CN116224584A - 一种抬头显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抬头显示装置，包括像源、透镜组和波导组件；波导组件包括至少一层波导基底，波导基底包括至少一个耦入区域和至少一个耦出区域；耦入区域位于波导基底靠近像源的一侧；耦出区域位于波导基底远离像源的一侧或靠近像源的一侧；像源出射图像光束至透镜组；透镜组调整图像光束的传播方向并将图像光束出射至耦入区域；图像光束由耦入区域耦入波导基底，图像光束在波导基底内传播至耦出区域后由耦出区域耦出；图像光束由耦出区域出射波导基底至成像元件，由成像元件反射形成虚像。本发明实施例的技术方案，使用透镜组和波导组件替代传统非球面反射镜和自由曲面镜的组合结构，可减小抬头显示装置的体积，提升抬头显示装置的性能稳定性。

Description

一种抬头显示装置

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种抬头显示装置。

背景技术

抬头显示(HUD)系统作为人机交互方案的重要组成部分，是车辆未来实现智能化、网联化以及车辆人机交互的重要系统组成，根据HUD系统的产品成像方式和成像形态的不同，大致可以分为第一代C-HUD组合型、第二代W-HUD挡风玻璃型以及第三代AR-HUD增强现实型。

市面上的一些HUD是通过大曲面镜实现，由于曲面镜体积较大导致想进一步缩小HUD体积非常困难，且HUD中曲面镜属于复杂高精密零件，价格较高。

发明内容

本发明提供了一种抬头显示装置，以解决现有的抬头显示装置使用自由曲面镜和非球面镜组合光路结构进行光路调整，造成的装置体积过大，以及影响抬头显示装置布局的问题。

根据本发明的一方面，提供了一种抬头显示装置，其中，包括像源、透镜组和波导组件；所述波导组件包括至少一层波导基底，所述波导基底包括至少一个耦入区域和至少一个耦出区域；

所述耦入区域位于所述波导基底靠近所述像源的一侧；所述耦出区域位于所述波导基底远离所述像源的一侧或靠近所述像源的一侧；

所述像源出射图像光束至所述透镜组；所述透镜组调整所述图像光束的传播方向并将所述图像光束出射至所述耦入区域；所述图像光束由所述耦入区域耦入所述波导基底，所述图像光束在所述波导基底内传播至所述耦出区域后由所述耦出区域耦出；所述图像光束由所述耦出区域出射所述波导基底至成像元件，由所述成像元件反射形成虚像。

可选的，所述的抬头显示装置还包括至少两个反射单元；所述透镜组包括多个球面透镜；所述反射单元和多个所述球面透镜设置于所述图像光束的传播光路上；

所述反射单元用于反射所述图像光束，缩短所述图像光束的光程。

由于在具体设计抬头显示装置时，有很多限制因素，例如结构空间限制，这样一来目镜(也就是上述透镜组)的长度是有限的，并且通常抬头显示装置中的透镜一般是玻璃材料，玻璃很难做自由面型加工，因此本申请采用多块球面的透镜，相比于自由曲面的加工难度低、成本低、公差敏感性低，使得采用多块球面透镜作为目镜的抬头显示装置的光学质量更加稳定，用户体验更好。

可选的，多个所述反射单元包括第一反射单元和第二反射单元和第三反射单元；所述透镜组包括第一透镜组和第二透镜组；所述第一透镜组和所述第二透镜组均包括多个所述球面透镜；

所述第一透镜组、所述第一反射单元、所述第二反射单元、所述第二透镜组以及所述第三反射单元依次设置于所述像源出射所述图像光束的光路上；所述第一反射单元和所述第二反射单元相对设置，所述第一反射单元与所述图像光束的主光轴成第一预设夹角，所述第二反射单元与所述图像光束的主光轴成第二预设夹角；所述第三反射单元与所述图像光束的主光轴成第三预设夹角；

所述像源出射图像光束至所述第一透镜组；所述第一透镜组调整所述图像光束的传播方向并将所述图像光束出射至所述第一反射单元；所述第一反射单元反射所述图像光束至所述第二反射单元；所述第二反射单元反射所述图像光束至所述第二透镜组；所述第二透镜组调整所述图像光束的传播方向并将所述图像光束传播至所述第三反射单元，所述第三反射单元将所述图像光束反射至所述耦入区域，其中所述第三反射单元反射至所述耦入区域的图像光束和所述耦入区域垂直。

可选的，所述第一透镜组包括平凸透镜和凸凹透镜；所述第二透镜组包括第一双凸透镜、双凹透镜和第二双凸透镜；

所述平凸透镜、所述凸凹透镜、所述第一双凸透镜、所述双凹透镜和所述第二双凸透镜依次沿所述图像光束的光路设置；所述平凸透镜的平面位于所述平凸透镜靠近所述像源的一侧。

可选的，所述平凸透镜包括平面S1和曲率半径为R2的球面S2；所述平凸透镜光轴上的中心厚度为h1，孔径为φ1*φ2；R2＝-163.276mm，所述h1＝5mm，所述φ1*φ2＝70mm*40mm；

所述凸凹透镜包括曲率半径为R3和R4的两个球面S3和S4；所述凸凹透镜光轴上的中心厚度为h2，孔径为φ3*φ4；所述R3＝422.81mm，所述R4＝57.17mm，所述h2＝5mm，所述φ3*φ4＝60mm*60mm；

所述第一双凸透镜包括曲率半径为R5和R6的两个球面S5和S6；所述第一双凸透镜光轴上的中心厚度为h3，孔径为φ5*φ6；所述R5＝283.182mm，所述R6＝-200mm，所述h3＝30mm，所述φ5*φ6＝150mm*50mm；

所述双凹透镜包括曲率半径为R7和R8的两个球面S7和S8；所述双凹透镜光轴上的中心厚度为h4，孔径为φ7*φ8；所述R7＝-429.56mm，所述R8＝152.78mm，所述h4＝5mm，所述φ7*φ8＝150mm*60mm；

所述第二双凸透镜包括曲率半径为R9和R10的两个球面S9和S10；所述第二双凸透镜光轴上的中心厚度为h5，孔径为φ9*φ10；所述R9＝169.90mm，所述R10＝-173.70mm，所述h5＝32.91mm，所述φ9*φ10＝150mm*60mm。

可选的，所述像源包括背光单元和图像显示单元；所述背光单元包括多个发光结构和准直结构；所述图像显示单元位于所述背光单元出射的所述图像光束对应图像光线的光路上；

多个所述发光结构沿第一方向平行排布，沿第二方向交错排布；多个所述发光结构被配置为可以单独调整在所述第二方向平行的所述发光结构的亮度；

多个所述发光结构出射所述图像光线至所述准直结构；所述图像光线经所述准直结构准直后出射至所述图像显示单元，所述图像显示单元根据所述图像光线成像并出射所述图像光束；

其中，所述第一方向和所述第二方向相交。

可选的，多个所述发光结构包括红色发光单元、绿色发光单元和蓝色发光单元；

所述红色发光单元、所述绿色发光单元和所述蓝色发光单元依次沿所述第一方向平行排布，沿所述第二方向交错排布；

多个所述发光结构被配置为相邻三个所述发光结构包括所述红色发光单元、所述绿色发光单元和所述蓝色发光单元，以及沿所述第二方向平行设置的所述发光结构为所述红色发光单元、所述绿色发光单元和所述蓝色发光单元的其中一种，且可以单独调节沿所述第二方向平行设置的所述发光结构的亮度。

可选的，所述像源还包括匀光结构；所述匀光结构位于所述准直结构靠近所述图像显示单元的一侧。

可选的，所述的抬头显示装置还包括分光结构；

所述分光结构位于所述像源出射所述图像光束的光路上，用于将所述图像光束分为不同波段的图像光束；所述不同波段的图像光束包括第一波段、第二波段和第三波段；

所述第一波段、第二波段和第三波段的图像光束在所述波导基底内分别传输。

可选的，所述波导基底包括叠层设置的第一波导基底和第二波导基底；

所述第一波导基底位于所述第二波导基底靠近所述分光结构的一侧；所述第二波导基底位于所述第一波导基底远离所述分光结构的一侧；

所述第一波导基底用于传输所述第一波段和所述第二波段的图像光束；所述第二波导基底用于传输所述第二波段和所述第三波段的图像光束。

可选的，所述波导基底包括叠层设置的第三波导基底、第四波导基底和第五波导基底；

所述第三波导基底位于所述第四波导基底靠近所述分光结构的一侧；所述第五波导基底位于所述第四波导基底远离所述分光结构的一侧；

所述第三波导基底用于传输所述第一波段的图像光束；所述第四波导基底用于传输所述第二波段的图像光束；所述第五波导基底用于传输所述第三波导的图像光束。

可选的，在所述耦入区域和所述耦出区域之间还包括转折区域；由所述耦入区域耦入所述波导基底的图像光束经所述转折区域扩展至所述耦出区域，并由所述耦出区域耦出所述波导基底。

可选的，所述波导组件包括衍射光波导或阵列光波导。

本发明实施例的技术方案，使用透镜组对像源出射图像光束进行传播方向调整，使用波导组件进行图像光束的耦入耦出实现一维或二维扩瞳，一方面对于研发人员来说，没有采用传统的价格较为昂贵的大曲面镜的方式，成本更低，有利于产品的量产，并且产品体积更小，可以使产品适用范围更广。另一方面对于用户来说，更小的产品体积，利于优化抬头显示装置的整体架构，为其他装置留出更大的空间，从而可以提高用户体验。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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第一种抬头显示装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的第二种抬头显示装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种透镜组的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种像源的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种发光结构的结构示意图；；

图6为本发明实施例提供的第三种抬头显示装置的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的第四种抬头显示装置的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种波导组件的俯视结构示意图；

图9为本发明实施例提供的第四种抬头显示装置的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的一种二维波导组件的结构示意图。

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的实施例，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。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1为本发明实施例提供的第一种抬头显示装置的结构示意图，如图1所示，抬头显示装置包括像源100、透镜组200和波导组件300；波导组件300包括至少一层波导基底310，所述波导基底包括至少一个耦入区域320和至少一个耦出区域330；耦入区域320位于波导基底310靠近像源100的一侧。耦出区域330位于波导基底310背离像源100的一侧或靠近像源100的一侧(图1未示出)。像源100出射图像光束至透镜组200；透镜组200调整图像光束的传播方向并将图像光束出射至耦入区域320；图像光束由耦入区域320耦入波导基底310，图像光束在波导基底310内传播至耦出区域330后由耦出区域330耦出；图像光束由耦出区域330出射波导基底310至成像元件400，由成像元件400反射进入人眼成虚像。

其中，像源100包括但不限于例如背光线路板(配置有多个灯珠)的发光结构，以及例如液晶显示屏的图像显示结构，也可以根据对于成像质量的要求，设置用于对发光结构出射光线准直的准直结构，例如TIR透镜。透镜组200为根据实际成像需求以及抬头显示装置的整体布局设置的多个透镜，在具体实施时可以包括多个用于聚焦的双凸透镜和用于发散的双凹透镜，也可以根据像源100出射的图像光束的质量，设置用于汇聚发散图像光束的平凸透镜。波导组件300包括但不限于衍射光波导或阵列光波导，波导基底310的层数可以根据实际图像显示需求进行设置，例如设置3层波导基底，用于分别传输红绿蓝三色图像光束。耦入区域320包括但不限于耦入光栅，耦出区域330包括但不限于耦出光栅，在具体实施时可以根据波导组件300的实际结构进行设定，例如在波导组件300为衍射光波导时，耦入区域320可以包括表面浮雕光栅(SRG)或全息体光栅(VHG)，例如在波导组件300为阵列光波导时，耦出区域330可以包括至少一组设置于波导基底内的出瞳分光膜。成像元件400包括但不限于挡风玻璃，也可以根据实际需求设定为其他形式的成像元件。

具体而言，像源100出射图像光束至透镜组200，透镜组200对图像光束的传播方向进行调整，使得由像源100出射的发散的图像光束可以垂直入射至至耦入区域320，并由耦入区域320耦入波导基底310，并在波导基底310内全反射传播至耦出区域330后耦出，可以理解的是，图像光束在波导基底100内全反射传播至耦出区域330靠近耦入区域320的一侧，由于耦出区域330具有一定范围，部分图像光束可以耦出波导基底310，另一部分图像光束继续在波导基底310内全反射传播，再次入射至耦出区域时，同理，部分图像光束耦出，另一部分继续全反射传播，进而实现了沿图像光束在波导基底100内全反射传播方向的扩瞳。由耦出区域330耦出波导基底310的图像光束入射至成像元件400，经成像元件反射形成虚像，从而被人眼观看到。

本发明实施例的技术方案，使用透镜组对像源出射图像光束进行传播方向调整，使得像源出射的发散的图像光束能够垂直入射至耦入区域，使得图像光束的入射角度能够满足耦入角度需求，进而保证了耦入效率。使用波导组件进行图像光束的耦入耦出以及全反射传播实现一维或二维方向的扩瞳，解决了传统非球面反射镜和自由曲面镜的组合结构造成抬头显示装置体积过大的问题，实现了优化整体装置布局，提高用户体验的技术效果。

可选的，图2为本发明实施例提供的第二种抬头显示装置的结构示意图，如图2所示，抬头显示装置还包括至少两个反射单元500；透镜组200包括多个球面透镜201(图2未示出)；反射单元500和多个球面透镜201(图2未示出)设置于图像光束的传播光路上；反射单元500用于反射图像光束，缩短图像光束的光程。

其中，反射单元500的个数可以根据抬头显示装置的实际组件的空间排布进行设定，在此不做限定。球面透镜201的种类可以根据实际的FOV(视场角)以及VID(虚像距离)进行设定。

具体而言，由于抬头显示装置的实际工作过程是搭载于车辆等载具前方，若装置体积过大会影响载具内其余装置的布置以及用户的视野，设置反射单元500反射图像光束，使得光路偏折进而缩短了图像光束的光程。且由于空间限制，透镜组200在实际工况下所占据的包括长度等是有限的，因此若要实现调整图像光束的传播方向达到所需要的FOV和VID需要更加精密的透镜自由曲面型，但由于玻璃等材质很难达到很高精度的面型制作，因此采用多块球面透镜，相较于自由曲面的加工难度第，成本低，且公差敏感性低，光学质量更为稳定。

可选的，继续参考图2，多个反射单元500包括第一反射单元510、第二反射单元520和第三反射单元530；透镜组200包括第一透镜组210和第二透镜组220；第一透镜组210和第二透镜组220均包括多个球面透镜201(图2未示出)；第一透镜组210、第一反射单元510以及第二反射单元520、第二透镜组220以及第三反射单元530依次设置于像源100出射图像光束的光路上；第一反射单元510和第二反射单元520相对设置，第一反射单元510与图像光束的主光轴成第一预设夹角，第二反射单元520与图像光束的主光轴成第二预设夹角；第三反射单元与图像光束的主光轴成第三预设夹角。

继续参考图2，像源100出射图像光束至第一透镜组210；第一透镜组210调整图像光束的传播方向并将图像光束出射至第一反射单元510；第一反射单元510反射图像光束至第二反射单元520；第二反射单元520反射图像光束至第二透镜组220；第二透镜组220调整图像光束的传播方向并将图像光束传播至第三反射单元530，第三反射单元530将图像光束反射至耦入区域320。其中，第一透镜组210和第二透镜组220的透镜组成可以根据实际成像需求进行设定，例如根据图像显示清晰度以及FOV(视场角)和VID(虚像距离)设置透镜的透镜参数以及透镜种类。第一反射单元510、第二反射单元520和第三反射单元530的设置位置以及第一预设夹角、第二预设夹角和第三预设夹角的实际数值，可以根据抬头显示装置的布局需求以及体积需求进行设定，在此不做限定。

具体而言，像源100出射图像光束出射至第一透镜组210，经第一透镜组210调整传播方向出射至第一反射单元510，经第一反射单元510反射至第二反射单元520，经第二反射单元520反射的图像光束入射至第二透镜组220，第二透镜组220对图像光束的传播方向进行调整并将图像光束出射至第三反射单元530，第三反射单元530将图像光束反射至耦入区域320。。

综上所述，本发明实施例的技术方案，通过将用于调整图像光束传播方向的透镜组进行进一步细化为多个沿光路设置的球面透镜组成的透镜组，并在两个透镜组分部之间设置用于偏折光路的反射单元，在实现调整光路，满足用户需求的FOV以及VID的同时，实现图像光束的光路偏折，缩短了图像光束的光程，并将图像光束垂直入射至波导组件，进一步减小了抬头显示装置的体积的同时，保证了耦入效率。

可选的，图3为本发明实施例提供的一种透镜组的结构示意图，如图3所示，第一透镜组210包括平凸透镜211和凸凹透镜212；第二透镜组220包括第一双凸透镜221、双凹透镜222和第二双凸透镜223；平凸透镜211、凸凹透镜222、第一双凸透镜223、双凹透镜222和第二双凸透镜223依次沿图像光束的光路设置；平凸透镜211的平面位于平凸透镜靠近像源100的一侧。

具体而言，在具体实施时，平凸透镜211、凸凹透镜212、第一双凸透镜221、双凹透镜222和第二双凸透镜223的透镜参数以及透镜间的实际距离，均可以根据成像需求进行设定，本发明实施例对此不做限定。

可选的，继续参考图3，平凸透镜211包括平面S1和曲率半径为R2的球面S2；平凸透镜211光轴上的中心厚度为h1，孔径为φ1*φ2；R2＝-163.276mm；h1＝5mm，φ1*φ2＝70mm*40mm；凸凹透镜212包括曲率半径为R3和R4的两个球面S3和S4；凸凹透镜212光轴上的中心厚度为h2，孔径为φ3*φ4；R3＝422.81mm，R4＝57.17mm，h2＝5mm，φ3*φ4＝60mm*60mm；第一双凸透镜221包括曲率半径为R5和R6的两个球面S5和S6；第一双凸透镜221光轴上的中心厚度为h3，孔径为φ5*φ6；R5＝283.182mm，R6＝-200mm，h3＝30mm，φ5*φ6＝150mm*50mm；双凹透镜222包括曲率半径为R7和R8的两个球面面S7和S8；双凹透镜222光轴上的中心厚度为h4，孔径为φ7*φ8；R7＝-429.56mm，R8＝152.78mm，h4＝5mm，φ7*φ8＝150mm*60mm；第二双凸透镜223包括曲率半径为R9和R10的两个球面S9和S10；第二双凸透镜223光轴上的中心厚度为h5，孔径为φ9*φ10；R9＝169.90mm，R10＝-173.70mm，h5＝32.91mm，φ9*φ10＝150mm*60mm。

具体而言，图像光束入射进入由平面S1进入平凸透镜211，依次经过第一双凹透镜212、第一双凸透镜221、第二双凹透镜222和第二双凸透镜223，图像光束的实现传播光路的调整，并在有限光路内，获得一定VID和FOV。

可选的，图4为本发明实施例提供的一种像源的结构示意图，图5为本发明实施例提供的一种发光结构的结构示意图。如图4和图5所示，像源100包括背光单元110和图像显示单元120；背光单元110包括对个发光结构111和准直结构112；图像显示单元120位于背光单元110出射图像光束对应图像光线的光路上；多个发光结构111沿第一方向1平行排布，沿第二方向2交错排布；多个发光结构110被配置为可以单独调整在第二方向2平行的发光结构110的亮度；多个发光结构110出射图像光线至准直结构112；图像光线经准直结构112准直后出射至图像显示单元120；图像显示单元120根据图像光线成像并出射图像光束；其中第一方向1与第二方向2橡胶。

其中，发光结构111的个数以及实际规格和种类可以根据实际成像需求进行设定，在此不做限定，例如LED灯珠。图像显示单元120包括但不限于LCD(液晶显示屏)。准直结构112包括但不限于全内反射(total internal reflection，TIR)透镜。

具体而言，在具体实施时，发光结构111多为单色灯珠，每相邻的三个发光结构111分别发出红光、绿光、蓝光，这三个单色光在传播过程中混合形成白光。

在一些情况下，白光入射至波导组件后进一步由耦出区域330耦出的图像光束，同一颜色的光束随着耦出的距离不同会发生变色，不同颜色的光束亮度不同，进一步为了解决色散问题，本申请的一些实施例中通过单独控制每一列的三个灯珠的亮度，可以补偿图像光束由耦出区域330耦出后产生的变色和亮度不均匀的问题，进一步提升成像效果。

可选的，继续参考图5，多个发光结构111包括红色发光单元1111、绿色发光单元1112和蓝色发光单元1113。红色发光单元1111、绿色发光单元1112和蓝色发光单元1113依次沿第一方向1平行排布，沿第二方向2交错排布；多个发光结构111被配置为相邻三个发光结构111分别为红色发光单元1111、绿色发光单元1112和蓝色发光单元1113，以及沿第二方向2平行设置的发光结构111为红色发光单元1111、绿色发光单元1112和蓝色发光单元1113的其中一种，且可以单独调节沿第二方向2平行的发光结构111的亮度。

其中，红色发光单元111、绿色发光单元112和蓝色发光单元113在多个发光结构110所占的比例以及亮度可以根据实际需求进行设定，在此不做限定。

具体而言，在实际应用过程中，通过调节三色发光单元的各自的亮度，使得相邻三个发光结构110发出的三色光线形成白光后，经耦出区域330耦出波导基底310时，亮度能够更加均匀且无色散现象。

可选的，继续参考图4，像源100还包括匀光结构130；匀光结构130位于准直结构112靠近图像显示单元的一侧。

其中，匀光结构130包括但不限于MLA微透镜阵列。

具体而言，发光结构111出射的图像光线经准直结构准直以及匀光结构130匀光后出射至图像显示单元120，保证了图像显示单元120出射图像光束以及抬头显示装置成像的质量。

可选的，图6为本发明实施例提供的第三种抬头显示装置的结构示意图，如图6所示，本发明实施例提供的抬头显示装置还包括分光结构600；分光结构600位于像源100出射图像光束的光路上，用于将图像光束分为不同波段的图像光束；不同波段的图像光束包括第一波段、第二波段和第三波段；第一波段、第二波段和第三波段的图像光束在波导基底310内分别传输。

其中，分光结构600包括但不限于偏振片，也可以是棱镜等光学器件，实际结构和种类可以根据实际需求进行设定，在此不做限定。第一波段可以为蓝光波段，第二波段可以为绿光波段，第三波段可以为红光波段。

具体而言，通过分光结构600将图像光束分为不同波段的光束进而通过不同的波导基底实现不同波段图像光束的传输，进而提高了传输效率。

可选的，继续参考图6，波导基底310包括叠层设置的第一波导基底311和第二波导基底312；第一波导基底311位于第二波导基底312靠近分光结构600的一侧；第二波导基底312位于第一波导基底311远离分光结构600的一侧；第一波导基底311用于传输第一波段和第二波段的图像光束；第二波段基底312用于传输第二波段和第三波段的图像光束。其中，第一波导基底311和第二波导基底312的实际规格可以根据实际传输图像光束所在波段进行设定，在此不做限定。

具体而言，设置两层波导基底，并通过分光结构600对图像光束进行分光，使得不同波段的图像光束得到精准传输，进而提高了成像质量。

可选的，图7为本发明实施例提供的第四种抬头显示装置的结构示意图，如图7所示，波导基底310包括叠层设置的第三波导基底313、第四波导基底314和第五波导基底315；第三波导基底313位于第四波导基底314靠近分光结构600的一侧；第五波导基底315位于第四波导基底314远离分光结构600的一侧；第三波导基底313用于传输第一波段的图像光束；第四波导基底314用于传输第二波段的图像光束；第五波导基底315用于传输第三波导的图像光束。

其中，第三波导基底313、第四波导基底314和第五波导基底315的实际规格可以根据实际传输图像光束所在波段进行设定，在此不做限定。

具体而言，设置三层波导基底，并通过分光结构600对图像光束进行分光，使得不同波段的图像光束得到精准传输，进而提高了成像质量。

可选的，图8为本发明实施例提供的一种波导组件的俯视结构示意图，如图8所示，在耦入区域320和耦出区域330之间还包括转折区域340；由耦入区域320耦入波导基底310的图像光束经转折区域340扩展至耦出区域330，并由耦出区域330耦出耦出波导基底310。

其中，转折区域340包括但不限于转折光栅(fold/turn grating)340，转折区域340的设置位置可以根据耦入区域320和耦出区域330的位置进行设定，在此不做限定。

具体而言，由耦入区域320耦入波导基底310的图像光束全反射传播至转折区域340，经转折区域340扩展至耦出区域330，并由耦出区域330耦出波导基底310，进而实现了二维扩瞳。

在另一具体实施例中，还提供了一种抬头显示装置，图9为本发明实施例提供的第四种抬头显示装置的结构示意图，如图9所示，该抬头显示装置包括像源100、透镜组200和阵列光波导700；阵列光波导700包括至少一层波导基底710、多组出瞳分光膜720，以及设置于波导基底710表面的耦入结构730；耦入结构730位于阵列光波导700靠近像源100的一侧；像源100出射图像光束至透镜组200；透镜组200调整图像光束的传播方向并将图像光束出射至耦入结构730；耦入结构730将图像光束耦入波导基底710；部分图像光束经出瞳分光膜720透射在波导基底710内全反射传播；另一部分图像光束经出瞳分光膜720反射，由波导基底远离耦入结构730的一侧出射波导基底710；图像光束出射波导基底710至成像元件400，由成像元件400反射进入人眼。

其中，出瞳分光膜720的组数可以根据实际的扩瞳需求进行设定，具体而言，耦入结构730将图像光束耦入波导基底710，部分图像光束经出瞳分光膜720透射在波导基底710内全反射传播，另一部分图像光束经出瞳分光膜720反射，由波导基底远离耦入结构730的一侧出射波导基底710，进而实现了图像光束在全反射传播方向上的扩瞳。

图10为本发明实施例提供的一种二维波导组件的结构示意图，如图10所示，该二维阵列光波导包括两组出瞳分光膜720，两组出瞳分光膜排布方向交差设置，进而实现二维扩瞳。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (13)

1.一种抬头显示装置，其特征在于，包括像源、透镜组和波导组件；所述波导组件包括至少一层波导基底，所述波导基底包括至少一个耦入区域和至少一个耦出区域；

所述耦入区域位于所述波导基底靠近所述像源的一侧；所述耦出区域位于所述波导基底远离所述像源的一侧或靠近所述像源的一侧；

所述像源出射图像光束至所述透镜组；所述透镜组调整所述图像光束的传播方向并将所述图像光束出射至所述耦入区域；所述图像光束由所述耦入区域耦入所述波导基底，所述图像光束在所述波导基底内传播至所述耦出区域后由所述耦出区域耦出；所述图像光束由所述耦出区域出射所述波导基底至成像元件，由所述成像元件反射形成虚像。

2.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，还包括至少两个反射单元；所述透镜组包括多个球面透镜；所述反射单元和多个所述球面透镜设置于所述图像光束的传播光路上；

所述反射单元用于反射所述图像光束，缩短所述图像光束的光程。

3.根据权利要求2所述的抬头显示装置，其特征在于，多个所述反射单元包括第一反射单元和第二反射单元和第三反射单元；所述透镜组包括第一透镜组和第二透镜组；所述第一透镜组和所述第二透镜组均包括多个所述球面透镜；

所述第一透镜组、所述第一反射单元、所述第二反射单元、所述第二透镜组以及所述第三反射单元依次设置于所述像源出射所述图像光束的光路上；所述第一反射单元和所述第二反射单元相对设置，所述第一反射单元与所述图像光束的主光轴成第一预设夹角，所述第二反射单元与所述图像光束的主光轴成第二预设夹角；所述第三反射单元与所述图像光束的主光轴成第三预设夹角；

所述像源出射图像光束至所述第一透镜组；所述第一透镜组调整所述图像光束的传播方向并将所述图像光束出射至所述第一反射单元；所述第一反射单元反射所述图像光束至所述第二反射单元；所述第二反射单元反射所述图像光束至所述第二透镜组；所述第二透镜组调整所述图像光束的传播方向并将所述图像光束传播至所述第三反射单元，所述第三反射单元将所述图像光束反射至所述耦入区域，其中所述第三反射单元反射至所述耦入区域的图像光束和所述耦入区域垂直。

4.根据权利要求3所述抬头显示装置，其特征在于，所述第一透镜组包括平凸透镜和凸凹透镜；所述第二透镜组包括第一双凸透镜、双凹透镜和第二双凸透镜；

所述平凸透镜、所述凸凹透镜、所述第一双凸透镜、所述双凹透镜和所述第二双凸透镜依次沿所述图像光束的光路设置；所述平凸透镜的平面位于所述平凸透镜靠近所述像源的一侧。

5.根据权利要求4所述的抬头显示装置，其特征在于，

所述平凸透镜包括平面S1和曲率半径为R2的球面S2；所述平凸透镜光轴上的中心厚度为h1，孔径为φ1*φ2；R2＝-163.276mm，所述h1＝5mm，所述φ1*φ2＝70mm*40mm；

所述凸凹透镜包括曲率半径为R3和R4的两个球面S3和S4；所述凸凹透镜光轴上的中心厚度为h2，孔径为φ3*φ4；所述R3＝422.81mm，所述R4＝57.17mm，所述h2＝5mm，所述φ3*φ4＝60mm*60mm；

所述第一双凸透镜包括曲率半径为R5和R6的两个球面S5和S6；所述第一双凸透镜光轴上的中心厚度为h3，孔径为φ5*φ6；所述R5＝283.182mm，所述R6＝-200mm，所述h3＝30mm，所述φ5*φ6＝150mm*50mm；

所述双凹透镜包括曲率半径为R7和R8的两个球面S7和S8；所述双凹透镜光轴上的中心厚度为h4，孔径为φ7*φ8；所述R7＝-429.56mm，所述R8＝152.78mm，所述h4＝5mm，所述φ7*φ8＝150mm*60mm；

所述第二双凸透镜包括曲率半径为R9和R10的两个球面S9和S10；所述第二双凸透镜光轴上的中心厚度为h5，孔径为φ9*φ10；所述R9＝169.90mm，所述R10＝-173.70mm，所述h5＝32.91mm，所述φ9*φ10＝150mm*60mm。

6.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述像源包括背光单元和图像显示单元；所述背光单元包括多个发光结构和准直结构；所述图像显示单元位于所述背光单元出射的所述图像光束对应图像光线的光路上；

多个所述发光结构沿第一方向平行排布，沿第二方向交错排布；多个所述发光结构被配置为可以单独调整在所述第二方向平行的所述发光结构的亮度；

多个所述发光结构出射所述图像光线至所述准直结构；所述图像光线经所述准直结构准直后出射至所述图像显示单元，所述图像显示单元根据所述图像光线成像并出射所述图像光束；

其中，所述第一方向和所述第二方向相交。

7.根据权利要求6所述的抬头显示装置，其特征在于，多个所述发光结构包括红色发光单元、绿色发光单元和蓝色发光单元；

所述红色发光单元、所述绿色发光单元和所述蓝色发光单元依次沿所述第一方向平行排布，沿所述第二方向交错排布；

多个所述发光结构被配置为相邻三个所述发光结构包括所述红色发光单元、所述绿色发光单元和所述蓝色发光单元，以及沿所述第二方向平行设置的所述发光结构为所述红色发光单元、所述绿色发光单元和所述蓝色发光单元的其中一种，且可以单独调节沿所述第二方向平行设置的所述发光结构的亮度。

8.根据权利要求6所述的抬头显示装置，其特征在于，所述像源还包括匀光结构；所述匀光结构位于所述准直结构靠近所述图像显示单元的一侧。

9.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，还包括分光结构；

所述分光结构位于所述像源出射所述图像光束的光路上，用于将所述图像光束分为不同波段的图像光束；所述不同波段的图像光束包括第一波段、第二波段和第三波段；

所述第一波段、第二波段和第三波段的图像光束在所述波导基底内分别传输。

10.根据权利要求9所述的抬头显示装置，其特征在于，所述波导基底包括叠层设置的第一波导基底和第二波导基底；

所述第一波导基底位于所述第二波导基底靠近所述分光结构的一侧；所述第二波导基底位于所述第一波导基底远离所述分光结构的一侧；

所述第一波导基底用于传输所述第一波段和所述第二波段的图像光束；所述第二波导基底用于传输所述第二波段和所述第三波段的图像光束。

11.根据权利要求9所述的抬头显示装置，其特征在于，所述波导基底包括叠层设置的第三波导基底、第四波导基底和第五波导基底；

所述第三波导基底位于所述第四波导基底靠近所述分光结构的一侧；所述第五波导基底位于所述第四波导基底远离所述分光结构的一侧；

所述第三波导基底用于传输所述第一波段的图像光束；所述第四波导基底用于传输所述第二波段的图像光束；所述第五波导基底用于传输所述第三波导的图像光束。

12.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，在所述耦入区域和所述耦出区域之间还包括转折区域；由所述耦入区域耦入所述波导基底的图像光束经所述转折区域扩展至所述耦出区域，并由所述耦出区域耦出所述波导基底。

13.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述波导组件包括衍射光波导或阵列光波导。

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