CN116381947A - 抬头显示装置和车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及抬头显示装置和车辆。根据一个实施例的抬头显示装置包括图像生成单元和光学组件，其中：所述图像生成单元被配置为生成并朝向所述光学组件投射携带有待投射的第一源图像的第一图像信息的光；所述光学组件被配置为将来自所述图像生成单元的所述光重定向到车辆的风挡上，以使得所述风挡能够反射来自所述光学组件的光，以在车辆的前方形成所述第一源图像的第一虚像，其中，所述第一虚像具有距车辆较近的近端和距车辆较远的远端，所述光学组件和所述图像生成单元中的至少一者进一步被配置为：使得所述光的在所述图像生成单元和所述风挡之间的且用于所述第一虚像的光路，从与所述近端对应的光线到与所述远端对应的光线逐渐变长。

Description

抬头显示装置和车辆

技术领域

本发明的实施例涉及光学显示技术领域，尤其涉及一种抬头显示装置和一种车辆。

背景技术

车辆等各类交通工具已成为现代社会生活必不可缺少的一部分，但驾驶安全问题也成为了威胁人民生命安全的重大问题。通常在驾驶过程中，驾驶员会通过密切关注交通工具仪表盘上相关驾驶信息来保证可靠驾驶，然而由于交通工具本身体积受限，仪表盘均被设计在操控台下方，由此驾驶员在驾驶过程中需要通过低头看仪表盘上的相关信息，并且在实际驾驶中，这种低头查看仪表盘上信息的动作频率非常高，驾驶员在低头过程中很有可能会导致分心，从而引发交通事故。

在例如汽车工业中通常使用抬头显示装置(HUD)将待显示的内容插入到驾驶员的视野中，从而允许交通工具的驾驶员在驾驶员的视线中观察到该内容。这可以在一定程度上降低驾驶员由于频繁低头造成的眼睛离开行驶路线的时间。

发明内容

本发明实施例提供了一种抬头显示装置和一种车辆。

在本公开的一个方面，提供一种抬头显示装置。该抬头显示装置包括图像生成单元和光学组件，其中：所述图像生成单元被配置为生成并朝向所述光学组件投射携带有待投射的第一源图像的第一图像信息的光；所述光学组件被配置为将来自所述图像生成单元的所述光重定向到车辆的风挡上，以使得所述风挡能够反射来自所述光学组件的光，以在所述车辆的前方形成所述第一源图像的第一虚像，其中，所述第一虚像具有距所述车辆较近的近端和距所述车辆较远的远端，所述光学组件和所述图像生成单元中的至少一者进一步被配置为：使得所述光的在所述图像生成单元和所述风挡之间的且用于所述第一虚像的光路，从与所述近端对应的光线到与所述远端对应的光线逐渐变长。

在本公开的一些实施例中，在所述图像生成单元和所述风挡之间的所述光路以使得所述第一虚像所位于的像平面基本上与路面贴合的方式逐渐变长。

在本公开的一些实施例中，所述图像生成单元具有面向所述光学组件的至少一部分的出光面，所述图像生成单元的出光面被取向为：使得所述光的在所述图像生成单元和所述风挡之间的且用于所述第一虚像的光路，从与所述近端对应的光线到与所述远端对应的光线逐渐变长。

在本公开的一些实施例中，所述图像生成单元包括：光源；显示单元，其位于所述光源和所述光学组件之间的光路中，其中所述显示单元的出光面为所述图像生成单元的出光面；和光导，其位于所述光源与所述显示单元之间的光路中，所述光导被配置为将来自所述光源的光引导到所述显示单元，其中，所述光导具有面向所述显示单元的第一面和与所述第一面相对的第二面，其中，所述第一面相对于所述第二面倾斜，使得所述第一面在与所述远端对应的光线所源自的一侧距所述第二面的距离，小于所述第一面在与所述近端对应的光线所源自的一侧距所述第二面的距离，并且所述显示单元的出光面被取向为与所述第一面平行。

在本公开的一些实施例中，所述第一面相对于所述第二面倾斜的角度不小于25度。

在本公开的一些实施例中，所述光学组件包括平面反射镜和自由形状光学元件，其中，所述平面反射镜被配置为将来自所述图像生成单元的所述光朝向所述自由形状光学元件重定向；所述自由形状光学元件被配置为将来自所述平面反射镜的所述光朝向所述风挡重定向。

在本公开的一些实施例中，所述自由形状光学元件为具有非均匀曲率的非球面镜，并且所述自由形状光学元件进一步被配置为预校正由所述风挡造成的像散。

在本公开的一些实施例中，所述第一源图像为倒立的图像，并且其中，所述自由形状光学元件进一步被布置为使所述第一虚像相对于所述第一源图像倒置，以使得与所述远端对应的光线来自所述第一源图像的底部，且与所述近端对应的光线来自所述第一源图像的顶部。

在本公开的一些实施例中，所述光学组件包括：平面反射镜、第一自由形状光学元件和第二自由形状光学元件，其中，所述平面反射镜被配置为将来自所述图像生成单元的所述光朝向所述第一自由形状光学元件重定向；所述第一自由形状光学元件被配置为将来自所述平面反射镜的所述光朝向所述第二自由形状光学元件重定向；以及所述第二自由形状光学元件被配置为将来自所述第一自由光学元件的光朝向所述风挡重定向。

在本公开的一些实施例中，所述第一自由形状光学元件和所述第二自由形状光学元件为具有非均匀曲率的非球面镜。

在本公开的一些实施例中，所述第一自由形状光学元件和所述第二自由形状光学元件中的至少一者的曲率，从与所述近端对应的光线在相应的自由形状光学元件上入射的位置到与所述远端对应的光线在相应的自由形状光学元件上入射的位置逐渐变大。

在本公开的一些实施例中，所述第一自由形状光学元件的曲率，从与所述近端对应的光线在所述第一自由形状光学元件上入射的位置到与所述远端对应的光线在所述第一自由形状光学元件上入射的位置逐渐变大，并且所述第二自由形状光学元件进一步被配置为预校正由所述风挡造成的像散。

在本公开的一些实施例中，所述第一源图像为倒立的图像，并且其中，所述第二自由形状光学元件进一步被布置为使所述第一虚像相对于所述第一源图像倒置，以使得与所述远端对应的光线来自所述第一源图像的底部，且与所述近端对应的光线来自所述第一源图像的顶部。

在本公开的一些实施例中，所述光学组件还包括被布置在所述图像生成单元的出光面的一侧的楔形镜，所述楔形镜被布置为：使得来自所述图像生成单元的且与所述远端对应的光线，透射通过所述楔形镜的较厚部分，并且来自所述图像生成单元的且与所述近端对应的光线，透射通过所述楔形镜的较薄部分。

在本公开的一些实施例中，所述楔形镜的远离所述图像生成单元的表面的至少一部分为向外突出的曲面。

在本公开的一些实施例中，所述曲面的曲率被设计为：从来自所述图像生成单元的且与所述近端对应的光线从所述楔形镜出射的位置到来自所述图像生成单元的且与所述远端对应的光线从所述楔形镜出射的位置逐渐变大。

在本公开的一些实施例中，所述图像生成单元进一步被配置为生成携带有待投射的第二源图像的第二图像信息的光，所述光学组件进一步被配置为将来自所述图像生成单元的携带有所述第二图像信息的光重定向到所述风挡，以使得所述风挡能够反射来自所述光学组件的光，以在所述车辆的前方形成所述第二源图像的第二虚像，其中，所述第二虚像距车辆的距离小于所述第一虚像距车辆的距离。

在本公开的一些实施例中，所述第二虚像的像平面基本上与所述路面垂直。

在本公开的另一方面，还提供一种车辆。该车辆包括风挡和根据本公开的涉及抬头显示装置的实施例中描述的任一种抬头显示装置，所述风挡被配置为通过反射来自所述抬头显示装置的携带有待投射的第一源图像的第一图像信息的光，而在所述车辆的前方形成所述第一源图像的第一虚像。

适应性的进一步的方面和范围从本文中提供的描述变得明显。应当理解，本申请的各个方面可以单独或者与一个或多个其他方面组合实施。还应当理解，本文中的描述和特定实施例旨在仅说明的目的并不旨在限制本申请的范围。

附图说明

本文中描述的附图用于仅对所选择的实施例的说明的目的，并不是所有可能的实施方式，并且不旨在限制本申请的范围，其中：

图1示意性示出相关技术中的抬头显示装置及其相关光路；

图2示意性地示出在本公开的一个或多个实施例中的抬头显示装置及其相关光路；

图3示出风挡引入像散的示意图；

图4示意性示出在本公开的一个或多个实施例中的示例性图像生成单元的截面图；

图5示意性地示出在本公开的一个或多个实施例中的另一种抬头显示装置及其相关光路；

图6示意性地示出在本公开的一个或多个实施例中的又一种抬头显示装置及其相关光路；

图7示意性示出在本公开的一个或多个实施例中的具有曲面的楔形镜；

图8示意性地示出在本公开的一个或多个实施例中的又一种抬头显示装置及其相关光路；

图9示意性地示出在本公开的一个或多个实施例中的又一抬头显示装置及相关光路；

图10示意性地示出在本公开的一个或多个实施例中的又一抬头显示装置及相关光路；

图11示意性地示出在本公开的一个或多个实施例中的又一抬头显示装置及其相关光路；以及

图12示意性示出了在本公开的一个或多个实施例中的车辆的框图。

贯穿这些附图的各个视图，相应的参考编号指示相应的部件或特征。

具体实施方式

现将参考附图详细描述各种实施例，其作为本发明的示例性示例而提供，以使得本领域技术人员能够实现本发明。值得注意的是，以下附图和示例并不意味着限制本发明的范围。在使用已知的组件可以部分或全部实现本发明的特定元件的情况下，将仅描述对理解本发明所需要的这种已知组件的那些部分，并且这种已知组件的其它部分的详细描述将被省略以便不会混淆本发明。进一步地，各种实施例通过说明的方式包含与在此涉及的组件等同的现在和未来已知的等同物。

在随后的描述中，附图不一定按比例绘制。特别是，抬头显示装置的各个组件、虚像、车辆以及本身中涉及的其他元素之间的相对位置及相对尺寸可能被夸大。出于清晰和简洁的目的或出于提供信息的目的，某些特征可能以概括或示意的形式示出。另外，尽管在下文详细讨论了抬头显示装置多个不同实施例，但应理解如本文所述提供了可以在多种环境下实施的许多发明构思。本文讨论的实施例仅仅是代表性的而不限制本发明的范围。

如本文所使用的，术语“具有”、“包括”和“包含”以及其语法变型以非排它的方式使用。因此，表述“A具有B”以及表达“A包括B”或“A包含B”可以指：除了B之外A包含一个或多个其它组件和/或构件的事实，以及除了B之外没有其他组件、构件或元素呈现在A中的情况。

在抬头显示装置的相关技术，抬头显示装置通过挡风玻璃(也称为风挡)或特制的透明成像窗反射成像，将重要的行车信息投射在驾驶员的视线前方。在驾驶车辆期间驾驶员无需低头查看仪表盘上的信息，从而可以避免驾驶员在驾驶过程中低头看仪表盘所导致的分心，从而能保证驾驶安全。

图1示意性示出相关技术中的抬头显示装置及其相关光路。如图1所示，相关技术中的抬头显示装置HUD可以包括图像生成器7、平面反射镜1、曲面镜6。图像生成器7将携带图像信息的光线投射到平面反射镜1上，该光线依次经平面反射镜1和曲面镜6的反射之后，入射到汽车的风挡3上，风挡3通过对携带图像信息的光线进行反射而在车辆前方一定距离处形成图像(一般为虚像)。在图像上可以显示驾驶员所需的车速、车况、油量、导航等信息。驾驶员在适当的眼盒2内可以看到该图像。

如图1所示，相关技术中的抬头显示装置将图像基本上竖直地插入驾驶员的视线中。这种形成竖直图像的抬头显示装置无法与真实环境很好地融合。尤其是在需要增加增强现实(AR)导航功能时，往往希望导航信息能够尽可能地贴合地面，以提高增强现实体验。然而，在相关技术中的竖直图像无法实现贴合地面，因此极大地影响驾驶体验。

另外，竖直图像通常位于用户的下视角的范围内或附近，且全部(投影距离较近时)或部分(投影距离较远时)虚像对焦距离，与相同视野范围内的车外实物空间距离存在远近差异，导致驾驶员人眼需反复调整对焦观察实物或虚像，从而产生人眼疲劳和影响驾车安全。

在本公开的至少一些实施例中，提供一种抬头显示装置，该抬头显示装置能够使显示的虚拟图像基本水平地投射到地面附近，使得抬头显示装置投射的图像能够与地面较好地融合，从而能够提高增强现实体验，并能够提高驾驶安全性。

如本文所使用的，术语“基本上竖直”是指垂直取向的条件，其公差可以为例如±30°或更小，优选地±20°或更小，更优选地±10°或更小。类似地，术语“基本上水平”是指水平取向的条件，其公差可以为例如±30°或更小，优选地±20°或更小，更优选地±10°或更小。

以下结合附图对本文提供的抬头显示装置进行详细说明。

由于本文描述的实施例中的抬头显示装置通常是在车辆上使用的，为了便于描述抬头显示装置的结构和操作原理，本文描述的实施例和附图都结合车辆(尤其是车辆上的风挡)进行说明。实际上，抬头显示装置可以是独立于车辆的单独装置。然而，应当理解，抬头显示装置也可以作为车辆的一个子部件而集成到车辆中。

图2示意性地示出在本公开的一个或多个实施例中的抬头显示装置20及其相关光路。如图2所示，该抬头显示装置20包括图像生成单元11和光学组件12。该图像生成单元11被配置为生成并朝向光学组件12投射携带有待投射的第一源图像的第一图像信息的光；该光学组件12被配置为将来自图像生成单元11的光重定向到车辆的风挡13上，以使得风挡13能够反射来自光学组件12的光，以在车辆的前方形成第一源图像的第一虚像14。

继续参考图2，该第一虚像14具有距车辆较近的近端141和距车辆较远的远端142。光学组件12可以进一步被配置为使得光的在图像生成单元11和风挡13之间的且用于第一虚像14的光路，从与近端141对应的光线4到与远端142对应的光线5逐渐变长。也就是说，图像生成单元11和风挡13之间的与第一虚像14的近端141对应的光线4的光路长度短于与远端142对应的光线5的光路长度，并且光线4和光线5之间的光线在图像生成单元11和风挡13之间的光路长度从光线4到光线5逐渐变长。

在本公开的一些实施例中，通过风挡13最终对第一源图像进行成像。风挡13和图像生成单元11之间的光路的长度相当于物距，而风挡和第一虚像之间的光路的长度相当于像距。根据基于反射成虚像光学系统原理，物距越长，像距也越长。

因此，根据本公开的一些实施例，将风挡13和图像生成单元11之间的光路配置为从与近端141对应的光线4到与远端142对应的光线5逐渐变长，可以使得第一虚像14的远端142的像距大于近端141的像距，因此，可以使第一虚像14相对于路面倾斜。

通过合理设置光学组件12的光学参数和/或空间布局，可以使第一虚像14具有较大程度的倾斜，甚至是使第一虚像14所位于的像平面与路面基本贴合。也即，在图像生成单元11和风挡13之间的光路从与第一虚像14的近端141对应的光线4到与远端142对应的光线5逐渐变长，其方式为使得第一虚像14所位于的像平面基本上与路面贴合。

第一虚像14的像平面与路面基本贴合，能够使得图像上显示的信息(特别是与导航有关的信息)投射到路面上，这能够提高增强现实体验。此外，将图像投射到路面上，不容易遮挡驾驶员的视线，因此能够提高驾驶安全性。

参考图2，在本公开的一些实施例中，光学组件12可以包括平面反射镜123、第一自由形状光学元件121和第二自由形状光学元件122。平面反射镜123可以被配置为将来自图像生成单元11的光朝向第一自由形状光学元件121重定向；第一自由形状光学元件121被配置为将来自平面反射镜123的光朝向第二自由形状光学元件122重定向；以及第二自由形状光学元件122被配置为将来自第一自由形状光学元件124的光朝向风挡13重定向。

在本公开的一个或多个实施例中，平面反射镜123可以用来折叠图像生成单元11与风挡13之间的光路，以便延长图像生成单元11与风挡13之间的物距，从而可以将第一虚像投射到距离车辆更远的地方，同时也可以减小图像生成单元11与风挡13之间的光路所占用的空间。

在本公开的一个或多个实施例中，第一自由形状光学元件121和第二自由形状光学元件122可以为具有非均匀曲率的非球面镜。

在本公开的一个或多个实施例中，第一自由形状光学元件121和第二自由形状光学元件122中的一个或两个的曲率，可以从与近端141对应的光线4在相应的自由形状光学元件上的入射位置到与远端142对应的光线5在相应的自由形状光学元件上的入射位置逐渐变大。

具体地，在图2所示的实施例中，与第一虚像14的远端142对应的光线5入射在第一自由形状光学元件121的底端附近，并且与第一虚像14的近端141对应的光线4入射在第一自由形状光学元件121的顶端附近，因此，第一自由形状光学元件121的曲率可以设计为从底端到顶端逐渐变小，以使得被第一自由形状光学元件121的底端反射的光线投射到距车辆较远的位置，而被第一自由形状光学元件121的顶端反射的光线投射到距车辆较近的位置。

类似地，与第一虚像14的远端142对应的光线5入射在第二自由形状光学元件122的底端附近，并且与第一虚像14的近端141对应的光线4入射在第二自由形状光学元件122的顶端附近，因此，第二自由形状光学元件122的曲率可以设计为从底端到顶端逐渐变小，以使得被第二自由形状光学元件122的底端反射的光线投射到距车辆较远的位置，而被第二自由形状光学元件122的顶端反射的光线投射到距车辆较近的位置。

在本公开的实施例中，从图像生成单元11发出的携带图像信息的光经过光学组件12中的光学元件的多次反射之后，最终由风挡13将图像投射到车辆前方靠近路面的位置。

在风挡13为平面反射镜的情况下，风挡不会对图像引入像散。然而，实际车辆上的风挡13通常是曲面的，并且在径向(也称为子午方向)和切向(也称为弧矢方向)上都具有非均匀的曲率。风挡13的这种径向和切向上的面型的差异会引入像散。图3示出风挡引入像散的示意图。如图3所示，由于风挡在径向和切向的面型的差异，点光源发出的发散光线经过风挡13的反射之后，切向上的光线和径向上的光线会聚在车辆前方的不同位置，并且都偏离了最佳像平面的位置。

在替代的实施例中，为了补偿风挡13引入的像散，第二自由形状光学元件122通常考虑风挡的面型来设计，以便预校正风挡13造成的像散。在这种情况下，第二自由形状光学元件122的曲率主要取决于风挡13的曲率，而第一自由形状光学元件121的曲率可以设计为从与近端141对应的光线4在第一自由形状光学元件121上的入射位置到与远端142对应的光线5在第一自由形状光学元件121上的入射位置逐渐变大，以使得最终形成的第一虚像14能够基本上贴合路面。

在本公开的一个或多个实施例中，第一自由形状光学元件121的曲率可以从第一自由形状光学元件121的一端到另一端平滑变化。在替代的实施例中，第一自由形状光学元件121可以通过多个第一子自由形状光学元件的拼接来实现第一自由形状光学元件121的曲率的变化。不同第一子自由形状光学元件的曲率不同，每个第一子自由形状光学元件的曲率可以具有单一曲率，也具有渐变或梯度变化的曲率。

返回参考图2，在本公开的一些实施例中，第二自由形状光学元件122被布置为使第一虚像14相对于第一源图像倒置，以使得与第一虚像14的远端142对应的光线来自第一源图像的底部，并且与近端141对应的光线来自第一源图像的顶部。也即从图像生成单元11的下端发射的光线被投射到第一虚像14的远端142，而从图像生成单元11的上端发射的光线被投射到第一虚像14的近端141，这意味着第一虚像14为倒立的虚像。为了使得第一虚像14为正立的虚像，可以将第一源图像设置为倒立的。

在本公开的一些实施例中，第一图像信息可以包括导航信息、仪盘仪表信息，或者二者的组合。

如上所述，在本公开的实施例中，通过合理配置光学组件12使图像投射为与路面基本贴合，可以提高增强现实体验。除此之外，如下面详细描述的，本公开的实施例还可以将图像投射到更远距离，以防止驾驶员频繁远近切换造成的眼睛疲劳。

返回参考图1，在相关技术中，抬头显示装置所成的虚像的距离通常是不可调节的，并且虚像成像在距车辆较近的位置处，例如，虚像成像在距驾驶员眼盒2-3米处，并在驾驶员眼盒的前下方。然而，在实际行车环境中，为了保证驾驶安全，驾驶员通常将视线对焦在车辆前方较远的位置(例如，6-10米)，以清楚地观察车辆周围的环境。这就使得虚像的成像位置与驾驶员的眼睛的聚焦位置不一致。如图1所示，假设驾驶员在某一瞬间正注视远方的对象A，此时，驾驶员想要查看抬头显示装置形成的图像，他/她的眼睛的需要从正在注视的远处对象调节到近处的图像，这会造成驾驶员眼睛疲劳。另外，眼睛的这种远近注视位置的频繁调节，也会造成分心，从而造成驾车安全隐患。

图1中虚像与眼盒之间的距离PD可以通过以下关系式表示：

PD∝(S1+S1)*M2+S3*M3+S4(1)

其中，S4表示风挡3和眼盒2之间的距离，其直观描述驾驶员向后移动多少，虚像就变远多少，因此，该物距S4与其共轭虚像像距之间没有光学器件的放大作用。S3表示曲面镜6和风挡3之间的距离。M3表示风挡3对距离S3的放大(虚像变远)倍率。因为风挡3凹面的反射会聚作用，人眼通过风挡观察曲面镜6时，虚像距离＝S3*M3+S4。S2表示平面反射镜1和曲面镜6之间的距离。S1表示图像生成器7到平面反射镜1之间的距离。M2表示平面反射镜6和风挡3对(S1+S2)的总体放大倍率。平面反射镜1对S1没有放大作用。

由关系式(1)可知，虚像的距离与光学元件的放大率和光学元件之间的距离有关。因此，为了延长虚像的投射距离，可以：1)增大抬头显示装置的放大率；2)延长风挡3至图像生成单元之间的光程。

返回参考图2，在本公开的一些实施例中，将图1所示的相关技术中的平面反射镜1用具有曲率的第一自由曲面光学元件121替换。具有曲率的第一自由曲面光学元件121可以对位于光路上游的光路具有一定的放大率，因此，可以延长第一虚像14的投射距离。

另外，在图像生成单元11和第一自由曲面光学元件121之间设置平面反射镜123，可以延长图像生成单元11和第一自由曲面光学元件121之间的光路，从而能够进一步延长第一虚像14的投射距离。

在本公开的实施例中的抬头显示装置，不但能够使第一虚像14的像平面与地面基本上平行，还可以延长像平面距车辆的距离，从而降低眼疲劳和安全隐患。

在示例的实施例中，第一虚像14距车辆的距离可以为3-12米。

在本公开的一些实施例中，图像生成单元11可以为能够生成并投射携带有待投射的第一源图像的第一图像信息的光的任何部件。图4示意性示出在本公开的一个或多个实施例中的示例性图像生成单元的截面图。在示例的实施例中，如图4所示，图像生成单元11可以包括光源151、显示单元111和位于光源151和显示单元111之间的光路中的光导152。

在一个或多个实施例中，光源151可以为点光源、线光源或面光源。光源151的数量可以为一个或多个。具体地，光源151可以包括一个或多个发光元件，包括但不限于发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、微发光二极管(Micro LED)、冷阴极荧光灯管(ColdCathode Fluorescent Lamp，CCFL)、LED冷光源(Cold LED Light，CLL)、电激发光(ElectroLuminescent，EL)或量子点光源(Quantum Dot，QD)等。

显示单元111可以将光源151发出的光线转化为包括图像信息的图像光线，其可以直接或经过反射、折射等作用后形成图像。显示单元111可以是但不限于液晶显示单元(LCD)、数字微镜器件(DMD)、阴极射线显像器件(CRT)或硅基液晶显示器件(LCoS)中的至少一种。

光导152用于对从光源151发出的光进行调制，以使得光以特定的出射角度或强度分布入射到位于其光路下游的显示单元111。在示例的实施例中，光导152可以包括一个或多个反射、折射或散射光学元件，以便针对显示单元111上的各个像素对光进行调制，以使得从光导出射的光具有针对各个像素的特定出射强度或特定出射角度，从而实现从眼盒范围内观看第一虚像14时，亮度的分布均匀。

在本公开的一个或多个实施例中，光导152可以具有面向显示单元111的第一面1521和与第一面1521相对的第二面1522。如图2所示，第一面1521可以平行于第二面1522。

继续参考图4，在可选的实施例中，图像生成单元11还可以包括散热片153和透镜元件154。散热片153可以位于光源151的远离光导的一侧，以便对图像生成单元11进行散热。透镜元件154可以对光源151发出的光进行准直。在本公开的一些实施例中，透镜元件154可以是与光导152分离的部件，也可以集成在光导152中作为光导152的组成部件之一。

图5示意性地示出在本公开的一个或多个实施例中的另一种抬头显示装置50及其相关光路。图5中所图示的抬头显示装置50与图2中所图示的抬头显示装置20共享一些相似性，并且相对于图2提供的描述酌情适用于图5中所图示的抬头显示装置50。

图5所示的实施例中的抬头显示装置50与图2所示的抬头显示装置20的不同之处在于，在该实施例中，第一面1521相对于第二面1522倾斜，也即第一面1521与第二面1522之间具有一定夹角，使得第一面1521在与第一虚像14的远端142对应的光线5所源自的一侧距第二面1522的距离，小于第一面1521在与第一虚像14的近端141对应的光线4所源自的一侧距第二面1522的距离。相应地，显示单元111的出光面被取向为与第一面1521平行。

在本公开的示例实施例中，第一面1521相对于第二面1522倾斜的角度不小于25度。

在本公开的实施例中，光导152的第一面1521和显示单元111的出光面以图5所示的方式相对于第二面1522倾斜，这种布置可以延长与第一虚像14的远端142相对应的位于图像生成单元11和风挡13之间的光路，从而可以将第一虚像的远端进一步投射到更远的位置。

因此，在本公开的实施例中，可以通过适当配置光学组件12中的一个或多个元件(例如第一自由形状光学元件121)的曲率分布，使第一虚像14的远端142相对于近端141投射到更远的位置，从而使得第一虚像14相对于路面倾斜。进一步地，通过使光导152的第一面1521和显示单元111的出光面相对于第二面1522倾斜适当的角度，可以使第一虚像14的远端142相对于近端141投射到进一步更远的位置，从而可以实现第一虚像14的像平面与路面基本平行。

另外，使光导152的第一面1521和显示单元111的出光面相对于第二面1522倾斜适当的角度还可以防止阳光倒灌到显示单元111的表面，经显示单元11的表面的反射后随图像光出射，从而导致“白屏”、炫光等问题。

图6示意性地示出在本公开的一个或多个实施例中的又一种抬头显示装置60及其相关光路。图6中所图示的抬头显示装置60与图2中所图示的抬头显示装置20共享一些相似性，并且相对于图2提供的描述酌情适用于图6中所图示的抬头显示装置60。

图6所示的实施例中的抬头显示装置60与图2所示的抬头显示装置20的不同之处在于，抬头显示装置60的光学组件12进一步包括位于图像生成单元11的出光面1101的一侧的楔形镜124。该楔形镜124可以被布置为：使得来自所述图像生成单元11的且与第一虚像14的远端142对应的光线5透射通过楔形镜124的较厚部分，而来自所述图像生成单元11的且与第一虚像14的近端141对应的光线4透射通过楔形镜124的较薄部分。具体而言，在图6所示的实施例中，由于与第一虚像14的远端142对应的光线5从图像生成单元11的下部出射，且与第一虚像14的近端141对应的光线4从图像生成单元11的上部出射，因此，楔形镜124的较厚部分对应于图像生成单元11的下部，而楔形镜124的较薄部分对应于图像生成单元11的上部。

已知的是，光在介质中传播的光程等于介质的折射率乘以光在介质中传播的路程。由于楔形镜124的厚度从一端到另一端逐渐变化，光通过楔形镜124的不同部分的光程不同。通过楔形镜124的较厚部分的光程较长，而通过楔形镜124的较薄部分的光程较短，因此，楔形镜124的上述布置可以使得与第一虚像14的远端142对应的光线5投射到更远的距离，而与第一虚像14的近端141对应的光线4投射到较近的距离，因此，可以使最终形成的第一虚像14的像平面相对于地面倾斜。

在本公开的一些实施例中，如图6所示，楔形镜124的远离图像生成单元11的表面可以为平面。在另一些实施例中，楔形镜124的远离图像生成单元11的表面的至少一部分可以为向外突出的曲面。图7示意性示出在本公开的一个或多个实施例中的具有曲面的楔形镜。如图7所示，楔形镜124的斜面为向外突出的凸面。该凸面的曲率可以设计为：从来自图像生成单元11的且与近端141对应的光线4从楔形镜124出射的位置到来自图像生成单元11的且与远端142对应的光线5从楔形镜124出射的位置逐渐变大。通过该设置，可以进一步延长第一虚像14的远端142距车辆的距离，使得第一虚像14相对于地面更加倾斜，甚至平行于地面。

图8示意性地示出在本公开的一个或多个实施例中的又一种抬头显示装置80及其相关光路。图8中所图示的抬头显示装置80与图6中所图示的抬头显示装置60共享一些相似性，并且相对于图6提供的描述酌情适用于图8中所图示的抬头显示装置80。

与图6所示的实施例不同的是，在图8所示的实施例中，图像生成单元11可以进一步被配置为生成携带有待投射的第二源图像的第二图像信息的光。在该实施例中，光学组件12进一步被配置为将来自图像生成单元11的携带有第二图像信息的光重定向到风挡13，以使得风挡13反射来自光学组件12的光，以在车辆的前方形成第二源图像的第二虚像16。该第二虚像16距车辆的距离小于第一虚像14距车辆的距离。

在本公开的一些实施例中，为了使第一虚像14具有较好的增强现实效果，可以使得第一虚像14具有较小的下视角(Look Down Angle，LDA)，通常小于3.5度，从而可以将第一虚像14投射到远处道路环境中。而第二虚像16通常投射在距车辆较近的位置，因此第二虚像16可以具有较大的下视角LDA。在本公开的实施例中，下视角一般是指水平面和直视虚像中心点时的视线之间的夹角。第一虚像14的下视角是指水平面和直视第一虚像14中心点时的视线之间的夹角，第二虚像16的下视角是指水平面和直视第二虚像16中心点时的视线之间的夹角。

在本公开的一些实施例中，第一虚像14可以包括与导航有关的信息，而第二虚像16可以包括与车辆的仪盘仪表有关的信息。作为示例，与导航有关的信息可以包括路线指示标记、距下一个路口的距离等，与车辆的仪盘仪表有关的信息可以包括路况、车速、限速、油量、电量等。

在本公开的一些实施例中，第二虚像16的像平面可以与路面基本垂直。然而，其他实施例也是可行的。例如，第二虚像16也可以与路面平行或者成锐角，但与第一虚像14相比，第二虚像16可以距车辆更近。

在本公开的一些实施例中，可以通过任一种方式实现同时投射两个虚像。在示例的实施例中，可以对光学组件12中的各个光学元件进行分区，使得第一区域用于投射第一虚像14，而第二区域用于投射第二虚像16。在另一示例的实施例中，可以设置两组光学组件12，第一组光学组件用于投射第一虚像14，而第二组光学组件用于投射第二虚像。

需要说明的是，图2所示的抬头显示装置也可以设置为同时投射第一虚像14和第二虚像16。在此不再赘述。

图9示意性地示出在本公开的一个或多个实施例中的又一抬头显示装置90及相关光路。图9中所图示的抬头显示装置90与图2、图5-6、图8中所图示的抬头显示装置20、50、60、80共享一些相似性，并且相对于图2、图5-6、图8提供的描述酌情适用于图9中所图示的抬头显示装置90。

如图9所示，该抬头显示装置90可以包括图像生成单元21和光学组件22。该图像生成单元21被配置为生成并朝向光学组件22投射携带有待投射的第一源图像的第一图像信息的光；该光学组件22被配置为将来自图像生成单元21的光重定向到车辆的风挡23上，以使得风挡23能够反射来自光学组件22的光，以在车辆的前方形成第一源图像的第一虚像24。

继续参考图9，该第一虚像24具有距车辆较近的近端241和距车辆较远的远端242。在该实施例中，图像生成单元21被配置为使得光的在图像生成单元21和风挡23之间的且用于第一虚像24的光路，从与近端241对应的光线4到与远端242对应的光线5逐渐变长。也就是说，图像生成单元21和风挡23之间的与第一虚像24的近端241对应的光线4的光路长度短于与远端242对应的光线5的光路长度，并且光线4和光线5之间的光线在图像生成单元21和风挡23之间的光路长度从光线4到光线5逐渐变长。

在公开的一个或多个实施例中，在图像生成单元21和风挡23之间的光路从与第一虚像24的近端241对应的光线4到与远端242对应的光线5逐渐变长，其方式为使得第一虚像24所位于的像平面基本上与路面贴合。

第一虚像24的像平面与路面基本贴合，能够将图像上显示的信息投射到路面上，这能够提高增强现实体验。此外，将图像投射到路面上，不容易遮挡驾驶员的视线，因此能够提高驾驶安全性。

在本公开的一个或多个实施例中，图像生成单元21具有面向光学组件22的至少一部分的出光面2101，该出光面2101可以被取向为使得光在图像生成单元21和风挡23之间的且用于第一虚像24的光路从与第一虚像24的近端241对应的光线4到与第一虚像24的远端242对应的光线5逐渐变长。

在图9所示的具体的实施例中，从图像生成单元21的出光面2101的下端出射的光线对应于第一虚像24的远端242，而从图像生成单元21的出光面2101的上端出射的光线对应于第一虚像24的近端241。因此，与近端241相比较，为了使远端242光线投射的更远，图像生成单元21的出光面2101的下端可以更靠近图像生成单元21的与出光面2101相对的表面，以便能够延长从图像生成单元21的出光面2101的下端出射的光在图像生成单元21和风挡23之间的光路，从而可以将与远端242对应的光线投射到更远的地方。因此，通过合理设置图像生成单元21的取向，可以实现第一虚像24的像平面基本水平取向，从而可以与路面基本贴合。

在示例的实施例中，如图9所示，图像生成单元21可以包括光源251、显示单元211和位于光源251与显示单元211之间的光路中的光导252。

在一个或多个实施例中，光源251可以为点光源、线光源或面光源。光源251的数量可以为一个或多个。

显示单元211可以将光源251发出的光线转化为包括图像信息的图像光线，其可以直接或经过反射、折射等作用后形成图像。

光导252用于对从光源251发出的光进行调制，以使得光以特定的出射角度或强度分布入射到位于其光路下游的显示单元211。在示例的实施例中，光导252可以包括一个或多个反射、折射或散射光学元件，以便针对显示单元211上的各个像素对光进行调制，以使得从光导出射的光具有针对各个像素的特定出射强度或特定出射角度，从而实现从眼盒范围内观看第一虚像24时，亮度的分布均匀。

在本公开的一个或多个实施例中，光导252可以具有面向显示单元211的第一面2521和与第一面2521相对的第二面2522。第一面2521相对于第二面2522倾斜，使得第一面2521在与第一虚像24的远端242对应的光线5所源自的一侧距第二面2522的距离，小于第一面2521在与第一虚像24的近端241对应的光线4所源自的一侧距第二面2522的距离。相应地，显示单元211的出光面被取向为与第一面2521平行。

在本公开的示例实施例中，第一面2521相对于第二面2522倾斜的角度不小于25度。

在本公开的实施例中，光导252的第一面2521和显示单元211的出光面以图9所示的方式被取向为相对于第二面2522倾斜，这种布置可以延长与第一虚像24的远端242相对应的位于图像生成单元21和风挡23之间的光路，从而可以将第一虚像24的远端242投射到更远的位置，以使得第一虚像24的像平面相对于路面倾斜。通过使光导252的第一面2521和显示单元211的出光面相对于第二面2522倾斜适当的角度，可以实现第一虚像24的像平面与路面基本平行。

继续参考9，图像生成单元21还可以包括散热片253和透镜元件254。散热片253可以位于光源251的远离光导252的一侧，以便对图像生成单元21进行散热。透镜元件254可以对光源251发出的光进行准直。

继续参考9，光学组件22可以包括平面反射镜223和自由形状光学元件221。平面反射镜223可以被配置为将来自图像生成单元21的光朝向自由形状光学元件221重定向；自由形状光学元件221被配置为将来自平面反射镜223的光朝向风挡23重定向。

与图5中所图示的抬头显示装置50的光学组件12包括两个自由形状光学元件不同，图9所示抬头显示装置90的光学组件22仅包括一个自由形状光学元件221。该自由形状光学元件221为具有非均匀曲率的非球面镜。在该实施例中，该自由形状光学元件221被配置为预校正由风挡23造成的像散。

在本公开的一个或多个实施例中，平面反射镜223可以用来折叠图像生成单元21与风挡23之间的光路，以便延长图像生成单元21与风挡23之间的物距，从而可以将第一虚像24投射到距离车辆更远的地方，同时也可以减小图像生成单元21与风挡23之间的光路所占用的空间。

与图2、图5、图6和图8所示的实施例类似，在图9所示的实施例中，自由形状光学元件221被布置为使第一虚像24相对于第一源图像倒置，以使得与第一虚像24的远端242对应的光线来自第一源图像的底部，并且与近端241对应的光线来自第一源图像的顶部。也即从图像生成单元21的下端发射的光线被投射到第一虚像24的远端242，而从图像生成单元21的上端发射的光线被投射到第一虚像24的近端241，这意味着第一虚像24为倒立的虚像。为了使得第一虚像24为正立的虚像，可以将第一源图像设置为倒立的。

图10示意性地示出在本公开的一个或多个实施例中的又一抬头显示装置100及相关光路。图10中所图示的抬头显示装置100与图6和图9中所图示的抬头显示装置60、90共享一些相似性，并且相对于图6和图9提供的描述酌情适用于图10中所图示的抬头显示装置100。

与图9所示的实施例不同的是，在图10所示的实施例中，光学组件22进一步包括位于图像生成单元21的出光面2101的一侧的楔形镜224。关于楔形镜224的可选实施例，可以参考上文关于图6所描述的实施例中的楔形镜124。

图11示意性地示出在本公开的一个或多个实施例中的又一抬头显示装置110及相关光路。图11中所图示的抬头显示装置110与图8和图9中所图示的抬头显示装置80、90共享一些相似性，并且相对于图8和图9提供的描述酌情适用于图11中所图示的抬头显示装置110。

与图9所示的实施例不同的是，在图11所示的实施例中，图像生成单元21可以进一步被配置为生成携带有待投射的第二源图像的第二图像信息的光。在该实施例中，光学组件22进一步被配置为将来自图像生成单元21的携带有第二图像信息的光重定向到风挡23，以使得风挡23反射来自光学组件22的光，以在车辆的前方形成第二源图像的第二虚像26。该第二虚像26距车辆的距离小于第一虚像24距车辆的距离。

关于第二虚像26的可选实施例，可以参考上文关于图8所描述的实施例中的第二虚像16。

本公开的实施例还提供一种车辆。该车辆可以包括根据本公开的至少一个抬头显示装置，诸如根据上面详细公开的一个或多个实施例中的至少一个抬头显示装置。因此，对于该车辆的可选实施例，可以参考抬头显示装置的实施例。

图12示意性示出了在本公开的一个或多个实施例中的车辆的框图。如图12所示，该车辆可以包括上面涉及抬头显示装置的实施中描述的任一种抬头显示装置20、50、60、80、90、100、110，所述车辆可以包括风挡13、23，所述风挡13、23被配置为通过反射来自所述抬头显示装置20、50、60、80、90、100、110的携带有待投射的第一源图像的第一图像信息的光，而在所述车辆的前方形成所述第一源图像的第一虚像14、24。

需要说明的是，本公开的附图中示出的光路仅仅是示意性的，实际光路取决于光学元件的具体布置。为了在车辆前方形成虚像，可以使得从光源发出的光线与光源的出光面垂直，光线经过光导、显示单元(例如，LCD)等光学元件的作用后以与显示单元的表面具有夹角的方式出射，从显示单元出射的光为发散光。

以上为了说明和描述的目的提供了实施例的前述描述。其并不旨在是穷举的或者限制本申请。特定实施例的各个元件或特征通常不限于特定的实施例，但是，在合适的情况下，这些元件和特征是可互换的并且可用在所选择的实施例中，即使没有具体示出或描述。同样也可以以许多方式来改变。这种改变不能被认为脱离了本申请，并且所有这些修改都包含在本申请的范围内。

Claims (19)

1.一种抬头显示装置，包括图像生成单元(11、21)和光学组件(12、22)，其中：

所述图像生成单元(11、21)被配置为生成并朝向所述光学组件(12、22)投射携带有待投射的第一源图像的第一图像信息的光；

所述光学组件(12、22)被配置为将来自所述图像生成单元(11、21)的所述光重定向到车辆的风挡(13、23)上，以使得所述风挡(13、23)能够反射来自所述光学组件(12、22)的光，以在所述车辆的前方形成所述第一源图像的第一虚像(14、24)，

其中，所述第一虚像(14、24)具有距所述车辆较近的近端(141、241)和距所述车辆较远的远端(142、242)，

所述光学组件(12、22)和所述图像生成单元(11、21)中的至少一者进一步被配置为：使得所述光的在所述图像生成单元(11、21)和所述风挡(13、23)之间的且用于所述第一虚像(14、24)的光路，从与所述近端(141、241)对应的光线(4)到与所述远端(142、242)对应的光线(5)逐渐变长。

2.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其中，在所述图像生成单元(11、21)和所述风挡(13、23)之间的所述光路以使得所述第一虚像(14、24)所位于的像平面基本上与路面贴合的方式逐渐变长。

3.根据权利要求1或2所述的抬头显示装置，其中，所述图像生成单元(11、21)具有面向所述光学组件(12、22)的至少一部分的出光面(1101、2101)，所述图像生成单元(11、21)的出光面(1101、2101)被取向为：使得所述光的在所述图像生成单元(11、21)和所述风挡(13、23)之间的且用于所述第一虚像(14、24)的光路，从与所述近端(141、241)对应的光线(4)到与所述远端(142、242)对应的光线(5)逐渐变长。

4.根据权利要求3所述的抬头显示装置，其中，所述图像生成单元(11、21)包括：

光源(151、251)；

显示单元(111、211)，其位于所述光源(151、251)和所述光学组件(12、22)之间的光路中，其中所述显示单元(111、211)的出光面为所述图像生成单元(11、21)的出光面(1101、2101)；和

光导(152、252)，其位于所述光源(151、251)与所述显示单元(111、211)之间的光路中，所述光导(152、252)被配置为将来自所述光源(151、251)的光引导到所述显示单元(111、211)，

其中，所述光导(152、252)具有面向所述显示单元(111、211)的第一面(1521、2521)和与所述第一面(1521、2521)相对的第二面(1522、2522)，其中，所述第一面(1521、2521)相对于所述第二面(1522、2522)倾斜，使得所述第一面(1521、2521)在与所述远端(142、242)对应的光线(5)所源自的一侧距所述第二面(1522、2522)的距离，小于所述第一面(1521、2521)在与所述近端(141、241)对应的光线(4)所源自的一侧距所述第二面(1522、2522)的距离，并且

所述显示单元(111、211)的出光面被取向为与所述第一面(1521、2521)平行。

5.根据权利要求4所述的抬头显示装置，其中，所述第一面(1521、2521)相对于所述第二面(1522、2522)倾斜的角度不小于25度。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的抬头显示装置，其中，所述光学组件(22)包括平面反射镜(223)和自由形状光学元件(221)，其中，

所述平面反射镜(223)被配置为将来自所述图像生成单元(21)的所述光朝向所述自由形状光学元件(221)重定向；

所述自由形状光学元件(221)被配置为将来自所述平面反射镜(223)的所述光朝向所述风挡(23)重定向。

7.根据权利要求6所述的抬头显示装置，所述自由形状光学元件(221)为具有非均匀曲率的非球面镜，并且所述自由形状光学元件(221)进一步被配置为预校正由所述风挡(23)造成的像散。

8.根据权利要求7所述的抬头显示装置，其中，所述第一源图像为倒立的图像，并且其中，所述自由形状光学元件(221)进一步被布置为使所述第一虚像相对于所述第一源图像倒置，以使得与所述远端(242)对应的光线(5)来自所述第一源图像的底部，且与所述近端(241)对应的光线(4)来自所述第一源图像的顶部。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的抬头显示装置，其中，所述光学组件(12)包括：平面反射镜(123)、第一自由形状光学元件(121)和第二自由形状光学元件(122)，其中，

所述平面反射镜(123)被配置为将来自所述图像生成单元(11)的所述光朝向所述第一自由形状光学元件(121)重定向；

所述第一自由形状光学元件(121)被配置为将来自所述平面反射镜(123)的所述光朝向所述第二自由形状光学元件(122)重定向；以及

所述第二自由形状光学元件(122)被配置为将来自所述第一自由光学元件(121)的光朝向所述风挡(13)重定向。

10.根据权利要求9所述的抬头显示装置，其中，所述第一自由形状光学元件(121)和所述第二自由形状光学元件(122)为具有非均匀曲率的非球面镜。

11.根据权利要求10所述的抬头显示装置，其中，所述第一自由形状光学元件(121)和所述第二自由形状光学元件(122)中的至少一者的曲率，从与所述近端(141)对应的光线(4)在相应的自由形状光学元件上入射的位置到与所述远端(142)对应的光线(5)在相应的自由形状光学元件上入射的位置逐渐变大。

12.根据权利要求10或11所述的抬头显示装置，其中，所述第一自由形状光学元件(121)的曲率，从与所述近端(141)对应的光线(4)在所述第一自由形状光学元件上入射的位置到与所述远端(142)对应的光线(5)在所述第一自由形状光学元件上入射的位置逐渐变大，并且所述第二自由形状光学元件(122)进一步被配置为预校正由所述风挡(13)造成的像散。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的抬头显示装置，其中，所述第一源图像为倒立的图像，并且其中，所述第二自由形状光学元件(122)进一步被布置为使所述第一虚像(14)相对于所述第一源图像倒置，以使得与所述远端(142)对应的光线(5)来自所述第一源图像的底部，且与所述近端(141)对应的光线(4)来自所述第一源图像的顶部。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的抬头显示装置，其中，所述光学组件(12、22)还包括被布置在所述图像生成单元(11、21)的出光面(1101、2101)的一侧的楔形镜(124、224)，所述楔形镜(124、224)被布置为：使得来自所述图像生成单元(11、21)的且与所述远端(142、242)对应的光线(5)，透射通过所述楔形镜(124、224)的较厚部分，并且来自所述图像生成单元(11、21)的且与所述近端(141、241)对应的光线(4)，透射通过所述楔形镜(124、224)的较薄部分。

15.根据权利要求14所述的抬头显示装置，其中，所述楔形镜(124、224)的远离所述图像生成单元(11、21)的表面的至少一部分为向外突出的曲面。

16.根据权利要求15所述的抬头显示装置，其中，所述曲面的曲率被设计为：从来自所述图像生成单元(11、21)的且与所述近端(141、241)对应的光线(4)从所述楔形镜(124、224)出射的位置到来自所述图像生成单元(11、21)的且与所述远端(142、242)对应的光线(5)从所述楔形镜(124、224)出射的位置逐渐变大。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的抬头显示装置，其中，所述图像生成单元(11、21)进一步被配置为生成携带有待投射的第二源图像的第二图像信息的光，

所述光学组件(12、22)进一步被配置为将来自所述图像生成单元(11、21)的携带有所述第二图像信息的光重定向到所述风挡(13、23)，以使得所述风挡(13、23)能够反射来自所述光学组件(12、22)的光，以在所述车辆的前方形成所述第二源图像的第二虚像(16、26)，其中，所述第二虚像(16、26)距车辆的距离小于所述第一虚像(14、24)距车辆的距离。

18.根据权利要求17所述的抬头显示装置，其中，所述第二虚像(16、26)的像平面基本上与所述路面垂直。

19.一种车辆，包括风挡(13、23)和根据权利要求1至18中任一项所述的抬头显示装置(20、50、60、80、90、100、110)，所述风挡(13、23)被配置为通过反射来自所述抬头显示装置(20、50、60、80、90、100、110)的携带有待投射的第一源图像的第一图像信息的光，而在所述车辆的前方形成所述第一源图像的第一虚像(14、24)。

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