CN116699850A - 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：显示屏，用于显示图像；投影镜头，位于显示屏的出光侧，用于对显示屏的出射光线进行成像；分光器，位于投影镜头的出光侧，分光器用于将投影镜头的出射光线分别向两个不同的方向偏折，入射至风挡玻璃的不同位置，以使风挡玻璃将光线分别反射至乘客的左眼和右眼，从而可以对抬头显示装置向左右眼出射的光线的覆盖范围分别进行调节，减小该覆盖范围，有利于实现抬头显示装置的小型化和提高其光效。

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(Head Up Display，简称HUD)是在汽车行驶过程中将与车辆相关的信息投影到驾驶员视线前方，达到无需低头即可获取信息的一项技术，对于行车安全具有良好的辅助作用。

HUD系统的主体结构是投影系统，包括用于图像显示的显示屏和投影镜头，显示屏显示的图像经投影镜头成像后向汽车风挡玻璃出射，经风挡玻璃的反射后进入人眼。眼盒(eyebox)范围是HUD系统的一个重要参数，eyebox指人眼可以移动的区域，在eyebox区域内，人眼可以看清风挡玻璃反射的图像。

目前的HUD系统为能看到完整的投影画面，需要设置尽量大的eyebox，相应的投影镜头的体积也需要设置得较大，并且，由于风挡玻璃的自然反射率只有8％左右，且出于安全考虑无法在风挡玻璃上设置反射涂层，而反射光线又需要覆盖整个eyebox，由此导致HUD系统光效较低的问题。

发明内容

本发明提供了一种抬头显示装置，用以提高HUD装置的光效和实现小型化。

本发明提供一种抬头显示装置，包括：显示屏，用于显示图像；

投影镜头，位于所述显示屏的出光侧，用于对所述显示屏的出射光线进行成像；

分光器，位于所述投影镜头的出光侧，所述分光器用于将所述投影镜头的出射光线分别向两个不同的方向偏折，入射至风挡玻璃的不同位置，以使所述风挡玻璃将光线分别反射至乘客的左眼和右眼。

本发明的一些实施例中，所述分光器采用几何相位透镜，所述几何相位透镜包括衬底和位于所述衬底之上的多个微纳结构；

所述微纳结构的参数被配置为将入射的第一圆偏振光向第一方向偏折，将入射的第二圆偏振光向第二方向偏折；所述第一圆偏振光和所述第二圆偏振光的旋转方向相反，所述第一方向和所述第二方向不同。

本发明的一些实施例中，所述衬底之上的微纳结构呈轴对称分布。

本发明的一些实施例中，所述显示屏包括第一显示区和第二显示区，所述第一显示区用于显示第一图像，所述第二显示区用于显示第二图像；所述第一图像和所述第二图像分别为入射至乘客的左眼和右眼的图像；

其中，所述第一显示区出射第一圆偏振光，所述第二显示区出射第二圆偏振光。

本发明的一些实施例中，所述显示屏包括：显示面板和位于所述显示面板出光面的圆偏光片；

所述圆偏光片包括第一分区和第二分区，所述第一分区在所述显示面板的正投影覆盖所述第一显示区，所述第二分区在所述显示面板的正投影覆盖所述第二显示区；所述圆偏光片的第一分区用于将所述显示面板的出射光转化为第一圆偏振光，所述圆偏光片的第二分区用于将所述显示面板的出射光转化为第二圆偏振光。

本发明的一些实施例中，所述显示屏分时显示第一图像和第二图像，所述第一图像和所述第二图像分别为入射至乘客的左眼和右眼的图像；

所述抬头显示装置还包括：

相位延迟器，位于所述显示屏和所述分光器之间；所述相位延迟器被配置为在所述显示屏显示第一图像时对入射光线产生第一相位延迟量；在所述显示屏显示第二图像时对入射光线产生第二相位延迟量；所述第一相位延迟量将入射光线转化为第一圆偏振光，所述第二相位延迟量将入射光线转化为第二圆偏振光。

本发明的一些实施例中，所述显示屏的出射光为圆偏振光；所述第一相位延迟量为0，所述第二相位延迟量为π。

本发明的一些实施例中，所述显示屏的出射光为线偏振光，所述第一相位延迟量为π/2，所述第二相位延迟量为3π/2。

本发明的一些实施例中，所述相位延迟器采用液晶波片。

本发明的一些实施例中，所述第一图像和所述第二图像相同；或者，所述第一图像和所述第二图像不同。

本发明的一些实施例中，所述显示屏切换所述第一图像和所述第二图像的频率大于或等于120Hz。

本发明的一些实施例中，所述显示屏被配置为显示区中的部分区域用于显示图像；

所述抬头显示装置还包括：眼部追踪模块和处理器；

所述眼部追踪模块固定于所述风挡玻璃之上，所述眼部追踪模块和所述显示屏分别与所述处理器连接；

所述眼部追踪模块用于收集人眼的移动信息并发送至所述处理器；所述处理器用于根据所述移动信息控制显示图像在所述显示屏的显示区中的位置。

本发明的一些实施例中，所述抬头显示装置在乘客的单眼位置的成像尺寸小于或等于30mm*20mm。

本发明有益效果如下：

本发明提供的抬头显示装置，包括：显示屏，用于显示图像；投影镜头，位于显示屏的出光侧，用于对显示屏的出射光线进行成像；分光器，位于投影镜头的出光侧，分光器用于将投影镜头的出射光线分别向两个不同的方向偏折，入射至风挡玻璃的不同位置，以使风挡玻璃将光线分别反射至乘客的左眼和右眼，从而可以对抬头显示装置向左右眼出射的光线的覆盖范围分别进行调节，减小该覆盖范围，有利于实现抬头显示装置的小型化和提高其光效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所介绍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抬头显示装置的结构示意图之一；

图2为本发明实施例提供的几何相位透镜的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的几何相位透镜的工作原理图；

图4为本发明实施例提供的抬头显示装置的结构示意图之二；

图5为本发明实施例提供的抬头显示装置的结构示意图之三；

图6为本发明实施例提供的显示屏的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步说明。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。本发明中所描述的表达位置与方向的词，均是以附图为例进行的说明，但根据需要也可以做出改变，所做改变均包含在本发明保护范围内。本发明的附图仅用于示意相对位置关系不代表真实比例。

HUD系统的主体结构是投影系统，包括用于图像显示的显示屏和投影镜头，显示屏显示的图像经投影镜头成像后向汽车风挡玻璃出射，经风挡玻璃的反射后进入人眼。眼盒(eyebox)范围是HUD系统的一个重要参数，eyebox指人眼可以移动的区域，在eyebox区域内，人眼可以看清风挡玻璃反射的图像。

为使光线经HUD系统后人眼能看到完整且清晰的投影画面，目前的HUD系统中通常设置尽量大的eyebox，eyebox的范围普遍大于或等于120mm*60mm，加之HUD系统具有出瞳距离长的特点，因此投影镜头的出光口径需要设置得较大、投影镜头中的透镜体积也相应较大，导致了HUD系统的体积普遍较大的问题，目前市面上的HUD产品基本都在10L以上。

并且，由于风挡玻璃的自然反射率只有8％左右，且出于驾驶安全考虑无法在风挡玻璃上设置反射涂层用以提升反射率，而反射光线又需要覆盖整个eyebox，由于eyebox面积较大，实际进入人眼的光线占整个eyebox中光线的很小一部分，造成大量的光能浪费，由此导致了HUD系统光效较低的问题。

有鉴于此，本发明实施例提供一种抬头显示装置，用以提升光效和降低HUD系统的体积。

图1为本发明实施例提供的抬头显示装置的结构示意图之一。

如图1所示，本发明实施例中，抬头显示装置包括：显示屏100、投影镜头200和分光器300。

其中，显示屏100用于显示图像，投影镜头200位于显示屏100的出光侧，投影镜头200用于对显示屏100的出射光线进行成像，投影镜头200中可以包括多个透镜的组合，各透镜的面型参数及距离等可以通过光学仿真软件进行设计，以使显示屏100入射至投影镜头200的光线能够清晰成像至人眼中，本发明实施例在此对投影镜头中的透镜数量、种类和各透镜的具体结构不做限定。

分光器300位于投影镜头200的出光侧，分光器300可以用于将投影镜头200的出射光线分别向两个不同的方向偏折，偏折后的光线入射至风挡玻璃D的不同位置，以使风挡玻璃D将光线分别反射至乘客的左眼和右眼，由此可以将整个HUD装置的eyebox分为左眼eyebox和右眼eyebox分别进行调控，其中，左眼eyebox可以参照图中的E1区域，右眼eyebox可以参照图中的E2区域。

本发明实施例将HUD装置的左眼eyebox和右眼eyebox设定为较小，由相关技术中的120mm*60mm缩小至小于30mm*20mm(风挡玻璃反射至单只人眼的光线集中在该范围内即可覆盖眼球的最大移动范围)，单眼eyebox的面积缩小至相关技术中的1/12，HUD装置入射至左眼eyebox和右眼eyebox的光效分别提升至相关技术中的12倍。

另一方面，投影镜头200的出光口径决定了HUD装置eyebox的大小，出光口径越大，其成像范围越大，相应的HUD装置的eyebox也就越大，但投影镜头的出光口径越大也意味着透镜垂直于光轴方向上的直径越大、投影镜头的体积相应地越大。本发明实施例中将eyebox设定的范围缩小，相应的投影镜头的体积也可以缩小，有利于实现HUD装置的小型化。

图2为本发明实施例提供的几何相位透镜的结构示意图。

本发明实施例中，分光器300具体可以采用几何相位(Pancharatnam-Berry，简称PB)透镜，PB透镜是一种超透镜，超透镜是由大量亚波长单元在二维平面上周期或非周期排布而成的结构阵列，具有体积小、重量轻、易于集成的特点，可以实现对入射光的振幅、相位、偏振等参量的灵活调控，将其应用于HUD装置中，有利于实现HUD装置的小型化和集成化。

如图2所示，PB透镜310包括衬底311和位于衬底311之上的多个微纳结构312，通过对其中的微纳结构312的排布进行设计，可以使PB透镜310实现特定的功能。基于几何相位的特点，PB透镜仅用于对圆偏振光进行调控，本发明实施例中为实现对HUD装置的左眼eyebox和右眼eyebox分别进行调控，将采用具有将旋转方向不同的圆偏振光分角度出射功能的PB透镜。

具体的，PB透镜310中微纳结构312的参数被配置为将入射的第一圆偏振光向第一方向偏折，将入射的第二圆偏振光向第二方向偏折。其中，微纳结构312的参数包括但不限于微纳结构312的长度、高度、旋转角度、排列方向等，入射至第一圆偏振光和第二圆偏振光的旋转方向相反，分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，二者经PB透镜310后出射的第一方向和第二方向不同，即PB透镜310可以将旋转方向不同的圆偏振光分角度出射，因此，只需要使入射至PB透镜310的光线为旋转方向不同的两种圆偏振光，就可以使光线从PB透镜出射后分别入射至左眼eyebox和右眼eyebox，实现分光器的功能，从而有利于提升HUD装置的光效和实现小型化。

图3为本发明实施例提供的几何相位透镜的工作原理图。

参照图2，PB透镜310中衬底311之上的各微纳结构312可以呈轴对称分布，此时PB透镜310的工作原理如图3所示。

参照图3，平行光经过如图2所示结构的PB透镜310后，左旋圆偏振光(LCP)和右旋圆偏振光(RCP)可以从不同的方向出射，出射的LCP和RCP仍为平行光，并且，LCP和RCP的出光方向与入射光方向的夹角相等，基于上述特点，PB透镜310可以实现分光且光线对称出射。

为使入射至PB透镜310的光线为旋转方向不同的两种圆偏振光，需要使显示屏100出射圆偏振光或者对显示屏100出射的光线进行调制后以圆偏振光的形式入射至PB透镜310，显示屏100可以包括显示面板和位于显示面板出光面的偏光片，其中，偏光片用于将显示面板出射的光线转换为圆偏振光或者线偏振光，显示面板可以采用液晶(LiquidCrystal，简称LC)显示面板、发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)显示面板、微型发光二极管(Micro Light Emitting Diode，简称Micro LED)显示面板、有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode，简称OLED)显示面板、微型有机发光二极管显示面板等中的任一种，本发明实施例在此不做限定。

在本发明的一些实施例中，显示屏同时显示第一图像和第二图像，第一图像和第二图像分别为入射至乘客的左眼和右眼的图像，此时，显示屏的显示区分为第一显示区和第二显示区，第一显示区用于显示第一图像、第二显示区用于显示第二图像；HUD装置为如图1所示的结构，显示屏100出射圆偏振光，因此显示屏100包括显示面板和位于显示面板出光面的圆偏光片，对应于显示屏的两个分区，圆偏光片包括第一分区和第二分区，其中，圆偏光片的第一分区在显示面板上的正投影覆盖第一显示区、圆偏光片的第二分区在显示面板上的正投影覆盖第二显示区，圆偏光片的第一分区可以用于将显示面板的出射光转化为第一圆偏振光、圆偏光片的第二分区可以用于将显示面板的出射光转化为第二圆偏振光，从而显示屏100可以同时出射第一圆偏振光和第二圆偏振光，第一圆偏振光和第二圆偏振光经PB透镜310后向不同方向出射，分别进入乘客的左右眼中，由此乘客的左右眼可以同时接收到完整的第一图像和第二图像。

图4为本发明实施例提供的抬头显示装置的结构示意图之二。

在本发明的一些实施例中，显示屏分时地显示第一图像和第二图像，第一图像和第二图像分别为入射至乘客的左眼和右眼的图像，如图4所示，此时HUD装置中还包括相位延迟器400，相位延迟器400位于显示屏100和分光器300之间，相位延迟器400被配置为在显示屏100显示第一图像时对入射光线产生第一相位延迟量，在显示屏100显示第二图像时对入射光线产生第二相位延迟量，其中，第一相位延迟量可以用于将入射光线转化为第一圆偏振光，第二相位延迟量可以用于将入射光线转化为第二圆偏振光。在具体实施时，相位延迟器400可以采用液晶波片，通过对液晶波片施加不同的电压，可以改变液晶波片的液晶层中液晶分子的偏转状态，从而液晶波片可以作为不同类型的波片使用。

具体的，当显示屏100的出射光为圆偏振光时，第一相位延迟量为0，第二相位延迟量为π，此时相位延迟器400相当于半波片，通过相位延迟器400的第一图像对应的圆偏振光偏振状态不改变，通过相位延迟器400的第二图像对应的圆偏振光旋转方向转变为相反的方向；当显示屏100的出射光为线偏振光时，第一相位延迟量为π/2，第二相位延迟量为3π/2，此时相位延迟器400相当于1/4波片，通过相位延迟器400的第一图像对应的线偏振光和第二图像对应的线偏振光均被转换为圆偏振光，且二者的旋转方向相反。

基于上述的分光器300和相位延迟器400的原理，显示屏100切换第一图像和第二图像的频率与相位延迟器400切换产生第一相位延迟量和第二相位延迟量的频率需要相等，从而显示屏100出射的第一图像可以转换为第一圆偏振光后入射至乘客的左眼，显示屏100出射的第二图像可以转换为第二圆偏振光后入射至乘客的右眼，在具体实施时，显示屏100切换第一图像和第二图像的频率可以大于或等于120Hz，基于人眼的视觉暂留效应，乘客的左右眼均可以接收到完整的图像，当第一图像和第二图像相同时，乘客可以看到2D图像，当第一图像和第二图像是具有视差的图像时，乘客可以看到3D图像。

上述的实施例中将左眼eyebox和右眼eyebox的范围均设置为覆盖眼球可移动的最大范围，但实际行驶过程中驾驶员的头部不可避免的会产生移动，出于行驶安全和实用性的考虑，HUD装置中双眼eyebox的范围还需要覆盖头部移动的范围。

图5为本发明实施例提供的抬头显示装置的结构示意图之三；图6为本发明实施例提供的显示屏的示意图。

如图5所示，HUD装置中还可以包括眼部追踪模块500和处理器，此时显示屏100被配置为显示区中的部分区域用于显示图像，并且显示屏100分时的显示第一图像和第二图像，如图6所示，显示区110中的显示图像120即为第一图像或者第二图像。

具体的，眼部追踪模块500固定于风挡玻璃D之上，眼部追踪模块500和显示屏100均与处理器(图中未示出)连接，眼部追踪模块500可以用于收集人眼的移动信息并将其发送至处理器，处理器可以对上述人眼移动信息进行处理，并根据该人眼移动信息控制显示图像120在显示屏100的显示区110中的位置。在实际应用中，眼部追踪模块500可以包括红外摄像头，该红外摄像头具有发射和接收红外光线的功能，红外摄像头将红外光线发射至人眼，根据反射回的红外光线，处理器可以处理计算出人眼的位置，并将位置信息传送至显示屏100，从而控制显示屏100中显示图像120进行移动，以使显示图像可以跟随人眼的移动相应地进行移动，使显示画面可以更精确地成像至人眼中。

根据人眼的运动习惯，在人眼转动时，双眼瞳孔的相对位置是基本不变的，尤其在驾驶车辆时，双眼聚焦深度均在3米以外，因此，左眼eyebox和右眼eyebox是同步移动的，二者同步移动的范围即为双眼eyebox范围，双眼eyebox可以参照图5中的E区域。本发明实施例中将左眼eyebox和右眼eyebox设置为小于30mm*20mm用以提升光效和缩小装置体积，设置眼部追踪模块后双眼eyebox范围可以达到大于或等于120mm*60mm，即本发明实施例可以实现在双眼eyebox的大小仍与相关技术中保持一致的前提下，HUD装置光效得以提升、HUD装置的体积得以缩小。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种抬头显示装置，其特征在于，包括：

显示屏，用于显示图像；

投影镜头，位于所述显示屏的出光侧，用于对所述显示屏的出射光线进行成像；

分光器，位于所述投影镜头的出光侧，所述分光器用于将所述投影镜头的出射光线分别向两个不同的方向偏折，入射至风挡玻璃的不同位置，以使所述风挡玻璃将光线分别反射至乘客的左眼和右眼。

2.如权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述分光器采用几何相位透镜，所述几何相位透镜包括衬底和位于所述衬底之上的多个微纳结构；

所述微纳结构的参数被配置为将入射的第一圆偏振光向第一方向偏折，将入射的第二圆偏振光向第二方向偏折；所述第一圆偏振光和所述第二圆偏振光的旋转方向相反，所述第一方向和所述第二方向不同。

3.如权利要求2所述的抬头显示装置，其特征在于，所述衬底之上的微纳结构呈轴对称分布。

4.如权利要求2所述的抬头显示装置，其特征在于，所述显示屏包括第一显示区和第二显示区，所述第一显示区用于显示第一图像，所述第二显示区用于显示第二图像；所述第一图像和所述第二图像分别为入射至乘客的左眼和右眼的图像；

其中，所述第一显示区出射第一圆偏振光，所述第二显示区出射第二圆偏振光。

5.如权利要求4所述的抬头显示装置，其特征在于，所述显示屏包括：显示面板和位于所述显示面板出光面的圆偏光片；

所述圆偏光片包括第一分区和第二分区，所述第一分区在所述显示面板的正投影覆盖所述第一显示区，所述第二分区在所述显示面板的正投影覆盖所述第二显示区；所述圆偏光片的第一分区用于将所述显示面板的出射光转化为第一圆偏振光，所述圆偏光片的第二分区用于将所述显示面板的出射光转化为第二圆偏振光。

6.如权利要求2所述的抬头显示装置，其特征在于，所述显示屏分时显示第一图像和第二图像，所述第一图像和所述第二图像分别为入射至乘客的左眼和右眼的图像；

所述抬头显示装置还包括：

相位延迟器，位于所述显示屏和所述分光器之间；所述相位延迟器被配置为在所述显示屏显示第一图像时对入射光线产生第一相位延迟量；在所述显示屏显示第二图像时对入射光线产生第二相位延迟量；所述第一相位延迟量将入射光线转化为第一圆偏振光，所述第二相位延迟量将入射光线转化为第二圆偏振光。

7.如权利要求6所述的抬头显示装置，其特征在于，所述显示屏的出射光为圆偏振光；所述第一相位延迟量为0，所述第二相位延迟量为π。

8.如权利要求6所述的抬头显示装置，其特征在于，所述显示屏的出射光为线偏振光，所述第一相位延迟量为π/2，所述第二相位延迟量为3π/2。

9.如权利要求7或8所述的抬头显示装置，其特征在于，所述相位延迟器采用液晶波片。

10.如权利要求4～8任一项所述的抬头显示装置，其特征在于，所述第一图像和所述第二图像相同；或者，所述第一图像和所述第二图像不同。

11.如权利要求6～8任一项所述的抬头显示装置，其特征在于，所述显示屏切换所述第一图像和所述第二图像的频率大于或等于120Hz。

12.如权利要求4～8任一项所述的抬头显示装置，其特征在于，所述显示屏被配置为显示区中的部分区域用于显示图像；

所述抬头显示装置还包括：眼部追踪模块和处理器；

所述眼部追踪模块固定于所述风挡玻璃之上，所述眼部追踪模块和所述显示屏分别与所述处理器连接；

所述眼部追踪模块用于收集人眼的移动信息并发送至所述处理器；所述处理器用于根据所述移动信息控制显示图像在所述显示屏的显示区中的位置。

13.如权利要求1～8任一项所述的抬头显示装置，其特征在于，所述抬头显示装置在乘客的单眼位置的成像尺寸小于或等于30mm*20mm。