CN115877566A - 增强现实抬头显示装置及车辆 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种增强现实抬头显示装置，包括图像单元、光波导单元和反射单元，图像单元用于产生图像光线，且引导图像光线入射至光波导单元的表面，光波导单元将图像光线传导并朝向反射单元射出，反射单元将图像光线反射至人眼并产生虚像，光波导单元包括光波导层、及设置在光波导层两侧的第一遮光层和第二遮光层，第一遮光层用以吸收从光波导层透射出的光线，第二遮光层用以吸收从光波导层透射和/或反射出的光线以及从外界透射进入的太阳光线，从而消除杂光干扰，提高反射单元将图像光线反射至人眼并产生虚像的质量，该增强现实抬头显示装置具备大视场、小体积、远虚像距离的性能、且结构简单，同时适用于大多数挡风玻璃，具备高的量产普适性。

Description

增强现实抬头显示装置及车辆

技术领域

本发明涉及一种增强现实抬头显示装置及车辆，属于显示设备技术领域。

背景技术

抬头显示((head up display，HUD)，在功能上充当了汽车信息“投影仪”的角色。该技术可以将汽车相关信息投影到驾驶员视线前方，从而减少驾驶过程中低头查看仪表或中控屏的频率。传统HUD是一种光机电耦合部件，主要由主控PCB板、光源、显示介质、光学镜组、直流电机等组成构成，由显示光源经过多次镜面结构反射，将信息反射到透明介质(显示屏或挡风玻璃)上，从而使人眼看到仿佛悬浮在眼前的虚像。

按照产品形态，目前主流的HUD主要分为组合型(C-HUD)和(W-HUD)。技术上C-HUD光学结构简单，设计相对容易，但其显示尺寸与投影距离有限，且可能在车辆碰撞时会对驾驶员产生二次伤害；W-HUD显示效果更加一体化，但其光学结构复杂，设计与布置难度较高，占据体积大，且其光学原理需要配合复杂面型的挡风玻璃，无疑增加了制备与量产难度。请参见图1，传统W-HUD方案的光路示意图，在该方案中，不同视场角的图像光线经过自由曲面多次反射，经挡风玻璃反射至人眼。该方案为了满足成像设计，需要较大的几何空间体积，且所呈虚像距离不够远，所具备的眼盒空间较小，同时有可能太阳光倒灌导致器件升温，影响质量。

近年来兴起的增强现实抬头显示(AR-HUD)，将数字图像叠加在车外真实环境上，使得驾驶员获得增强现实的视觉效果，可用于AR导航、自适应巡航、车道偏离预警等。

由于AR-HUD与目前主流的C-HUD和W-HUD相比，具备体积小、投影距离远、视场角大、普适性高等特点。增强现实(AR)采用衍射结构单元控制光线走线，理想情况中，衍射结构单元仅将光线衍射至人眼。然而光线会从光波导中透射出，且光波导表面也会反射光线，其都会影响形成的虚像的质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成像质量高且结构简单、体积小的增强现实抬头显示装置。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种增强现实抬头显示装置，包括图像单元、光波导单元和反射单元，所述图像单元用于产生图像光线，且引导所述图像光线入射至所述光波导单元的表面，所述光波导单元将所述图像光线传导并朝向所述反射单元射出，所述反射单元将所述图像光线反射至人眼并产生虚像，所述光波导单元包括光波导层、以及设置在所述光波导层一侧的第一遮光层和设置在所述光波导层另一侧的第二遮光层，所述第一遮光层用以吸收从所述光波导层透射出的光线，所述第二遮光层用以吸收从所述光波导层透射和/或反射出的光线以及从外界透射进入的太阳光线。

进一步地，所述第一遮光层和所述第二遮光层与所述光波导层之间具有间隙。

进一步地，所述第一遮光层和所述第二遮光层对可见光波段的吸收率大于60％。

进一步地，所述光波导层包括至少一层光波导。

进一步地，所述光波导表面设置有耦入区域和耦出区域，所述耦入区域被配置为使得入射的所述图像光线被耦合到所述光波导中并沿所述光波导传导至所述耦出区域，所述耦出区域被配置为将所述波导中的图像光线射出。

进一步地，所述第一遮光层在所述光波导层表面的投射区域覆盖所述耦入区域在所述光波导层表面的投射区域，且所述第一遮光层在所述光波导层表面的投射区域和所述耦出区域在所述光波导层表面的投射区域相离设置。

进一步地，所述第二遮光层在所述光波导层表面的投射区域覆盖所述耦出区域在所述光波导层表面的投射区域，且所述第二遮光层在所述光波导层表面的投射区域和所述图像单元在所述光波导层表面的投射区域相离设置。

进一步地，所述耦入区域和所述耦出区域为周期性光栅结构。

进一步地，所述光波导层包括第一光波导和第二光波导，所述第一光波导和所述第二光波导之间设置有粘连层，所述第一光波导用于调制蓝色和绿色波段光，所述第二光波导用于绿色和红色波段光。

本发明还提供一种车辆，包括如上所述的增强现实抬头显示装置。

本发明的有益效果在于：本发明所示的增强现实抬头显示装置通过在光波导层的一侧设置第一遮光层用以吸收从光波导层透射出的光线，在光波导层的另一侧设置第二遮光层用以吸收从光波导层透射和/或反射出的光线以及从外界透射进入的太阳光线，从而消除杂光干扰，提高反射单元将图像光线反射至人眼并产生虚像的质量，该增强现实抬头显示装置具备大视场、小体积、远虚像距离的性能、且结构简单，同时适用于大多数挡风玻璃，具备高的量产普适性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为现有技术中传统W-HUD方案的光路示意图；

图2为本申请一实施例所示的增强现实抬头显示装置的光路示意图；

图3为图2中所示的光波导的结构示意图；

图4为图2中所示的无第一遮光层的增强现实抬头显示装置的部分光路示意图示意图；

图5为图2中所示的具有第一遮光层的增强现实抬头显示装置的部分光路示意图示意图；

图6为图2中所示的无第二遮光层的增强现实抬头显示装置的部分光路示意图示意图；

图7为图2中所示的具有第二遮光层的增强现实抬头显示装置的部分光路示意图示意图；

图8为图2中所示的单片波导的光路示意图示意图；

图9为图2中所示的双片双通道光波导光路示意图示意图；

图10为光波导对图像光线的吸收、反射和透射效率与波长的关系图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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机构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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请参见图2，本发明一实施例所示的增强现实抬头显示装置，其包括图像单元1、光波导单元2和反射单元3。图像单元1用于产生图像光线，且引导图像光线入射至光波导单元2的表面。光波导单元2将图像光线传导，同时增加出瞳扩展，并朝向反射单元3射出。光波导单元2射出的图像光线照射到反射单元3上，反射单元3将照射其上的图像光线反射至人眼并产生虚像。

增强现实抬头显示装置的抬头显示原理为：图像单元1发出一定视场角的图像光线，该图像光线入射光波导单元2，经光波导单元2出瞳扩展后出射，出射的图像光线经反射单元3以一定反射角反射至人眼，人眼即可透过反射单元3看到一定投影距离的虚像。

光波导单元2包括光波导层21、以及设置在光波导层21一侧的第一遮光层22和设置在光波导层21另一侧的第二遮光层23，第一遮光层22用以吸收从光波导层21透射出的光线，第二遮光层23用以吸收从光波导层21透射和/或反射出的光线以及从外界透射进入的太阳光线。

第一遮光层22和第二遮光层23与光波导层21之间具有间隙，以此吸收从光波导层21透射出或反射出的光线，避免吸收光波导层21内的光线。关于间隙的具体在此不做具体限定，可根据实际需要进行设置。

第一遮光层22和第二遮光层23对可见光波段的吸收率大于60％，即，第一遮光层22和第二遮光层23可为对可见光波段的吸收率大于60％的结构或对可见光波段的吸收率大于60％的材料制备得到，具体的材料和结构在此不一一列举，可根据实际需要进行选择。

请参见图3，光波导层21包括至少一层光波导211，可以是一层光波导211、两层光波导211或三层光波导211等等。光波导211表面设置有耦入区域212和耦出区域213，耦入区域212被配置为使得入射的图像光线被耦合到光波导211中并沿光波导211传导至耦出区域213，耦出区域213被配置为将光波导211中的图像光线射出。图像光线经过耦入区域212，在光波导211内部发生衍射和全反射，衍射和全反射的图像光线经过光波导211内多次传导，图像光线布满整个耦出区域213并在耦出区域213射出，从而实现出瞳扩展。光波导211将耦入的光线在满足全反射的条件下，能够向特定方向持续传导，光波导211的透过率大于80％，光波导211可以为玻璃、树脂或者在可见光下透过率大于80％的材料，在此不一一列举。光波导211的厚度小于2mm，光波导211的具体厚度在此不做具体限定，可根据实际需要进行设置。

耦入区域212和耦出区域213为具备衍射特性的结构单元，本质为具备折射率梯度且可实现光线衍射传导的纳米结构，具体的，耦入区域212和耦出区域213都为周期性光栅结构，如纳米级的浮雕光栅或体全息光栅，周期性光栅结构可以直接制作在光波导211上，也可以预先制作在薄膜上，再将载有光栅结构的薄膜与光波导211结合。形成耦入区域212和耦出区域213的光栅结构底部可位于光波导211表面上或者光波导211内。

耦入区域212和耦出区域213可以均可为矩形，其中，耦入区域212也可以采用圆形或其它形状，根据需要而定。耦入区域212和耦出区域213沿同一轴线排布在光波导211的同一面的两侧或不同面的两侧，本实施例中，耦入区域212和耦出区域213位于光波导211的同一表面上且两者之间具有间距。光栅结构可采用全息干涉技术、光刻技术或纳米压印技术制备而成，根据实际需要可自由选择。

耦入区域212优选为倾斜浮雕光栅，图像光线在耦入区域212位置入射，通过衍射过程被耦合至光波导211内。倾斜设置的衍射光栅对波长具有选择性，避免色散，针对某一波段具有较高的衍射效率。耦出区域213的光栅结构的周期和取向和耦入区域212的光栅一致，其可为正光栅或者倾斜光栅。

通过设计光栅结构的周期、深度、占空比及倾斜角度等参数，对特定波长或波段的光进行高效率选择，实现波长选择性功能。比如，对绿色图像光线进行耦合，继而在波导内弯折传导，对蓝色和红色图像光线不作用，实现单通道光线衍射。或者对蓝色和红色波段的光进行高效率选择，实现双通道光线衍射。单通道衍射的光波导211只对某一颜色图像光进行传导，其余颜色图像光通过该光波导211，实现光线之间互不干涉。

此外，光波导211表面还可以设置有转折区域(未图示)，转折区域用于改变图像光线在光波导211内的传播方向。当图像光线入射至耦入区域212后，图像光线在光波导211内全反射至转折区域，转折区域改变图像光线的传播方向，使改变方向后的图像光线全反射至耦出区域213，可以对输出图像进行有效扩瞳，从而扩大了视角范围，更能满足用户需求。

请参见图4和图5，光波导单元2若未设置第一遮光层22，则在光波导层21中传导的图像光线即使经过多重光波导211后，仍然会有部分图像光线透过光波导211射出，尤其是，无论图像光线是垂直入射还是斜入射至耦入区域212，仅部分光线会衍射后在光波导211内传导，0级衍射光线都会透过光波导211射出。这部分图像光线会经任意具备反射特性的面反射或漫反射，经过反射或漫反射后的光线会再次入射至光波导211内，引入杂散光，影响成像质量。请参见图10，在可见光波段，图像光线从耦入区域212进入到光波导211后，会有部分光线从光波导211的相对耦入区域212的另一侧透射出去。其中，随着图像光线的波长的增加，光波导211对图像光线的反射效率逐渐减小，而透射效率逐渐增大，吸收效率始终接近于0。而光波导单元2设置有第一遮光层22，则第一遮光层22将透过光波导211射出的图像光线吸收，避免了其经过反射或漫反射后再次入射至光波导211内，提高了成像质量。

第一遮光层22和耦入区域(未图示)相对设置在光波导211的两侧，第一遮光层22在光波导层21表面的投射区域覆盖耦入区域在光波导层21表面的投射区域，且第一遮光层22在光波导层21表面的投射区域和耦出区域(未图示)在光波导层21表面的投射区域相离设置，从而最大限度地吸收从光波导层21表面透射出的光线。即，第一遮光层22在光波导层21表面的投射区域覆盖的最大范围为除耦出区域在光波导层21表面的投射区域以外的面积，最小范围为耦入区域在光波导层21表面的投射区域。

请参见图6和图7，光波导单元2若未设置第二遮光层23，则在光波导层21中传导的图像光线即使经过多重光波导211后，会在耦出区域213相对反射单元3的一侧透射出光线以及外界的太阳光线经过反射单元3也会进入光波导211后从耦出区域213相对反射单元3的一侧透射出光线，同时在图像光线入射光波导211时，也会有部分光线经过光波导211表面反射，这些光线会经任意具有反射特性的面所反射或漫反射，经过反射或漫反射后的光线会再次入射至光波导211内，引入杂散光，影响成像质量。而光波导单元2设置有第二遮光层23，则第二遮光层23将这些光线吸收，避免了其经过反射或漫反射后再次入射至光波导211内，提高了成像质量。

第二遮光层23和耦出区域(未图示)设置在光波导211的两侧，第二遮光层23在光波导层21表面的投射区域覆盖耦出区域在光波导层21表面的投射区域，且第二遮光层23在光波导层21表面的投射区域和图像单元1在光波导层21表面的投射区域相离设置，从而最大限度地吸收从光波导层21表面透射出或/和反射出的光线。即，第二遮光层23在光波导层21表面的投射区域覆盖的最大范围为除图像单元1在光波导层21表面的投射区域以外的面积，最小范围为耦出区域在光波导层21表面的投射区域。

通过设置耦入区域212和耦出区域213的光栅结构的尺寸、两者之间的距离、光栅的具体结构，光波导211的厚度尺寸以及第一遮光层22和第二遮光层23的位置和尺寸，可以实现图像光线经耦入区域212衍射耦入，光线经光波导211衍射并传送至耦出区域213，而光波导211表面透射出和反射出的光线被第一遮光层22或第二遮光层23吸收，并由耦出区域213出射并照射至反射单元3，光线由反射单元3反射至人眼，在人眼前方形成图像的虚像。

请参见图8，光波导层21包括单片光波导211，光波导211表面设置有耦入区域212和耦出区域213，单片光波导211为彩色光波导镜片用于实现彩色增强现实显示，包含红绿蓝三色图像光线入射单片光波导211，各色图象光线经耦入区域212衍射弯折，经耦出区域213出射，光线经彩色波导镜片出射综合，实现彩色增强现实显示。

请参见图9，光波导层21包括双片双通道光波导，具体为第一光波导214和第二光波导215，第一光波导214和第二光波导215之间设置有粘连层216，第一光波导214用于调制蓝色和绿色波段光，第二光波导215用于绿色和红色波段光。通过组合两片双通道光波导，实现红绿蓝三色光调制，达到彩色增强现实显示效果。

请参见图2，光波导层21包括三片光波导211，三片光波导211分别调控红绿蓝三种颜色中的一种，且调控不同颜色，实现红绿蓝三色光调制，达到彩色增强现实显示效果。关于光波导211的具体数量及其调控何种颜色在此不做具体限定，可根据实际需要进行设置，在此不再一一列举。

本发明还提供一种车辆，包括如上所示的增强现实抬头显示装置，在挡风玻璃前方形成虚像。车辆可以是骑车、电动汽车等，例如，纯电动汽车、增程式电动汽车、混合动力电动汽车、燃料电池汽车、新能源汽车等，对此不做具体限定。

综上，本发明所示的增强现实抬头显示装置通过在光波导层的一侧设置第一遮光层用以吸收从光波导层透射出的光线，在光波导层的另一侧设置第二遮光层用以吸收从光波导层透射和/或反射出的光线以及从外界透射进入的太阳光线，从而消除杂光干扰，提高反射单元将图像光线反射至人眼并产生虚像的质量，该增强现实抬头显示装置具备大视场、小体积、远虚像距离的性能、且结构简单，同时适用于大多数挡风玻璃，具备高的量产普适性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种增强现实抬头显示装置，其特征在于，包括图像单元、光波导单元和反射单元，所述图像单元用于产生图像光线，且引导所述图像光线入射至所述光波导单元的表面，所述光波导单元将所述图像光线传导并朝向所述反射单元射出，所述反射单元将所述图像光线反射至人眼并产生虚像，所述光波导单元包括光波导层、以及设置在所述光波导层一侧的第一遮光层和设置在所述光波导层另一侧的第二遮光层，所述第一遮光层用以吸收从所述光波导层透射出的光线，所述第二遮光层用以吸收从所述光波导层透射和/或反射出的光线以及从外界透射进入的太阳光线。

2.如权利要求1所述的增强现实抬头显示装置，其特征在于，所述第一遮光层和所述第二遮光层与所述光波导层之间具有间隙。

3.如权利要求1所述的增强现实抬头显示装置，其特征在于，所述第一遮光层和所述第二遮光层对可见光波段的吸收率大于60％。

4.如权利要求1所述的增强现实抬头显示装置，其特征在于，所述光波导层包括至少一层光波导。

5.如权利要求4所述的增强现实抬头显示装置，其特征在于，所述光波导表面设置有耦入区域和耦出区域，所述耦入区域被配置为使得入射的所述图像光线被耦合到所述光波导中并沿所述光波导传导至所述耦出区域，所述耦出区域被配置为将所述波导中的图像光线射出。

6.如权利要求5所述的增强现实抬头显示装置，其特征在于，所述第一遮光层在所述光波导层表面的投射区域覆盖所述耦入区域在所述光波导层表面的投射区域，且所述第一遮光层在所述光波导层表面的投射区域和所述耦出区域在所述光波导层表面的投射区域相离设置。

7.如权利要求5所述的增强现实抬头显示装置，其特征在于，所述第二遮光层在所述光波导层表面的投射区域覆盖所述耦出区域在所述光波导层表面的投射区域，且所述第二遮光层在所述光波导层表面的投射区域和所述图像单元在所述光波导层表面的投射区域相离设置。

8.如权利要求5所述的增强现实抬头显示装置，其特征在于，所述耦入区域和所述耦出区域为周期性光栅结构。

9.如权利要求1所述的增强现实抬头显示装置，其特征在于，所述光波导层包括第一光波导和第二光波导，所述第一光波导和所述第二光波导之间设置有粘连层，所述第一光波导用于调制蓝色和绿色波段光，所述第二光波导用于绿色和红色波段光。

10.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的增强现实抬头显示装置。

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