CN115218151A - 一种光源装置及hud阳光倒灌实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于抬头显示技术领域，公开了一种光源装置及HUD阳光倒灌实验装置，光源装置包括反射碗、光源和光阑，反射碗的反射面为抛物面；光源设置于反射碗设有反射面的一侧，光源与反射碗的焦点位于反射碗的同一横截面上，光源沿反射碗的径向偏离反射碗的焦点，光源的导线穿过通孔；光阑设置在光源远离反射碗的一侧且与光源具有间距。本发明光源装置包括反射碗、光源和光阑，结构简单、成本低，光源发出的光经过抛物面反射碗反射后以准直度较好的平行光出射，由于光源的位置避开了反射碗的通孔，且出射的光线又经过光阑过滤掉边缘不准直的光线，故光线发散角度可以缩小到1～2°左右，更接近于太阳光源。

Description

一种光源装置及HUD阳光倒灌实验装置

技术领域

本发明涉及抬头显示技术领域，尤指一种光源装置及HUD阳光倒灌实验装置。

背景技术

抬头显示(Head Up Display，HUD)技术是利用光学反射原理，将交通工具，例如交通工具的仪表信息(速度、温度、油量等)和导航信息等通过交通工具的挡风玻璃投射在驾驶员的视野范围内，让驾驶员尽量做到不低头、不转头就能看到时速、导航等重要的驾驶信息，既减轻了眼睛疲劳，又能使驾驶员的注意力集中提高行车安全。

根据现在市场上一些量产的HUD的结构和原理可知，HUD中最重要的零件之一就是凹面镜(自由曲面)，HUD利用凹面镜放大投影的光学原理进行投影成像。当发生阳光倒灌时，太阳光沿着HUD正常工作时成像的逆光路，通过挡风玻璃-凹面镜-平面反射镜-聚焦到LCD显示屏上，太阳辐射产生的热量会使LCD显示屏温度上升，严重情况下会导致LCD显示屏烧毁。而AR-HUD(Augmented Reality-Head Up Display增强现实的抬头显示)与W-HUD(windshield-HeadUp Display挡风玻璃HUD)相比，其具有更大的虚像距离及更宽的视场角，太阳光聚焦度更高，阳光倒灌问题更难解决，所以，在HUD研发阶段，对HUD进行阳光倒灌实验，评估阳光倒灌热损伤风险大小就变得尤为重要。

目前，用于模拟太阳光的光源装置较多，但这些光源装置体积庞大、价格昂贵，或者光线平行度不够好，发散角太大，光斑不均匀，并且利用这些光源装置进行对HUD的阳光倒灌测试实验时，实验效果较差。例如，现在市场上在售的阳光光源模拟器，其结构主要包括光学积分镜、椭球形反射器、快门、滤光片、准直透镜、灯源等部件，具有结构复杂、价格高昂等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光源装置及HUD阳光倒灌实验装置，不仅结构简单、成本低，而且光源发散角小，与太阳光源的光斑更接近。

本发明提供的技术方案如下：

一方面，本申请提供一种光源装置，包括：

反射碗，所述反射碗的反射面为抛物面，所述反射碗的中心设有通孔；

光源，设置于所述反射碗设有所述反射面的一侧，所述光源与所述反射碗的焦点位于所述反射碗的同一横截面上，且所述光源沿所述反射碗的径向偏离所述反射碗的焦点，所述光源的导线穿过所述通孔；

光阑，设置在所述光源远离所述反射碗的一侧且与所述光源具有间距。

本技术方案中，光源装置仅包括反射碗、光源和光阑，结构简单、体积小，适用于所需照射面积不大的HUD阳光倒灌实验，且对实验场地的空间要求相对较低。所述光源沿所述反射碗的径向偏离所述反射碗的焦点，可以弥补反射碗中心孔洞对光斑造成的不均匀影响，避免出现光斑中心不均匀的现象，使本申请提供的光源装置与理想太阳光源的光斑更接近。光源发出的光经过抛物面反射碗反射后以准直度较好的平行光出射，由于光源的位置避开了反射碗的通孔，且出射的光线又经过光阑过滤掉边缘不准直的光线，故光线发散角度可以缩小到1～2°左右。此外，由于光源装置结构简单，其总体成本也较低，相比于市面上结构复杂、价格高昂、体积庞大的光源装置，具有较大优势，更适合HUD阳光倒灌实验。

在一些实施方式中，所述反射碗反射出的光斑尺寸大于HUD的出光口尺寸；

所述反射碗的碗径与HUD的出光口尺寸正相关。

本技术方案中，反射碗的碗径可以根据HUD的出光口尺寸进行设计，HUD的出光口尺寸越大，反射碗的碗径也越大，HUD的出光口尺寸越小，反射碗的碗径也越小，但是需要保证反射碗反射出的光斑可以完全覆盖住HUD的出光口，以提高HUD阳光倒灌实验的精准度。

在一些实施方式中，所述反射碗的碗口面积大于光阑的开口尺寸；

所述光阑上的开口尺寸大于HUD的出光口尺寸。

本技术方案中，光源射出的光线经反射碗反射后，还需要经过光阑过滤掉边缘不准直的光线，然后射入HUD的出光口，所以，需要保证从光阑开口射出的光斑可以完全覆盖住HUD的出光口，且反射碗的碗口面积要大于光阑上的开口尺寸，以使从反射碗反射出的光斑可以完全覆盖住光阑上的开口。

在一些实施方式中，所述HUD的出光口的长度为400mm；

所述HUD的出光口的宽度为250mm；

所述反射碗的碗径大于等于630mm；

所述光阑的开口长度为500mm；

所述光阑的开口宽度为300mm。

在一些实施方式中，所述光源沿所述反射碗的径向偏离所述反射碗的焦点125mm。

在一些实施方式中，所述光阑的几何中心与所述光源的发光中心位于同一轴线上。

在一些实施方式中，所述光阑包括第一光阑和第二光阑，所述第一光阑和第二光阑同心设置，且所述第一光阑与所述第二光阑具有间距。

本技术方案中，设置两个光阑过滤掉反射碗反射出的边缘不准直的光线，可使入射到HUD出光口的光线准直度更高，发散角度更小。

在一些实施方式中，所述第一光阑与所述反射碗的碗口的距离为500mm；

所述第二光阑与所述反射碗的碗口的距离为800mm。

在一些实施方式中，所述光源为氙灯光源。

另一方面，本申请还提供一种HUD阳光倒灌实验装置，包括上述任一实施方式所述的光源装置。

本发明的技术效果在于：使用抛物面型的反射碗将具有发散角的光线，经过抛物面反射变成平行光线，抛物面相比于扫掠面型结构更容易加工；光源发出的光经过抛物面反射碗反射后以准直度较好的平行光出射，且出射的光线又经过光阑过滤掉边缘不准直的光线，故光线发散角度可以缩小到1～2°，更接近于理想的太阳光源；光源偏离反射碗的焦点，光源的位置避开了反射碗的通孔，可弥补反射碗中心通孔对光斑造成的不均匀影响；此外，光源装置仅包括反射碗、光源和光阑，不仅结构简单、体积小，而且成本低，相比于市面上结构复杂、价格高昂、体积庞大的太阳光模拟器，具有较大优势，更适合HUD阳光倒灌实验。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1是本申请实施例提供的一种光源装置的一个实施例的结构示意图；

图2是图1中的光源装置的光路示意图；

图3是本申请实施例提供的一种光源装置的另一个实施例的结构示意图；

图4是图3中的光源装置的光路示意图；

图5是模拟本申请实施例提供的光源装置在阳光倒灌实验中照射LCD表面的光斑示意图；

图6是模拟理想太阳光源在阳光倒灌实验中照射LCD表面光斑示意图；

图7是本申请实施例提供的一种HUD阳光倒灌实验装置的结构示意图。

附图标号说明：

10、反射碗；11、反射面；12、通孔；13、焦点；20、光源；30、光阑；301、开口；31、第一光阑；32、第二光阑；

1、光源装置；2、测试台架；3、挡风玻璃；4、自由曲面反射镜；5、平面反射镜；6、图像生成单元。

具体实施方式

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。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在本文中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本申请提供了一种光源装置，包括：反射碗、光源、以及光阑。其中，光源用于向反射碗发射光线；反射碗用于将光源发出的光线反射为平行光；光阑用于过滤掉反射碗反射的平行光的边缘不准直的光线。

反射碗的反射面为抛物面，反射碗的中心设有通孔；光源设置于反射碗设有反射面的一侧，光源与反射碗的焦点位于反射碗的同一横截面上，且光源沿反射碗的径向偏离反射碗的焦点，光源的导线穿过通孔；光阑设置在光源远离反射碗的一侧且与光源具有间距。

本技术方案中，由于光源装置仅包括反射碗、光源和光阑，结构简单、体积小，适用于所需照射面积不大的HUD阳光倒灌实验，且对实验场地的空间要求相对较低。光源沿反射碗的径向偏离反射碗的焦点，可以弥补反射碗中心孔洞对光斑造成的不均匀影响，避免出现光斑中心不均匀的现象，使本申请提供的光源装置与理想太阳光源的光斑更接近。光源发出的光经过抛物面反射碗反射后以准直度较好的平行光出射，由于光源的位置避开了反射碗的通孔，且出射的光线又经过光阑过滤掉边缘不准直的光线，故光线发散角度可以缩小到1～2°左右。此外，由于光源装置结构简单，其总体成本也较低，相比于市面上结构复杂、价格高昂、体积庞大的太阳光模拟器，具有较大优势，更适合HUD阳光倒灌实验。

下面将结合附图对本申请提供的光源装置进行详细介绍。

首先参考图1和图2，对本申请的一些实施例提供的一种光源装置进行详细介绍。其中，图1为一种光源装置的结构示意图，图2为图1中的光源装置的光路示意图。如图1和图2所示，本申请的一些实施例提供的一种光源装置包括反射碗10、光源20和光阑30。

反射碗10的反射面11为抛物面，反射碗10的中心设有通孔12。光源20设置于反射碗10设有反射面11的一侧，光源20与反射碗10的焦点13位于反射碗10的同一横截面上，且光源20沿反射碗10的径向偏离反射碗10的焦点13，可以弥补反射碗10中心孔洞对光斑造成的不均匀影响，避免出现光斑中心不均匀的现象。光源20的导线穿过通孔12，从而可以避免导线遮挡反射碗10反射的光线。光阑30设置在光源20远离反射碗10的一侧且与光源20具有间距。反射碗10的横截面是指沿反射碗10的径向的截面，反射碗10的径向是指图1中的左右方向。

反射碗10的中心设有通孔12，光源20的导线穿过反射碗10上的通孔12，以给光源20进行通电，使光源20发光，本实施例的光源20可为氙灯光源。反射碗10的反射面11用于反射光源20发出的光线，反射面11为抛物面，抛物面不仅可将光源20发出的光线变为准直度较好的平行光，而且相比于扫掠面型结构，抛物面更容易加工。为提高反射面11的反射效果，反射碗10的反射面11镀有高反射膜。

光源20与反射碗10的焦点13位于反射碗10的同一横截面上，但是光源20沿反射碗10的径向偏离反射碗10的焦点13，即光源20不是放置于反射碗10的焦点13处，而是在反射碗10焦点13位置处沿径向向一侧平移一定距离，也即光源20与反射碗10的中心不在同一轴线上，使光源20的位置避开了反射碗10的通孔12，以弥补反射碗10中心通孔12对光斑造成的不均匀影响，使其与理想太阳光源的光斑更接近。

光阑30设置于光源20远离反射碗10的一侧，光阑30为中部设有开口301的光学器件，光阑30可对光束起到限制作用，光源20发出的光线经反射碗10的反射面11反射后以准直度较好的平行光出射，出射的光线又经过光阑30过滤掉边缘不准直的光线，故光线发散角度可以缩小到1～2°左右，并且本发明的光源装置仅由反射碗10、光源20和光阑30组成，其结构简单、体积小，成本低。

在一些实施例中，反射碗10反射出的光斑尺寸大于HUD的出光口尺寸，反射碗10的碗径与HUD的出光口尺寸正相关。在进行反射碗10的设计时，可根据HUD的出光口尺寸来设计反射碗10的碗径，反射碗10的碗径需要保证反射碗10反射出的光斑尺寸大于HUD的出光口尺寸，以使反射碗10反射出的光斑可以完全覆盖HUD出光口，进而更好的进行HUD阳光倒灌实验，所以，反射碗10的碗径与HUD的出光口尺寸呈正相关，也即HUD的出光口尺寸越大，则反射碗10的碗径也越大，HUD的出光口尺寸越小时，则反射碗10的碗径也越小。

反射碗10的碗口面积大于光阑30的开口尺寸；光阑30上的开口尺寸大于HUD的出光口尺寸。因为反射碗10反射的光束还需要经过光阑30过滤掉边缘不准直的光线，所述需要确保从反射碗10反射出的光斑可以完全覆盖住光阑30上的开口，此外，HUD阳光倒灌实验的光源是从光阑30的开口处出射的，为保证出射的光斑可完全覆盖HUD出光口，还需要使光阑30上的开口尺寸大于HUD的出光口尺寸。

在一些实施例中，如图1和图2所示，光阑30的几何中心与光源20的发光中心位于同一轴线上，此处的轴线是指与反射碗10的中心轴平行的直线，反射碗10的中心轴是指穿过反射碗10的中心通孔12和焦点13的一条线，也即光源20的中心正对光阑30的中心。因为经反射碗10反射后的平行光越靠近光源中间的光线平行度越好，所以光阑30的几何中心与光源20的发光中心位于同一轴线上可以过滤掉边缘平行度不好的光线，使得经过光阑30过滤后的光线具有更好的平行度。

下面将对图1和图2所示的一种光源装置的发光原理进行简单介绍。

具体地，如图2所示，光源20以一定发射角度向反射碗10的反射面11发射光线，光线入射到反射面11后，经反射面11反射为平行光线，边缘准直度不好的平行光线由光阑30进行过滤，中间平行度较好的平行光从光阑30的开口301处穿过，从光阑30开口301处出射的光线平行度好，可用作HUD阳光倒灌实验的光源。

下面将结合图3和图4对本申请提供的另一种光源装置进行详细介绍。

图3和图4所示的光源装置与图1和图2所示的光源装置的区别仅在于：图3和图4所示的光源装置包括两个光阑，而图1和图2所示的光源装置仅仅包括一个光阑。图3和图4所示的光源装置通过设置两个光阑来过滤反射碗10射出的边缘不准直的光线，可以使光源装置射出的光线准直度效果较好。

图3为本申请的一些实施例提供的另一种光源装置的结构示意图，图4为图3中的光源装置的光路示意图。图3和图4所示的光源装置中和图1、图2所示的光源装置中相同的部分将不再赘述。

如图3和图4所示，光阑30包括第一光阑31和第二光阑32，第一光阑31和第二光阑32同心设置，且第一光阑31与第二光阑32具有间距。本实施例中，第一光阑31和第二光阑32同心设置，也即光源20的中心、第一光阑31的中心和第二光阑32的中心均位于同一轴线上。设置两个光阑30过滤掉反射碗10反射出的边缘不准直的光线，可使入射到HUD出光口的光线准直度更高，发散角度更小。本实施例中，设置三个或四个以上的光阑30时，不仅对提高光线准直度的效果不明显，而且会增加光源装置的成本；所以设置两个光阑30来过滤边缘不准直的光线，不仅准直度改善效果较好，而且成本较低。

示例性的，HUD的出光口的长度为400mm；HUD的出光口的宽度为250mm时；反射碗10的碗径大于等于630mm；光阑30的开口301长度为500mm；光阑30的开口301宽度为300mm。光阑30的开口301尺寸大于HUD的出光口尺寸，且根据软件模拟结果可知，当反射碗10的碗径大于等于630mm时，反射碗10反射出的光斑可以完整覆盖尺寸为400*250mm的HUD出光口；当反射碗10的碗径为630mm时，光源20沿反射碗10的径向偏离反射碗的焦点13的距离为125mm时效果较好。第一光阑31与反射碗10的碗口的距离为500mm；第二光阑32与反射碗10的碗口的距离为800mm，第一光阑31与第二光阑32间距分开一点，可以有效的过滤平行度不好的光线。应当理解，以上示例性中HUD出光口的尺寸、反射碗10的碗径、光阑30的开口301尺寸等仅仅是为了说明本方案的一些示例性数值，在实际应用中，这些数值可以根据需要具体设定，本申请对此不做限定。

下面将对图3和图4所示的一种光源装置的发光原理进行简单介绍。

具体地，如图3和图4所示，光源20以一定发射角度向反射碗10的反射面11发射光线，光线入射到反射面11后，经反射面11反射为平行光线，边缘准直度不好的平行光线依次由第一光阑31和第二光阑32进行过滤，也即：平行度较好的平行光从第一光阑31的开口301处穿过，过滤出平行度较好的光线。然后通过第一光阑31过滤出的平行度较好的光线再通过第二光阑32进行过滤，得到平行度更好的光线。从而可以将从第二光阑32的开口301出射的光线作为进行HUD阳光倒灌实验的光源，该光源所产生的光斑可以和太阳光产生的光斑更加接近，采用该光源作为HUD阳光倒灌实验的光源，可以使得实验的结果更加接近HUD在真实太阳光下所产生的阳光倒灌的情况。

另一方面，本申请还提供一种HUD阳光倒灌实验装置，包括上述任一实施例所述的光源装置，该光源装置产生的光线准直度好，发散角小，与理想太阳光源的光斑更接近。例如，图5为模拟本申请提供的光源装置产生的光线在阳光倒灌实验中照射到LCD表面的光斑示意图；图6为模拟理想太阳光源在阳光倒灌实验中照射到LCD表面的光斑示意图。

由图5和图6可知，利用本申请提供的光源装置，对HUD进行阳光倒灌实验时，本申请的光源装置在LCD上产生的光斑与理想太阳光在LCD上产生的光斑相似度较高，可达90％以上，因此，本申请提供的光源装置可用于HUD阳光倒灌实验。

在进行HUD阳光倒灌实验时，光源装置产生的光线沿着HUD逆光路从HUD出光口入射照射到LCD表面，对HUD进行阳光倒灌实验，以评估阳光倒灌热损伤风险大小，避免实际使用时太阳光聚焦度过高而导致LCD屏幕烧毁。

图7为HUD阳光倒灌实验装置的结构示意图，HUD阳光倒灌实验装置包括光源装置1、测试台架2、挡风玻璃3。在对HUD进行阳光倒灌实验时，可以将HUD设置在测试台架2上，HUD包括自由曲面反射镜4、平面反射镜5和图像生成单元6；光源装置1出射的光线透过挡风玻璃3入射至自由曲面反射镜4，经由自由曲面反射镜4反射至平面反射镜5，再由平面反射镜5反射至图像生成单元6的LCD显示屏上，通过分析LCD显示屏的温度，来实现对HUD进行阳光倒灌实验评估，以评估阳光倒灌热损伤风险大小。例如，通过温度传感器测得LCD显示屏的温度较高，则表明被测试的HUD受阳光倒灌的影响较大，该HUD有因阳光倒灌现象导致的温度过高而被烧毁的风险。又如，通过温度传感器测得LCD显示屏的温度较低，则表明被测试的HUD受阳光倒灌的影响较小，该HUD因阳光倒灌现象导致被烧毁的风险较小。

此外，需要说明的是，本申请实施例涉及的HUD包括但不限于组合型抬头显示系统(Combiner-HUD)C-HUD、风挡型抬头显示(Windshield-HUD)W-HUD和增强现实型抬头显示系统(Augmented Reality HUD)AR-HUD等任意一种HUD。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光源装置，其特征在于，包括：

反射碗，所述反射碗的反射面为抛物面，所述反射碗的中心设有通孔；

光源，设置于所述反射碗设有所述反射面的一侧，所述光源与所述反射碗的焦点位于所述反射碗的同一横截面上，且所述光源沿所述反射碗的径向偏离所述反射碗的焦点；

光阑，设置在所述光源远离所述反射碗的一侧且与所述光源具有间距。

2.根据权利要求1所述的一种光源装置，其特征在于，

所述反射碗反射出的光斑尺寸大于HUD的出光口尺寸；

所述反射碗的碗径与HUD的出光口尺寸正相关。

3.根据权利要求2所述的一种光源装置，其特征在于，

所述反射碗的碗口面积大于光阑的开口尺寸；

所述光阑上的开口尺寸大于HUD的出光口尺寸。

4.根据权利要求3所述的一种光源装置，其特征在于，

所述HUD的出光口的长度为400mm；

所述HUD的出光口的宽度为250mm；

所述反射碗的碗径大于等于630mm；

所述光阑的开口长度为500mm；

所述光阑的开口宽度为300mm。

5.根据权利要求4所述的一种光源装置，其特征在于，

所述光源沿所述反射碗的径向偏离所述反射碗的焦点125mm。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种光源装置，其特征在于，所述光阑的几何中心与所述光源的发光中心位于同一轴线上。

7.根据权利要求6所述的一种光源装置，其特征在于，

所述光阑包括第一光阑和第二光阑，所述第一光阑和第二光阑同心设置，且所述第一光阑与所述第二光阑具有间距。

8.根据权利要求7所述的一种光源装置，其特征在于，

所述第一光阑与所述反射碗的碗口的距离为500mm；

所述第二光阑与所述反射碗的碗口的距离为800mm。

9.根据权利要求1所述的一种光源装置，其特征在于，所述光源为氙灯光源。

10.一种HUD阳光倒灌实验装置，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的光源装置。

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