，221为第二子透镜单元，3为人眼位移传感器，4为位移控制器，5为眼盒，6为挡风玻璃，7为目标虚像面，71为子像面。

具体实施方式

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它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。

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，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。

参见图1至图9，本发明实施例提供一种大视场汽车抬头显示装置，包括图像源1和光学投影系统2。图像源1发射所需显示图像信息的光线，光线经过光学投影系统2的折射，然后经过汽车挡风玻璃6的反射，进入眼盒区域，进入眼盒区域的光线的反向延长线在汽车挡风玻璃6的前方形成目标虚像。

位于眼盒区域的人眼或模拟人眼的眼盒可观看到位于汽车挡风玻璃6前方的目标虚像。

如图3所示，目标虚像面7由M×N个子像面71组合而成，所述子像面71是平面，每个子像面71的中心点位于一个以眼盒区域中心点为球心的球面上，每个子像面71的法线方向与所述球面在该子像面71中心点处的法线方向相同。

如图4所示，目标虚像的水平视场按水平经度方向平均角度分割成M份，所述目标虚像面7的垂直视场按垂直纬度方向平均角度分割成N份；M×N个子像面71各自的视场互相不重叠地占据目标虚像面7分割后的M×N个子视场。

进一步地，M、N均为正整数。本实施例的M≥5，N≥3。

图像源1也相应地由M×N个子图像源单元11组成，每个子图像源单元11提供的图像信息与每个目标虚像子像面71显示的信息一一对应。每一个子图像源单元11表面中心点的法线经过光学投影系统2的折射，汽车挡风玻璃6的反射后，它的反向延长线与所述目标虚像子像面71相交，且为该交点的法线，如图5所示。

子像面71中心点、子图像源单元11表面中心点均为表面几何中心点。

所述光学投影系统2由第一阵列透镜21与第二阵列透镜22构成，所述第二阵列透镜22靠近汽车挡风玻璃6，具有正的光焦度，主要用来将图像源1投影；所述第一阵列透镜21靠近图像源1，具有负的光焦度，用来矫正光线像差，一方面提高成像质量，另一方面，使得每个视场的光都是沿着法线方向附近，参见图9所示。

进一步地，所述第一阵列透镜21由M×N个相同的第一子透镜单元211组成；所述第二阵列透镜22由M×N个相同的第二子透镜单元221组成；每一个子图像源单元11对应第一阵列透镜21的一个第一子透镜单元211，且子图像源单元11表面的法线方向与相应的第一阵列透镜21的第一子透镜单元211孔径平面的法线方向相同。第一阵列透镜21的M×N个第一子透镜单元211与第二阵列透镜22的M×N个第二子透镜单元221一一对应。所述子图像源单元11出射的光线入射到与之相对应的第一阵列透镜21的第一子透镜单元211，所述第一阵列透镜21的第一子透镜单元211出射的光线入射到与之相对应的第二阵列透镜22的第二子透镜单元221，所述第二阵列透镜22的第二子透镜单元221出射的光线经过汽车挡风玻璃6反射后，射向驾驶员人眼眼盒方向；进入驾驶员人眼的光线的反向延长线在目标虚像面7成虚像。所述子图像源单元11表面的法线方向与相应的第一子透镜单元211的孔径平面的法线方向相同，如图6所示。

进一步地，所述第一子透镜单元211的一个或者两个面为球面或者自由曲面；所述第二子透镜单元221的一个或者两个面为球面或者自由曲面。

进一步地，所述第一阵列透镜21安装在靠近图像源1的上面，所述第二阵列透镜22安装在靠近挡风玻璃6的下面。作为一种优选实施例，第一子透镜单元211与子图像源单元11固定连接在一起。

每个第一子透镜单元211与对应的第二子透镜单元221组成一个子投影单元，其中，第二子透镜单元221用来进行虚像投影，第一个子透镜单元参与投影，但主要目的是矫正光线像差。

大的目标虚像视场由多个小的子投影单元分别进行投影、组合，由于人眼瞳孔有一定尺寸大小，M×N个子像面71不可避免会存在拼接间隙，间隙的大小与人眼瞳孔眼盒尺寸正相关，申请人研究发现当采用较小的眼盒尺寸(如眼盒尺寸为12毫米)，同时第一子透镜单元211的大小至少要大于2倍的人眼瞳孔眼盒大小时，才能降低拼接间隙对目标虚像的影响，即12×2＝24毫米，大的第一子透镜单元211的孔径可以降低阵列数M、N，当M＝5，N＝3时，采用41.8毫米孔径的第一子透镜单元211可以获得较好的成像质量。若人眼瞳孔眼盒尺寸为L，则第一子透镜单元211的大小至少要大于2L。过大的第一子透镜单元211孔径会导致成本与体积的上升，因此，作为优选方案，第一子透镜单元211的孔径要求大于24毫米，小于48毫米。所述子图像源1尺寸小于第一子透镜单元211尺寸。

每一个子图像源单元11的出射光线的发散角为3°-10°，优选的5°。

如图7和图8所示，每一个子图像源单元11包括一个显示图像模块111和一个背光源112，每一个子图像源单元11配置一个背光源112，子图像源单元11的背光源112出光面的法线方向与对应的显示图像模块111的法线方向相同。背光源112可采用准直扩束的半导体激光器光源、准直的LED光源等。背光源112的发散角为3°-10°，优选的5°。显示图像模块111出射光线的发散角为3°-10°，优选的5°。本实施例的显示图像模块111采用液晶显示图像模块111。

参见图10，一种实施例的大视场汽车抬头显示装置还包括人眼位移传感器3、位移控制器4、图像源1、光学投影系统2，图像源1、光学投影系统2分别与至少一个驱动装置固定连接，所述人眼位移传感器3用于实时监测驾驶员人眼的位移信息，并将位移信息传递给位移控制器4，所述位移控制器4用于根据接收到的驾驶员人眼的位移信息，输出控制信号给各驱动装置，控制驱动装置相应地调节图像源1与光学投影系统2的位置，将眼盒区域移动到所述人眼位移传感器3实时监测到的人眼位置，使得驾驶员人眼总能接收到覆盖全部目标虚像面7的光线，即使光学投影系统2投射到汽车挡风玻璃6的光线，经汽车挡风玻璃6反射，进入人眼位移传感器3实时监测到的人眼位置。

本发明实施例还公开了一种大视场汽车抬头显示装置的实现方法，包括如下步骤：

设置驾驶员人眼眼盒5、光学投影系统2以及由M×N个子图像源单元11组合而成的图像源1；

每个子图像源单元11发射所需显示图像信息的光线，每个子图像源单元11发射的光线经过光学投影系统2的折射，然后经过汽车挡风玻璃6的反射，进入驾驶员人眼眼盒，进入驾驶员人眼眼盒的光线的反向延长线在汽车挡风玻璃6的前方形成一个目标虚像子像面71，M×N个目标虚像子像面71组合构成目标虚像；

调节图像源1、光学投影系统2的第一阵列透镜21、第二阵列透镜22、汽车挡风玻璃6之间的相对位置以及调节光学投影系统2的第一阵列透镜21的透镜参数配置，直至驾驶员人眼眼盒可观看到满足要求的目标虚像面7(如保证驾驶员人眼眼盒可以看到完整的虚像面等)，即可确定较优方案的图像源1、第一阵列透镜21、第二阵列透镜22、汽车挡风玻璃6之间的相对距离以及第一阵列透镜21的透镜参数配置。

调节光学投影系统2的第一阵列透镜21的透镜参数配置可以采取更换所需透镜参数的第一阵列透镜21的方式。

当然如有需要，也可以调节光学投影系统2的第二阵列透镜22的透镜参数。透镜参数包括子透镜单元的孔径尺寸、端面形状、曲率半径等。当然如有需要，也可以调图像源1，如图像源1的背光源112等等。

调节图像源1、光学投影系统2的第一阵列透镜21、第二阵列透镜22、汽车挡风玻璃6之间的相对位置，具体包括：调节图像源1与第一阵列透镜21之间以及第一阵列透镜21与第二阵列透镜22之间以及第二阵列透镜22与挡风玻璃6之间的相对位置。

下面通过具体的实施例对上述方案进行详细介绍。

实施例1：

本实施例的目标虚像由5×3个不互相重叠的子像面71组合而成，每个子像面71面对应的水平视场角为6°，垂直视场角为6°，总视场角30°×18°。目标虚像面7的5×3个子像面71是平面，每个子像面71的中心点位于一个以驾驶员人眼眼盒中心点为球心，半径10米的球面上，每个子像面71的法线方向与所述球面在该子像面71中心点处的法线方向相同。

相应地，图像源1也由5×3个子图像源单元11组成，每个子图像源单元11提供的图像信息与目标虚像的每个子像面71显示的信息一一对应。

子图像源单元11表面中心点的法线经过光学投影系统2的折射，再经过汽车挡风玻璃6的反射后，它的反向延长线与所述目标虚像对应的子像面71相交，且与该交点处的法线重合。

光学投影系统2由第一阵列透镜21与第二阵列透镜22构成，所述第一阵列透镜21靠近图像源1；第二阵列透镜22靠近汽车挡风玻璃6。

第一阵列透镜21由5×3个相同的第一子透镜单元211组成，第二阵列透镜22由5×3个相同的子透镜单元组成；第一阵列透镜21的第一子透镜单元211的孔径为41.8毫米。

第一阵列透镜21的第一子透镜单元211到子图像源单元11的间距为3毫米，第一阵列透镜21的第一子透镜单元211的厚度为5毫米，第一阵列透镜21的第一子透镜单元211到第二阵列透镜22的第二子透镜单元221的间距为178毫米，第二阵列透镜22的第二子透镜单元221的厚度为55毫米，第二阵列透镜22的第二子透镜单元221到挡风玻璃6的间距为250毫米。

如图2所示，第一阵列透镜21与第二阵列透镜22的材料为BK7玻璃，第一阵列透镜21的第一子透镜单元211靠近图像源1的面的曲率半径为-151毫米，另一个面的曲率半径51毫米，第二阵列透镜22的第二子透镜单元221靠近挡风玻璃6的面的曲率半径为-116.4毫米，conic系数-0.59，另一个面为平面。第一子透镜单元211用于矫正像差，优选两端面都带参数，第一子透镜单元211、第二子透镜单元221的参数不仅仅限于上述实施例，可根据需要进行调整，第一阵列透镜21是由相同的子透镜构成的。

每一个子图像源单元11对应一个第一阵列透镜21的第一子透镜单元211，且子图像源单元11表面的法线方向与相应的第一阵列透镜21的第一子透镜单元211孔径平面的法线方向相同。

图像源1中，每一个子图像源单元11包含一个背光源112，背光源112出光面的法线方向与对应的子图像源单元11的法线方向相同。背光源112采用准直的LED光源，图像源1的每个子图像源单元11出射光线的发散角为5°。

子图像源单元11出射的光线入射到与之相对应的第一阵列透镜21的第一子透镜单元211，所述第一阵列透镜21的第一子透镜单元211出射的光线入射到与之相对应的第二阵列透镜22的第二子透镜单元221，所述第二阵列透镜22出射的光线经过汽车挡风玻璃6反射后，射向驾驶员人眼眼盒方向。

实施例2：

本实施例的目标虚像由20×5个不互相重叠的子像面71组合而成，每个子像面71面对应的水平视场角为3°，垂直视场角为3°，总视场角为60°×15°。所述目标虚像面7的20×5个子像面71是平面，每个子像面71的中心点位于一个以驾驶员人眼眼盒中心点为球心，半径10米的球面上，每个子像面71的法线方向与所述球面在该子像面71中心点处的法线方向相同。

相应地，图像源1也由20×5个子图像源单元11组成，每个子图像源单元11提供的图像信息与目标虚像的每个子像面71显示的信息一一对应。

所述子图像源单元11表面中心点的法线经过光学投影系统2的折射，再经过汽车挡风玻璃6的反射后，它的反向延长线与所述目标虚像对应的子像面71相交，且与该交点处的法线重合。

所述光学投影系统2由第一阵列透镜21与第二阵列透镜22构成，所述第一阵列透镜21靠近图像源1；所述第二阵列透镜22靠近汽车挡风玻璃6。

所述第一阵列透镜21由20×5个相同子透镜单元组成，第二阵列透镜22由20×5个相同子透镜单元组成；所述第一阵列透镜21的第一子透镜单元211的孔径为25.2毫米。

所述第一阵列透镜21的第一子透镜单元211到子图像源单元11的间距20.6毫米，第一阵列透镜21的第一子透镜单元211的厚度为5毫米，第一阵列透镜21的第一子透镜单元211到第二阵列透镜22的第二子透镜单元221的间距为168.6毫米，第二阵列透镜22的第二子透镜单元221的厚度为30毫米，第二阵列透镜22的第二子透镜单元221到挡风玻璃6的间距为250毫米。

第一阵列透镜21与第二阵列透镜22的材料为BK7玻璃，第一阵列透镜21的第一子透镜单元211靠近图像源1的面的曲率半径为-35.6毫米，另一个面的曲率半径-96.2毫米，第二阵列透镜22的第二子透镜单元221靠近挡风玻璃6的面的曲率半径为-115毫米，conic系数-0.57，另一个面为平面。

每一个子图像源单元11对应一个第一阵列透镜21的第一子透镜单元211，且子图像源单元11表面的法线方向与相应的第一阵列透镜21的第一子透镜单元211孔径平面的法线方向相同。

图像源1中，每一个子图像源单元11包含一个背光源112，背光源112出光面的法线方向与对应的子图像源单元11的法线方向相同。背光源112采用准直的LED光源，图像源1每个子图像源单元11出射光线的发散角为3°。

子图像源单元11出射的光线入射到与之相对应的第一阵列透镜21的第一子透镜单元211，所述第一阵列透镜21的第一子透镜单元211出射的光线入射到与之相对应的第二阵列透镜22的第二子透镜单元221，所述第二阵列透镜22的第二子透镜单元221出射的光线经过汽车挡风玻璃6反射后，射向驾驶员人眼眼盒方向。

本发明的原理如下：

(1)阵列组合方式实现大视场抬头显示：本发明中的图像源1由M×N个液晶图像子单元组合而成，每一个子图像源单元11发射的光线经过光学投影系统2的折射，汽车挡风玻璃6的反射，在目标虚像平面形成一个子像面71。M×N个液晶图像子单元将产生M×N个目标虚像子像面。M×N个目标虚像子像面组合构成目标虚像面7。采用这种阵列组合的方式，只要M，N足够大，就可以获得极大视场角的目标虚像面7。

(2)在运用阵列组合拼接成大视场时，由于驾驶员人眼眼盒有一定尺寸，各子视场之间会存在不可避免的间隙，眼盒越小，各子视场之间的间隙就越小。子透镜单元的大小至少要大于等于2倍的人眼瞳孔眼盒大小，12×2＝24毫米，才能降低拼接间隙对目标虚像的影响。传统HUD的人眼眼盒尺寸150×60毫米，这个尺寸会导致目标虚像面7间隙非常大，而难以获得理想的显示效果，因此，本发明采用略大于人眼瞳孔，12毫米为眼盒大小，保证在这个区域内可以看到完整的虚像面。一旦人眼脱离该区域，就无法看到理想的虚像面。因此本发明辅助采用人眼位移传感器3与位移控制器4，人眼位移传感器3监测人眼的位移信息，然后传递给位移控制器4，位移控制器4依据传递的位移信息，相应地调节图像源1与光学投影系统2的位置，保证人眼总是能看到完整的投影虚像面。

(3)实现高亮度显示：首先，在采用了阵列组合拼接成大视场后，每个目标虚像子像面的目标视场可以设置很小。其次，由于每一个液晶图像子单元平面的法线经光学投影系统的折射与汽车挡风玻璃6的反射后，与对应的目标虚像子像面的法线重合，即每一个液晶图像子单元，目标虚像子像面都是垂直于其所在子系统的主光轴的。再次，人眼眼盒的尺寸远远小于眼盒到光学投影系统的距离。这样一来，每一个液晶图像子单元发射到系统中的光线将都集中在沿其法线方向附近，如图9所示。这就使得采用发散角较小的背光源112成为可能，采用小发散角背光源112可以极大地提高进入投影系统中光线的比例，在给定背光功率的条件下，可以获得极高的像面亮度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种大视场汽车抬头显示装置，其特征在于：包括光学投影系统以及由M×N个子图像源单元组合而成的图像源，每个子图像源单元发射的光线经过光学投影系统投射到挡风玻璃，经过挡风玻璃的反射，进入眼盒区域，并在挡风玻璃的前方形成一个目标虚像子像面，M×N个子图像源单元将产生M×N个目标虚像子像面,M×N个目标虚像子像面组合构成目标虚像，目标虚像的M×N个子像面互相不重叠，每个子图像源单元提供的图像信息与目标虚像的每个子像面显示的信息一一对应，每个子图像源单元表面中心点处的法线经过光学投影系统的折射，再经过挡风玻璃的反射后，其反射线与眼盒面相交，交点为眼盒区域的中心点，其反射线的反向延长线与对应的目标虚像子像面相交，且与该交点处目标虚像子像面的法线重合，目标虚像的各个子像面是平面，每个子像面的中心点位于一个以眼盒区域中心点为球心的球面上，每个子像面的法线方向与所述球面在该子像面中心点处的法线方向相同，所述目标虚像的水平视场按水平经度方向平均角度分割成M份，所述目标虚像的垂直视场按垂直纬度方向平均角度分割成N份，目标虚像的M×N个子像面各自的视场互相不重叠地占据目标虚像面分割后的M×N个子视场；每个子图像源单元沿着其表面的法线方向出射光线，所述光线的发散角为3°-10°。

2.如权利要求1所述的大视场汽车抬头显示装置，其特征在于：所述光学投影系统包括用于矫正光线像差的第一阵列透镜和用于进行虚像投影的第二阵列透镜，所述第一阵列透镜由M×N个相同的第一子透镜单元组成，所述第二阵列透镜由M×N个相同的第二子透镜单元组成，图像源的M×N个子图像源单元与第一阵列透镜的M×N个第一子透镜单元一一对应，第一阵列透镜的M×N个第一子透镜单元与第二阵列透镜的M×N个第二子透镜单元一一对应；所述子图像源单元出射的光线入射到与之相对应的第一子透镜单元，所述第一子透镜单元出射的光线入射到与之相对应的第二子透镜单元，所述第二子透镜单元出射的光线经过挡风玻璃反射后，射向眼盒区域；

子图像源单元表面的法线方向与相应的第一子透镜单元的孔径平面的法线方向相同。

3.如权利要求2所述的大视场汽车抬头显示装置，其特征在于：所述第一阵列透镜靠近图像源，具有负的光焦度；所述第二阵列透镜靠近挡风玻璃，具有正的光焦度。

4.如权利要求2所述的大视场汽车抬头显示装置，其特征在于：所述子图像源单元表面的法线方向与相应的第一子透镜单元的孔径平面的法线方向相同；所述第一子透镜单元的孔径大于24毫米，并且小于48毫米。

5.如权利要求1或2所述的大视场汽车抬头显示装置，其特征在于：M≥5，N≥3。

6.如权利要求1所述的大视场汽车抬头显示装置，其特征在于：每一个子图像源单元包括一个显示图像模块和一个背光源，子图像源单元的背光源出光面的法线方向与对应的显示图像模块的法线方向相同。

7.如权利要求6所述的大视场汽车抬头显示装置，其特征在于：所述显示图像模块为液晶显示图像模块。

8.如权利要求1所述的大视场汽车抬头显示装置，其特征在于：还包括人眼位移传感器、位移控制器，图像源、光学投影系统分别与驱动装置固定连接，所述人眼位移传感器用于实时监测驾驶员人眼的位移信息，并将位移信息传递给位移控制器，所述位移控制器用于根据接收到的驾驶员人眼的位移信息，输出控制信号给驱动装置，控制驱动装置相应地调节图像源与光学投影系统的位置，使光学投影系统投射到挡风玻璃的光线，经挡风玻璃反射，进入人眼位移传感器实时监测到的人眼位置。

9.一种大视场汽车抬头显示装置的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

设置驾驶员人眼眼盒、光学投影系统以及由M×N个子图像源单元组合而成的图像源；

每个子图像源单元发射所需显示图像信息的光线，每个子图像源单元发射的光线经过光学投影系统的折射，然后经过挡风玻璃的反射，进入驾驶员人眼眼盒，进入驾驶员人眼眼盒的光线的反向延长线在挡风玻璃的前方形成一个目标虚像子像面，M×N个目标虚像子像面组合构成目标虚像；

调节图像源、光学投影系统的第一阵列透镜、第二阵列透镜、挡风玻璃之间的相对位置以及调节光学投影系统的第一阵列透镜的透镜参数配置，直至驾驶员人眼眼盒可观看到满足要求的目标虚像面；

每个子图像源单元表面中心点处的法线经过光学投影系统的折射，再经过挡风玻璃的反射后，其反射线与眼盒面相交，交点为眼盒区域的中心点，其反射线的反向延长线与对应的目标虚像子像面相交，且与该交点处目标虚像子像面的法线重合，目标虚像的各个子像面是平面，每个子像面的中心点位于一个以眼盒区域中心点为球心的球面上，每个子像面的法线方向与所述球面在该子像面中心点处的法线方向相同，每个子图像源单元沿着其表面的法线方向出射光线，所述光线的发散角为3°-10°。

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