CN115291397A - 一种抬头显示系统 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供一种抬头显示系统，包括：挡风玻璃，包括内层玻璃、PVB夹层和外层玻璃；投影单元，用于向内层玻璃发出对应于投射图像的入射光线；入射侧衍射光栅涂层，设于内层玻璃和外层玻璃之间，用于将透过内层玻璃的入射光线衍射到挡风玻璃内部，并在挡风玻璃中形成全反射光线；出射侧衍射光栅涂层，设于内层玻璃和外层玻璃之间，用于将全反射光线衍射出挡风玻璃，形成出射光线；该出射光线在用户视野中形成对应于投射图像的虚像。本发明可改善现有技术存在的投影单元固定位置局限性问题、投影画面重影问题、投影亮度偏低问题及偏光眼镜下图像不可见问题。

Description

一种抬头显示系统
技术领域
本发明涉及抬头显示系统。
背景技术
抬头显示系统普遍应用于飞行器、航天器上，并已逐步渗透至汽车、船舶等领域，其通过投影单元将图像投射至挡风玻璃上，光经挡风玻璃反射后进入用户视野，使得用户能够看到叠加外景的图像。该种基于反射投影原理的抬头显示系统存在诸多问题：(1)根据反射定律，为满足反射角等于入射角，当人眼下视角和挡风玻璃位置固定时，投影单元的位置基本固定，限制了投影单元在座舱内的空间布置；(2)挡风玻璃含内层玻璃、PVB夹层及外层玻璃，导致投影单元发出的光在内层玻璃和外层玻璃同时发生反射，形成重影；(3)挡风玻璃对外界光需要具有高透过率，这导致挡风玻璃对投影单元发出的光的反射率较低，人眼观察反射图像亮度较暗；(4)挡风玻璃的反射光为S光，而正常偏光太阳镜不能透过S光，导致在佩戴偏光太阳镜时无法看清投影图像。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提出一种使用效果好的抬头显示系统。
技术方案：本发明提供一种抬头显示系统，包括：
挡风玻璃，包括内层玻璃、PVB夹层和外层玻璃；
投影单元，用于向内层玻璃发出对应于投射图像的入射光线；
入射侧衍射光栅涂层，设于内层玻璃和外层玻璃之间，用于将透过内层玻璃的入射光线衍射到挡风玻璃内部，并在挡风玻璃中形成全反射光线；
出射侧衍射光栅涂层，设于内层玻璃和外层玻璃之间，用于将全反射光线衍射出挡风玻璃，形成出射光线；
衍射光栅涂层包括左旋光聚合物和右旋光聚合物；出射光线在用户视野中形成对应于投射图像的虚像。
本发明的使用效果好，体现在以下几个方面：(1)投影单元在座舱内的空间布置不受限制，投影单元在本发明中的作用是将图像光线射入入射侧衍射光栅，不需要考虑挡风玻璃的反射面角度，也不需要考虑和人眼视野的角度关系；(2)投影显示无重影，从出射侧衍射光栅出射的光线只需要通过单一的内层玻璃，同一条出射光线不会既在内层玻璃反射也在外层玻璃上反射形成两个反射虚像；(3)投影显示亮度提高，入射光线入射内层玻璃和全反射光线出射内层玻璃的透过率高，总透过率高；(4)支持佩戴偏光太阳镜观看投影图像，从出射侧衍射光栅出射的光线是左旋偏光和右旋偏光，不会被常规的线性偏光太阳镜阻断；(5)对外界光透过率高，因为左旋光聚合物和右旋光聚合物只对和自生旋转方向一致的偏光产生衍射，所以对外界无旋转的自然光衍射能力较弱，透过率较高。
进一步地，入射光线垂直于内层玻璃。当投影单元投射的图像光线垂直入射到内层玻璃时，透过率在90％以上，同时衍射光栅的衍射效率理论上可以达到100％，最后从出射侧衍射光栅出射的光线按照60°的入射角通过单一的内层玻璃，其透过率在80％以上，所以总透过率在72％以上，即超过72％光线进入用户视野；而传统抬头显示器从投影单元投射的图像光线按照60°的入射角从空气射入玻璃的反射率在20％以下，即只有20％光线反射进入用户视野。
进一步地，衍射光栅涂层中，左旋光聚合物和右旋光聚合物均匀混合。
进一步地，左旋光聚合物和右旋光聚合物具有相同的光栅周期、形状和厚度。
进一步地，衍射光栅涂层通过掩膜板曝光法、高温置换法和交错重叠法中的任一种方法制作。
进一步地，通过掩膜板曝光法制作衍射光栅涂层，包括：将左旋衍射光栅材料和右旋衍射光栅材料均匀混合旋涂在基底上；通过第一掩膜板遮挡混合衍射光栅材料的多个第二曝光区域，通过左旋UV灯透过第一掩膜板照射混合衍射光栅材料的多个第一曝光区域，形成左旋光聚合物；通过第二掩膜板遮挡所述多个第一曝光区域，通过右旋UV灯透过第二掩膜板照射所述多个第二曝光区域，形成右旋光聚合物；第一曝光区域和第二曝光区域面积相等，并排交替设置。
进一步地，通过高温置换法制作衍射光栅涂层，包括：在基底上涂布左旋衍射光栅材料，通过左旋UV灯照射左旋衍射光栅材料，形成左旋光聚合物；用药液溶解部分左旋光聚合物；旋涂上右旋衍射光栅材料，加热使右旋衍射光栅材料完全溶入到左旋衍射光栅材料中，通过UV灯照射，形成右旋光聚合物。
进一步地，药液采用二甲基甲酰胺。
进一步地，通过交错重叠法制作衍射光栅涂层，包括：在基底上涂布少量左旋衍射光栅材料，通过左旋UV灯照射，形成左旋光聚合物薄层；在左旋光聚合物上涂布少量右旋衍射光栅材料，通过右旋UV灯照射，形成右旋光聚合物薄层；重复此方法，依次制作左旋光聚合物薄层和右旋光聚合物薄层的交错重叠结构。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：(1)投影单元在座舱内的空间布置不受限制；(2)投影显示无重影；(3)投影显示亮度提高；(4)支持佩戴偏光太阳镜观看投影图像；(5)对外界光透过率高。本发明可应用于飞行器、车辆及船舶等领域。
附图说明
图1是本发明实施例一种抬头显示系统的结构示意图；
图2是本发明实施例掩膜板曝光法示意图；
图3是本发明实施例高温置换法示意图；
图4是本发明实施例交错重叠法示意图；
附图标记：投影单元100，挡风玻璃200，内层玻璃210，外层玻璃220，入射侧衍射光栅涂层230，出射侧衍射光栅涂层240，PVB夹层250，投射图像101，入射光线102，全反射光线103，出射光线104，反向延长线105，虚像106，用户视野300；
第一左旋UV灯2301，第一曝光区域2302，第一掩膜板2303，第一左旋衍射光栅材料2304，第一右旋衍射光栅材料2305，第一右旋UV灯2401，第二曝光区域2402，第二掩膜板2403；
第二左旋UV灯2501，第二左旋衍射光栅材料2504，第二右旋衍射光栅材料2505，药液2601，UV灯2701；
第三左旋UV灯2801，第三左旋衍射光栅材料2802，第三右旋衍射光栅材料2803，第二右旋UV灯2901。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种抬头显示系统，包括投影单元100和挡风玻璃200，其中挡风玻璃200包括内层玻璃210和外层玻璃220，在内层玻璃210和外层玻璃220之间设有PVB夹层250作为填充物，组成具有光波导功能的结构。在挡风玻璃200内，内层玻璃210和外层玻璃220之间还设有入射侧衍射光栅涂层230和出射侧衍射光栅涂层240。投影单元100发出的对应于投射图像101的准直放大的入射光线102垂直透过内层玻璃210入射在入射侧衍射光栅涂层230上，入射侧衍射光栅涂层230将入射光线102衍射到挡风玻璃200内部，并在挡风玻璃200内形成全反射光线103，当全反射光线103反射到出射侧衍射光栅涂层240时，出射侧衍射光栅涂层230将全反射光线103衍射出挡风玻璃200形成出射光线104，该出射光线104进入用户视野300中，在出射光线104的反向延长线105上形成对应于投射图像101的虚像106，即用户可看到形成于挡风玻璃200前侧的投射图像101。
入射侧衍射光栅涂层230是由均匀混合的左旋光聚合物和右旋光聚合物组成的一层衍射光栅，出射侧衍射光栅涂层240同样是由均匀混合的左旋光聚合物和右旋光聚合物组成的一层衍射光栅。左旋光聚合物和右旋光聚合物具有相同的光栅周期、形状和厚度。
在同一层上由左旋光聚合物和右旋光聚合物形成衍射光栅可采用掩膜板曝光法、高温置换法和交错重叠法中的任一种，具体介绍如下：
(1)掩膜板曝光法：如图2所示，将第一左旋衍射光栅材料2304和第一右旋衍射光栅材料2305均匀混合旋涂在基底上，通过第一掩膜板2303遮挡混合衍射光栅材料的多个第二曝光区域2402，通过第一左旋UV灯2301透过第一掩膜板2303照射混合衍射光栅材料的多个第一曝光区域2302，形成左旋光聚合物；通过第二掩膜板2403遮挡所述多个第一曝光区域2302，通过第一右旋UV灯2401透过第二掩膜板2403照射所述多个第二曝光区域2402，形成右旋光聚合物；第一曝光区域2302和第二曝光区域2402面积相等，并排交替设置。
(2)高温置换法：在基底上涂布第二左旋衍射光栅材料2504，用第二左旋UV灯2501照射第二左旋衍射光栅材料2504，形成左旋光聚合物；用药液2601(如二甲基甲酰胺)溶解部分左旋光聚合物，旋涂上第二右旋衍射光栅材料2505，加热使第二右旋衍射光栅材料2505完全溶入到第二左旋衍射光栅材料2504中，然后用UV灯2701照射，形成右旋光聚合物。
(3)交错重叠法：在基底上涂布少量第三左旋衍射光栅材料2802，用第三左旋UV灯2801照射，形成左旋光聚合物；在左旋光聚合物上涂布少量第三右旋衍射光栅材料2803，用第二右旋UV灯2901照射，形成右旋光聚合物；重复此方法，依次制作左旋光聚合物薄层和右旋光聚合物薄层的交错重叠结构。

Claims (9)

1.一种抬头显示系统，其特征在于，包括：
挡风玻璃(200)，包括内层玻璃(210)、PVB夹层(250)和外层玻璃(220)；
投影单元(100)，用于向内层玻璃(210)发出对应于投射图像(101)的入射光线(102)；
入射侧衍射光栅涂层(230)，设于内层玻璃(210)和外层玻璃(220)之间，用于将透过内层玻璃(210)的入射光线(102)衍射到挡风玻璃(200)内部，并在挡风玻璃(200)中形成全反射光线(103)；
出射侧衍射光栅涂层(240)，设于内层玻璃(210)和外层玻璃(220)之间，用于将全反射光线(103)衍射出挡风玻璃(200)，形成出射光线(104)；
衍射光栅涂层包括左旋光聚合物和右旋光聚合物；出射光线(104)在用户视野(300)中形成对应于投射图像(101)的虚像(106)。
2.根据权利要求1所述的抬头显示系统，其特征在于，入射光线(102)垂直于内层玻璃(210)。
3.根据权利要求1所述的抬头显示系统，其特征在于，衍射光栅涂层中，左旋光聚合物和右旋光聚合物均匀混合。
4.根据权利要求3所述的抬头显示系统，其特征在于，左旋光聚合物和右旋光聚合物具有相同的光栅周期、形状和厚度。
5.根据权利要求3或4所述的抬头显示系统，其特征在于，衍射光栅涂层通过掩膜板曝光法、高温置换法和交错重叠法中的任一种方法制作。
6.根据权利要求5所述的抬头显示系统，其特征在于，通过掩膜板曝光法制作衍射光栅涂层，包括：将左旋衍射光栅材料和右旋衍射光栅材料均匀混合旋涂在基底上；通过第一掩膜板(2303)遮挡混合衍射光栅材料的多个第二曝光区域(2402)，通过左旋UV灯透过第一掩膜板(2303)照射混合衍射光栅材料的多个第一曝光区域(2302)，形成左旋光聚合物；通过第二掩膜板(2403)遮挡所述多个第一曝光区域(2302)，通过右旋UV灯透过第二掩膜板(2403)照射所述多个第二曝光区域(2402)，形成右旋光聚合物；第一曝光区域(2302)和第二曝光区域(2402)面积相等，并排交替设置。
7.根据权利要求5所述的抬头显示系统，其特征在于，通过高温置换法制作衍射光栅涂层，包括：在基底上涂布左旋衍射光栅材料，通过左旋UV灯照射左旋衍射光栅材料，形成左旋光聚合物；用药液(2601)溶解部分左旋光聚合物；旋涂上右旋衍射光栅材料，加热使右旋衍射光栅材料完全溶入到左旋衍射光栅材料中，通过UV灯(2701)照射，形成右旋光聚合物。
8.根据权利要求7所述的抬头显示系统，其特征在于，药液(2601)采用二甲基甲酰胺。
9.根据权利要求5所述的抬头显示系统，其特征在于，通过交错重叠法制作衍射光栅涂层，包括：在基底上涂布少量左旋衍射光栅材料，通过左旋UV灯照射，形成左旋光聚合物薄层；在左旋光聚合物上涂布少量右旋衍射光栅材料，通过右旋UV灯照射，形成右旋光聚合物薄层；重复此方法，依次制作左旋光聚合物薄层和右旋光聚合物薄层的交错重叠结构。
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