CN117031762A - 一种平视显示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及投影显示技术领域，公开了一种平视显示器，应用于驾驶室，包括：分别设置在驾驶室的挡风玻璃的顶端一侧的投影光源；设置在挡风玻璃的底端一侧的第一衍射元件；设置在挡风玻璃上的第二衍射元件；其中，第一衍射元件用于将投影光源输出的投影光线进行衍射输出至第二衍射元件；第二衍射元件用于对入射的投影光线衍射输出至人眼。本申请的平视显示器将投影光源和第一衍射元件分别至于挡风玻璃的顶端和底端以进行投影显示，有利于满足整个平视显示器的小型化；且投影光线依次两个衍射元件的衍射输出，便于更灵活的设置投影光线的传输光路，有利于平视显示器的广泛应用。

Description

一种平视显示器

技术领域

本发明涉及投影显示技术领域，特别是涉及一种平视显示器。

背景技术

平视显示装置（Augmented Reality- Head Up Display，增强现实的抬头显示装置）可以应用于汽车、飞行器等设备的驾驶室内，将驾驶信息、行进速度、导航路线等重要信息按照投影显示的方式投射于挡风玻璃上，使得驾驶员在目视前方观察周边驾驶环境的同时，能够直接同时查看各种不同的重要驾驶信息，而无需驾驶员将视线在前方驾驶环境和仪表盘之间来回切换，从而在一定程度上避免驾驶员注意力分散，提高驾驶过程中的安全性。

目前的平视显示装置多为一体式结构，PGU（Picture Generation Unit，图像生成单元）由光源、光学膜片和其它光学组件构成，用于生成平视显示装置的输出图像，图像经过多次反射后通过挡风玻璃反射进入人眼，使得投影图像呈现于人眼前方一定距离处。PGU作为平视显示装置的核心部件，结构复杂，往往具有较大的体积，而在驾驶室内容纳安装平视显示装置的空间有限，平视显示装置的尺寸难以满足实际需求。由此如何在满足平视显示装置的显示要求的基础上，使得平视显示装置光学系统更好的适应驾驶室内的安装空间，对平视显示装置的应用至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种平视显示器，在保证投影画面的显示效果的基础上，减小平视显示器安装所需的驾驶室内有效空间体积。

为解决上述技术问题，本发明提供一种平视显示器，应用于驾驶室，包括：分别设置在所述驾驶室的挡风玻璃的顶端一侧的投影光源；设置在所述挡风玻璃的底端一侧的第一衍射元件；设置在所述挡风玻璃上的第二衍射元件；

其中，所述第一衍射元件用于将所述投影光源输出的投影光线进行衍射输出至所述第二衍射元件；所述第二衍射元件用于对入射的投影光线衍射输出至人眼。

在本申请的一种可选地实施例中，所述投影光源和所述第一衍射元件之间还设置有散射屏。

在本申请的一种可选地实施例中，所述散射屏设置在所述挡风玻璃的底端一侧。

在本申请的一种可选地实施例中，所述第一衍射元件和所述第二衍射元件之间为可相互补偿像差的两个衍射元件。

在本申请的一种可选地实施例中，所述投影光源输出的投影光线的发散角范围为1°-20°。

在本申请的一种可选地实施例中，所述投影光源的输出端还设置有准直透镜。

在本申请的一种可选地实施例中，所述挡风玻璃上靠近所述投影光源的一侧还设置有具有正光焦度的第三衍射元件；

其中，所述投影光源输出的投影光线入射至所述第三衍射元件；所述第三衍射元件用于对入射的所述投影光线进行衍射输出至所述第一衍射元件；

所述第三衍射元件和所述第一衍射元件以及第二衍射元件之间为可相互补偿像差的元件。

在本申请的一种可选地实施例中，所述第一衍射元件连接有驱动电机，用于驱动调整所述第一衍射元件的倾斜角度和位置。

在本申请的一种可选地实施例中，所述第一衍射元件和所述第二衍射元件均为具有光焦度的衍射元件。

在本申请的一种可选地实施例中，所述第一衍射元件和所述第二衍射元件为全息薄膜；

所述第一衍射元件为贴膜或镀膜设置的膜层；所述第二衍射元件设置在所述挡风玻璃的夹层中或者通过贴膜或镀膜设置在所述挡风玻璃的内表面。

本发明所提供的一种平视显示器，应用于驾驶室，包括：分别设置在驾驶室的挡风玻璃的顶端一侧的投影光源；设置在挡风玻璃的底端一侧的第一衍射元件；设置在挡风玻璃上的第二衍射元件；其中，第一衍射元件用于将投影光源输出的投影光线进行衍射输出至第二衍射元件；第二衍射元件用于对入射的投影光线衍射输出至人眼。

本申请中所提供的平视显示器，将投影光源设置与挡风玻璃的顶端位置，在不影响驾驶员正常驾驶的基础上，充分利用了驾驶室顶端的空间，使得平视显示器能够更好的适应驾驶室内的安装环境，有利于平视显示器的广泛应用；在此基础上，本申请中在投影光源的输出光路上设置第一衍射元件并在挡风玻璃上设置第二衍射元件，进而使得投影光线依次通过第一衍射元件和第二衍射元件的衍射进行传输并最终入射至人眼，相对于采用需要满足反射定律的反射元件进行光线传输而言，衍射元件传输的投影光线的光路路径设置更为灵活，从而在很大程度上简化了整个平视显示器的光学设计难度，有利于平视显示器更好的适应驾驶室的安装环境。衍射元件对挡风玻璃的表面并不存在特定的弯曲度的要求，因此挡风玻璃无需特别定制，量产成本大大降低，有利于平视显示器的广泛应用；且本申请中采用两个衍射元件实现投影光线的传输，能够避免太阳光线经两个衍射元件向投影光源倒灌，从而避免投影光源因阳光倒灌而发热受损。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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为本申请实施例提供的平视显示器的光路结构示意图；

图2为本申请实施例提供的第一衍射元件和第二衍射元件的一种等效光路示意图；

图3为本申请实施例提供的第一衍射元件和第二衍射元件的另一等效光路示意图；

图4为本申请实施例提供的平视显示器的另一光路结构示意图。

具体实施方式

在应用于驾驶室的平视显示器中，包含投影光源在内的各个光学元件一般都设于驾驶室的中控台上；但在驾驶室内中控台上可容纳平视显示器的空间有限，而在目前常规的平视显示器中，多需要配置利用反射元件将投影光源输出的投影光线进行反射传输后输入至人眼，光路中各个光学元件就需要在满足光线传输需要的基础上，适应驾驶室中控台上的安装空间，这在一定程度上对增大了平视显示器在驾驶室内的安装难度。

为此，本申请提供了一种平视显示器，能够在满足投影光线的投影需求的基础上，减小平视显示器占据的空间体积，有利于平视显示器在驾驶室内的应用。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅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。

如图1所示，图1为本申请实施例提供的平视显示器的光路结构示意图。可以理解的是，本申请中的平视显示器应用于驾驶室。

在本申请的一种具体实施例中，该平视显示器可以包括：

分别设置在驾驶室的挡风玻璃4的顶端一侧的投影光源1；设置在挡风玻璃4的底端一侧的第一衍射元件2；设置在挡风玻璃4上的第二衍射元件3；

其中，第一衍射元件2用于将投影光源1输出的投影光线进行衍射输出至第二衍射元件3；第二衍射元件3用于对入射的投影光线衍射输出至人眼。

参照图1，在图1所示的实施例中，平视显示器主要包含有用于输出投影光线的投影光源1，以及依次对投影光源1输出的投影光线进行反射式衍射的第一衍射元件2和第二衍射元件3。该投影光源1可以是包含有LCD、DLP、LBS、LCOS中的任意一种光源。

本实施例的平视显示器中将投影光源1和第一衍射元件2分别设置在挡风玻璃4的顶端和底端；由此投影光源1和第一衍射元件2可以分别相互独立安装设置，使得投影光源1和第一衍射元件2之间的光路无需封装平视显示器的内部，即无需集中于驾驶室内中控台上的狭小空间中，从而在一定程度上减小平视显示器整体安装设置在驾驶室内所需要占据的有效空间体积，有利于提高平视显示器的实用性。并且将第一衍射元件2设置在挡风玻璃4的底端一侧，具体可以设置在驾驶室内的中控台或在中控台表面凹陷设置或在中控台内，能够减小平视显示器对挡风玻璃4底端一侧的安装空间的需求，同时将投影光源1设置在挡风玻璃4的顶端一侧，可以对挡风玻璃4顶端一侧的空间进行利用，由此使得平视显示器更好的适应驾驶室内的安装环境。

在此基础上，本申请的投影光源1输出的投影光线分别通过第一衍射元件2以及第二衍射元件3的衍射之后传输至人眼。相对于投影光源1输出的投影光线通过反射元件至人眼而言，投影光线的经衍射元件衍射传输无需满足反射定律，对应第一衍射元件2和第二衍射元件3分别对投影光线的衍射方向可以通过合理设置衍射元件的光学参数，使得投影光线按照设定路径传输，对于第一衍射元件2以及第二衍射元件3之间的相对位置和角度的要求更低，二者之间无需满足严格的角度和距离的要求，光路结构的设置更为灵活；且对于设置有第二衍射元件3的挡风玻璃4也并不存在特定曲率的要求，由此在一定程度上降低整个平视显示器的光路设计的复杂度，便于平视显示器的投影光源1和第一衍射元件2更灵活的安装设置。

并且，对于应用于驾驶室内的平视显示器而言，太阳光线不可避免的会向挡风玻璃4入射，但因为本申请中的第一衍射元件2和第二衍射元件3均为反射式衍射元件；由此对于入射至挡风玻璃4上第二衍射元件3的部分太阳光线，入射角如果在第二衍射元件3的可衍射角度范围内，则该部分的太阳光线也必然被第二衍射元件3进行反射式衍射输出而无法入射到驾驶室内，而对于入射角度不在第二衍射元件3的可衍射角度范围内的部分太阳光线，即便经过第二衍射元件3透射入射至第一衍射元件2的表面，但基于第一衍射元件2和第二衍射元件3之间的光路可逆的原理明显可以确定，不在第二衍射元件3的可衍射角度范围内的太阳光线，入射至第一衍射元件2时的入射角也必然不在第一衍射元件2的可衍射角度范围内，由此即便是太阳光线可以入射至第一衍射元件2也仅仅是会发生透射，而并不能衍射入射至投影光源1所在的位置，也就在一定程度上避免环境的太阳光倒灌输入至投影光源1，进而导致投影光源1发热而影响投影光源1的使用寿命的问题。由此可见，本申请中利用第一衍射元件2和第二衍射元件3实现对投影光线衍射式传输至人眼，还能够防止太阳光倒灌入射至投影光源1，对投影光源1起到保护作用。

此外，为了进一步地保证投影光源1输出的投影光线依次经过第一衍射元件2和第二衍射元件3衍射输出后所形成的投影画面具有更好的成像效果，该第一衍射元件2和第二衍射元件3之间可以设置为课相互补偿像差的两种衍射元件。

进一步地考虑到，对于投影光源1输出的投影光线而言，其最终输出的视场角大小和眼盒大小是相互制约的。而投影光源1输出投影画面一般都相对较小，由此如果直接扩大投影光线的视场角，可能会在一定程度上缩小投影光线成像的眼盒大小。为此，在本申请的另一可选地实施例中，还可以进一步地将投影光源1和第一衍射元件2之间的光路上进一步地设置散射屏5。投影光源1输出的投影光线经过散射屏5透射输出后，基于散射屏5的光学特性，使得经过散射屏5输出的投影光线发生扩散作用，输出的具有更大发散角的投影光线，从而在增大投影光线视场角的基础上避免眼盒缩小的问题。

在实际应用中，可以将该散射屏5设置在投影光源1的输出端设置，但经过散射屏5输出的投影光线，因为发散角相对较大，而设置在投影光源1上的散射屏5和第一衍射元件2之间的距离相对较大，投影光线入射到第一衍射元件2表面的光斑尺寸也就相对较大，进而要求第一衍射元件2的尺寸也相对较大，不利于平视显示器的小型化。为此，在本申请的一种可选地实施例中，可以进一步地将散射屏5设置在挡风玻璃4的底端一侧，也即是说散射屏5和第一衍射元件2设置在挡风玻璃4的同一侧，由此散射屏5和第一衍射元件2之间的相对距离较小，由此经过散射屏5输出至第一衍射元件2的投影光线的光斑也就不至于太大，从而仅仅只需要采用尺寸相当更小的第二衍射元件2即可。

此外，散射屏5可以设置在中控台表面，而第一衍射元件2可以设置在中控台相应位置的下方，光线透过散射屏5散射后，入射第一衍射元件2并被衍射。散射屏5还可以与第一衍射元件2一同设置在中控台内部，同时在中控台表面设置允许光线自由透射的平面，以此保持驾驶室的整洁，更加符合用户需求。需要说明的是，光线被第一衍射元件2衍射后入射第二衍射元件3的过程中，投影光线不会再经过散射屏5。

当然，对于投影光源1而言，无论其和第一衍射元件2之间是否设置散射屏5，均应当采用输出的投影光线的发散角相对较小的光源，可选地，该投影光源1输出的投影光源1的发散角范围可以为1°-20°，从而保证投影光源1输出的投影光线入射到散射屏5或第一衍射元件2的投影光斑面积不至于过大，由此仅仅只需要采用小尺寸的散射屏5和第一衍射元件2，即可满足光路需求。

进一步地，为了保证入射至散射屏5或者在不设置该散射屏5的情况下入射至第一衍射元件2的投影光线的发散角相对较小；在本申请的另一可选地实施例中，进一步地在投影光源1的输出端设置准直透镜，进而保证投影光源1输出的投影光线以平行光束或者是几乎是平行光束的形式入射至第一衍射元件2。可以理解的是，该准直透镜可以是内置于投影光源1的内部，从而在一定程度上提高光路结构的紧凑性。

此外，要实现投影光源1输出的投影光线的准直，并不仅限于在投影光源1的输出端设置准直透镜。如图4所示，图4为本申请实施例提供的平视显示器的另一光路结构示意图。

在本申请的另一可选地实施例中，该平视显示器还可以进一步地包括：

挡风玻璃4上靠近投影光源1的一侧还设置有具有正光焦度的第三衍射元件6；

其中，投影光源1输出的投影光线入射至第三衍射元件6；所述第三衍射元件6用于对入射的投影光线进行衍射输出至第一衍射元件2；

第三衍射元件6和第一衍射元件2以及第二衍射元件3之间为可相互补偿像差的元件。

本实施例中的第三衍射元件6具有正光焦度，也就相当于凸透镜，由此投影光源1输出的投影光线入射至第三衍射元件6进行反射式衍射输出后形成平行光束或者是几乎是平行光束入射至散射屏5或者是直接入射至第一衍射元件2，同样可以保证仅采用小尺寸的散射屏5和第一衍射元件2，即可满足光路需求。

此外，为了保证最终的投影画面的成像效果，还可以进一步地将第一衍射元件2、第二衍射元件3以及第三衍射元件6之间设置为可相互补偿像差的三个衍射元件。

进一步地考虑到不同的驾驶员在驾驶飞行器或者汽车时，因为身高体型的不同，眼睛接收投影光线所在的区域也可能并不相同，甚至可能造成人眼所在位置并不在投影光线最终输出的眼盒区域内，导致驾驶员无法观看到投影画面，也就无法获知驾驶信息。为此，在本申请的另一可选地实施例中，还可以进一步地包括：

第一衍射元件2连接有驱动电机，用于驱动调整第一衍射元件2的倾斜角度和位置。

本实施例中通过将第一衍射元件2连接驱动电机，使得第一衍射元件2的倾斜角度和位置可调，也即使得投影光线入射至第一衍射元件2之后，投影光线在驾驶室内的空间中传输路径的方向和位置可调，也即使得最终经过第二衍射元件3衍射输出的投影光线所对应的眼盒区域在空间中的位置可调，从而在实际应用中，可以基于具体的驾驶员的身高体形的不同，利用驱动电机将第一衍射元件2的倾斜角度和位置调整到恰当位置，从而保证不同驾驶员均能够观看到投影画面中的驾驶信息。

在本申请的另一可选地实施例中，第一衍射元件2和第二衍射元件3还可以设置为具有光焦度的衍射元件，以调节投影画面的尺寸大小和成像深度，从而便于驾驶员更清楚的观看投影画面中的驾驶信息。需要说明的是，第一衍射元件2和第二衍射元件3的光焦度的设置方式即可存在多种。

例如，可以设置第一衍射元件2的光焦度为正，且第二衍射元件3的光焦度也为正，此时第一衍射元件2和第二衍射元件3的作用均相当于凹面镜。参照图2，该第一衍射元件2的作用相当于凹面镜的作用，并且第一衍射元件2的焦距远小于第一衍射元件2和第二衍射元件3之间的距离，由此使得投影光线以较大的发散角入射至第二衍射元件3后，形成具有较大视场角的虚拟画面。第二衍射元件23具有正的光焦度，对投影光线表现为凹面镜，将投影光线衍射至眼盒区域，在一定程度上增加投影光线的成像深度，进而提升投影光线的显示效果。

当然，在实际应用中，第一衍射元件2和第二衍射元件3的光焦度的设置方式也并不仅限于上述一种设置方式。在本申请的另一可选地实施例中，可以设定第一衍射元件2的光焦度为负而第二衍射元件3的光焦度为正。此时第一衍射元件2相当于凸面镜而第二衍射元件3相当于凹面镜，如图3所示，投影光源1输出的投影光线入射至第一衍射元件2，形成发散角较大的扩散光束，该扩散光束入射至第二衍射元件3，经过第二衍射元件3成像，使得投影光线成像所形成的投影画面相对较大且具有合适的成像深度，进而提升投影光线的显示效果。可以理解的是，在实际应用中，第一衍射元件2和第二衍射元件3也并不排除还存在其他设置光焦度的方式，只要最终保证所形成的投影画面的尺寸大小便于驾驶员看清驾驶信息，并在此基础上保证投影画面的一定成像深度即可。

基于以上任意实施例，对于本申请中的第一衍射元件2和第二衍射元件3可以采用全息薄膜。

第一衍射元件2以玻璃夹层的形式设置在驾驶室内的中控台上或中控台散射屏下方的位置，该玻璃夹层即作为保护层，避免第一衍射元件2磨损。或者，该第一衍射元件2可以采用镀膜或者贴膜的方式设置在驾驶室内的中控台表面或中控台散射屏下方的位置。

而第二衍射元件3可以进一步地设置在挡风玻璃4的夹层中，通过在挡风玻璃4的夹层中设置光敏材料，然后进行曝光形成全息薄膜，从而使得挡风玻璃4在一定程度上起到保护第二衍射元件3的作用；当然该第二衍射元件3也可以直接通过镀膜或者贴膜的方式设置在挡风玻璃4的内表面。

可以理解的是，在设置有第三衍射元件6的实施例中，第三衍射元件6可以是和同样设置在挡风玻璃4上的第二衍射元件3相同的设置方式。

综上所述，本申请中的平视显示器，将投影光源和第一衍射元件分别至于挡风玻璃的顶端和底端两侧，有效利用驾驶室内的空间，使得平视显示器能够更好的适应驾驶室内的安装环境，有利于平视显示器的广泛应用；且使得投影光源输出的投影光线依次通过第一衍射元件和第二衍射元件进行衍射后输出，不受限于反射定理限制，使得投影光线的光路路径设计更为灵活，各个光学器件间的相对位置不受限制，有利于平视显示器的小型化，还降低挡风玻璃的表面弯曲度的设定要求，从而在很大程度上降低了整个平视显示器的加工成本，有利于平视显示器的广泛应用。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、 “包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种平视显示器，其特征在于，应用于驾驶室，包括：分别设置在所述驾驶室的挡风玻璃的顶端一侧的投影光源；设置在所述挡风玻璃的底端一侧的第一衍射元件；设置在所述挡风玻璃上的第二衍射元件；

其中，所述第一衍射元件用于将所述投影光源输出的投影光线进行衍射输出至所述第二衍射元件；所述第二衍射元件用于对入射的投影光线衍射输出至人眼。

2.如权利要求1所述的平视显示器，其特征在于，所述投影光源和所述第一衍射元件之间还设置有散射屏。

3.如权利要求2所述的平视显示器，其特征在于，所述散射屏设置在所述挡风玻璃的底端一侧。

4.如权利要求1所述的平视显示器，其特征在于，所述第一衍射元件和所述第二衍射元件之间为可相互补偿像差的两种衍射元件。

5.如权利要求1所述的平视显示器，其特征在于，所述投影光源输出的投影光线的发散角范围为1°-20°。

6.如权利要求5所述的平视显示器，其特征在于，所述投影光源的输出端还设置有准直透镜。

7.如权利要求5所述的平视显示器，其特征在于，所述挡风玻璃上靠近所述投影光源的一侧还设置有具有正光焦度的第三衍射元件；

其中，所述投影光源输出的投影光线入射至所述第三衍射元件；所述第三衍射元件用于对入射的所述投影光线进行衍射输出至所述第一衍射元件；

所述第三衍射元件和所述第一衍射元件以及第二衍射元件之间为可相互补偿像差的元件。

8.如权利要求1所述的平视显示器，其特征在于，所述第一衍射元件连接有驱动电机，用于驱动调整所述第一衍射元件的倾斜角度和位置。

9.如权利要求1所述的平视显示器，其特征在于，所述第一衍射元件和所述第二衍射元件均为具有光焦度的衍射元件。

10.如权利要求1所述的平视显示器，其特征在于，所述第一衍射元件和所述第二衍射元件为全息薄膜；

所述第一衍射元件为贴膜或镀膜设置的膜层；所述第二衍射元件设置在所述挡风玻璃的夹层中或者通过贴膜或镀膜设置在所述挡风玻璃的内表面。