CN117891072A - 一种提高hud对比度的方法、装置及hud显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高汽车HUD对比度的方法、装置及HUD显示设备，方法包括对HUD显示器的出射光进行偏振调节，基于HUD显示画面的亮暗状态对画面对应的出射光线进行偏振调节使得偏振调节后的显示画面对应的光线落入到前挡风玻璃上；其中偏振调节被配置为将亮态画面对应的出射光调节为S偏振光、将暗态画面对应的出射光调节为P偏振光。本发明的优点在于：通过偏振调节的方式来实现HUD功能画面的对比度的提升，减少因为对比度造成的对驾驶员观察路面情况的干扰，提高HUD功能的可靠性和可用性，提高用户体验。

Description

一种提高HUD对比度的方法、装置及HUD显示设备

技术领域

本发明涉及HUD抬头显示领域，特别涉及一种提高HUD显示画面对比度的方法、装置及HUD显示设备。

背景技术

汽车HUD(Head-up-Display)，全称为汽车抬头显示系统，是将需要显示的信息投影到驾驶员前方的透明介质上，即汽车前挡风玻璃水，从而将驾驶的一些车辆信息显示在前挡玻璃上，这样用户就不需要再低头查看仪表盘，从而提高了驾车的安全性。

目前HUD或车载屏的显示系统大部分采用TFT的技术，TFT具有一定的成本优势，且技术成熟。但是TFT的出射光为线性偏振光，出于对反射率的考虑，一般出射光一般设置为S光。由于TFT LCD技术的限制，HUD LCD的对比度一般约在1800左右，在夜间行车的时候，对比度如果较低会影响到驾驶者观察实际路面，导致HUD画面显示功能影响驾驶员正常观察路面的情况发生。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种提高HUD对比度的方法、装置及HUD显示设备，用于提高汽车HUD显示画面的对比度，避免对比度较低影响功能正常使用以及在夜间对比度较低影响驾驶员观察路面的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种提高汽车HUD对比度的方法，对HUD显示器的出射光进行偏振调节，基于HUD显示画面的亮暗状态对画面对应的出射光线进行偏振调节使得偏振调节后的显示画面对应的光线落入到前挡风玻璃上；其中偏振调节被配置为将亮态画面对应的出射光调节为S偏振光、将暗态画面对应的出射光调节为P偏振光。

HUD显示器的画面对应的出射光为S偏振光，HUD显示器的显示画面按照画素所在位置进行划分，分别对每个画素对应的出射光线进行偏振调节。

当画素对应画面为亮态画面时，则该画素对应的出射光线不做调节，保持S偏振光出射到前挡玻璃上；当画素对应的画面为暗态画面时，则该画素对应的出射光线由S偏振光调节为P偏振光后出射到前挡风玻璃上。

一种提高汽车HUD对比度的装置，所述装置包括偏振转换液晶盒，所述偏振转换液晶盒设置在HUD显示器的出射光方向上，其用于根据HUD显示器的画面的亮暗状态调节亮暗状态区域对应的出射光线的偏振状态。

所述液晶盒包括上玻璃基本和下玻璃基板，所述上下玻璃基板对向设置，在上下玻璃基板中间填充有液晶，在液晶和上下玻璃基板之间的上玻璃基板或下玻璃基板上均涂布上配向层，通过配向层使得液晶具有一定的初始方向并被配置为通过通电控制使得液晶转动方向。

所述上玻璃基板为ITO玻璃，下玻璃基板为包括画素开关器件的TFT基板，通过画素开关器件来驱动控制对液晶的通电控制。

液晶盒的液晶双折射差△n和液晶盒的盒厚d的设置满足：△n*d>c，其中c为设置的阈值常数。

HUD显示器画面对应的出射光为S偏振光，液晶盒的下玻璃基板的配向层的配向方向与HUD显示器的出射光的偏振方向一致，液晶盒的上玻璃基板的配向层的配向方向与下玻璃基板的配向方向垂直设置，液晶采用向列液晶，液晶的初始状态下扭曲角度为90°。

所述液晶盒设置有与HUD显示器显示区域大小一样的画素区域，且画素的分辨率与HUD显示器保持一致；在HUD显示器的出射光方向上，液晶盒的画素区域内的每一个画素与HUD显示器的画素在位置上一一对应，画面对应的光线穿过HUD显示器的画素后再穿过液晶盒对应的画素，在液晶盒的下玻璃基板上设置有对每个画素一一对应的充电开关薄膜晶体管，其受控于驱动IC，用于根据HUD显示器的每个画素的画面亮暗对应的控制液晶盒中每个画素对应的充电开关晶体管的通断以实现对每个画素对应的液晶充电控制。

一种HUD显示设备，所述设备包括HUD显示器和偏振转换模块，所述HUD显示器用于出射HUD画面对应的出射光，在出射光方向上设置有偏振转换模块，所述偏振转换模块采用所述的提高汽车HUD对比度的装置来实现。

本发明的优点在于：通过偏振调节的方式来实现HUD功能画面的对比度的提升，减少因为对比度造成的对驾驶员观察路面情况的干扰，提高HUD功能的可靠性和可用性，提高用户体验。

附图说明

下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明HUD显示器的示意图；

图2为本发明HUD显示器显示画面的画素示意图；

图3为本发明偏振转换晶体盒的原理示意图；

图4为本发明HUD与晶体盒的光线传递方向的整体结构布局示意图；

图5为偏振转换配向方式示意图；

图6为本发明偏振转换晶体盒的工作模式示意图；

图7为本发明的偏振转换晶体盒与HUD显示器画素对应位置示意图；

图8为画素驱动方式原理图；

图9为HUD显示的光线传递示意图；

图10为S光和P光的反射率随入射角变化曲线图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图9所示，为现有技术的HUD显示器的功能原理示意图，HUD显示屏采用的TFT技术，TFT具有一定的成本优势，且技术成熟。但是TFT的出射光为线性偏振光，出于对反射率的考虑，一般出射光一般设置为S光。偏振光S波出射到前挡玻璃上后反射至驾驶员眼睛肿从而实现了HUD功能。但是由于TFT LCD技术的限制，HUD LCD的对比度一般约在1800左右，AR–HUD中在夜间行车的时候，对比度如果较低会影响到驾驶者观察实际路面。

如图10所示，空气折射率n1为1.0，玻璃折射率n2为1.52。根据菲涅尔方程公式计算，s光的反射率随入射角的增加而变大，p光的反射率随着入射角的增加，先减小至零后再增加。在60°入射角时，s光的反射率要远大于p光的反射率，反射率越高则入眼光线越强越多，画面就会越亮，基于此本申请据此来通过PS偏振光的调节来实现明暗显示的对比度的增加。

本实施例提供一种提高汽车HUD对比度的方法，对HUD显示器的出射光进行偏振调节，基于HUD显示画面的亮暗状态对画面对应的出射光线进行偏振调节使得偏振调节后的显示画面对应的光线落入到前挡风玻璃上；其中偏振调节被配置为将亮态画面对应的出射光调节为S偏振光、将暗态画面对应的出射光调节为P偏振光。

HUD显示器的画面对应的出射光为S偏振光，HUD显示器的显示画面按照画素所在位置进行划分，分别对每个画素对应的出射光线进行偏振调节。

当画素对应画面为亮态画面时，则该画素对应的出射光线不做调节，保持S偏振光出射到前挡玻璃上；当画素对应的画面为暗态画面时，则该画素对应的出射光线由S偏振光调节为P偏振光后出射到前挡风玻璃上。其中HUD显示器的出射光相对于前挡玻璃的入射角度在40-60°，优选的角度在50-65°，因为再次入射角度下，P和S偏振光的反射率相差较大，这样就可以进一步增加两者之间的对比度。

本实施例还提供一种提高汽车HUD对比度的装置，所述装置包括偏振转换液晶盒，、偏振转换液晶盒设置在HUD显示器的出射光方向上，其用于根据HUD显示器的画面的亮暗状态调节亮暗状态区域对应的出射光线的偏振状态。

液晶盒包括上玻璃基本和下玻璃基板，上下玻璃基板对向设置，在上下玻璃基板中间填充有液晶，在液晶和上下玻璃基板之间的上玻璃基板或下玻璃基板上均涂布上配向层，通过配向层使得液晶具有一定的初始方向并被配置为通过通电控制使得液晶转动方向。

其中上玻璃基板为ITO玻璃，下玻璃基板为包括画素开关器件的TFT基板，通过画素开关器件来驱动控制对液晶的通电控制。

液晶盒的液晶双折射差△n和液晶盒的盒厚d的设置满足：△n*d>c，其中c为设置的阈值常数。优选的，本实施例提供的阈值常熟c为1.5um。

HUD显示器画面对应的出射光为S偏振光，液晶盒的下玻璃基板的配向层的配向方向与HUD显示器的出射光的偏振方向一致，液晶盒的上玻璃基板的配向层的配向方向与下玻璃基板的配向方向垂直设置，液晶采用向列液晶，液晶的初始状态下扭曲角度为90°。

液晶盒设置有与HUD显示器显示区域大小一样的画素区域，且画素的分辨率与HUD显示器保持一致；在HUD显示器的出射光方向上，液晶盒的画素区域内的每一个画素与HUD显示器的画素在位置上一一对应，画面对应的光线穿过HUD显示器的画素后再穿过液晶盒对应的画素，在液晶盒的下玻璃基板上设置有对每个画素一一对应的充电开关薄膜晶体管，其受控于驱动IC，用于根据HUD显示器的每个画素的画面亮暗对应的控制液晶盒中每个画素对应的充电开关晶体管的通断以实现对每个画素对应的液晶充电控制。

其工作原理为：当HUD显示器的画面中亮态区域对应的画素我们需要其反射率更高，由于入射角度为50-65°，此时P偏振反射率很小接近于0而，S偏振则反射率较高，因此画面的亮态区域选择S波偏振光、暗态区域选择p偏振光，然后根据HUD显示器的驱动IC中画面对应的亮暗状态分别控制每个画素对应的供电与否，进而控制是否将S光调节为P光，从而实现亮暗画面对应的光线的偏振状态p或s，调节后的光线经前挡玻璃反射后由于反射率的不同，就可以更好的提高两者的对比度。

本实施例还提供一种HUD显示设备，该设备包括HUD显示器和偏振转换模块，HUD显示器用于出射HUD画面对应的出射光，在出射光方向上设置有偏振转换模块，所述偏振转换模块采用上述实施例中的提高汽车HUD对比度的装置来实现。

下面将结合附图对各个组成部分的原理进一步说明如下：

如图1所示，HUD显示器采用FTF-LCD显示器，LCD的主要构成为两片玻璃基板对向设置，上玻璃基板为包含红绿蓝色阻的彩色滤光膜，下玻璃基板为包含开光器件的TFT基板，两块玻璃基板中间填充有液晶，液晶和玻璃之间会在玻璃基板上涂布上配向层，通过配向层使得液晶具有一定的初始方向，在液晶玻璃面板的上方和下方都设置有偏光片，使得LCD的入射光和出射光均为偏振光。上下偏光片的偏振方向一般为互相垂直，常黑模式下，若不给LCD加电，下偏振光在通过液晶层后的偏振方向不会改变，此时出射光通过上偏振片时，由于偏振方向垂直，光线不能通过偏振光，此时LCD显示为黑态，若给液晶加电后，通过液晶层的偏振光的偏振方向发生变化，此时有光能通过上偏振片，LCD显示为亮态。所有通过LCD后的出射光均为上偏振方向的偏振光。图1中中英文对照：如ITO电极：透明导电电极、BM：黑色矩阵。

如图2所示，LCD显示器的图像画面区域对应的LCD是由成千上万个画素构成，每个画素有RGB三个区域组成。所有的画素构成LCD的显示区域。以上为HUD显示器的基本的显示系统，但是其会存在对比度的问题，因此本申请在HUD上进一步增加液晶盒，如图3所示。

如图3所示为本申请提供的液晶盒原理示意图，在LCD的显示器的出射光方向设置一偏振转换液晶盒，该液晶盒主要构成为两片玻璃基板对向设置，上玻璃基板为ITO玻璃，下玻璃基板为包含画素开关器件的TFT基板，两块玻璃基板中间填充有液晶，液晶和玻璃之间会在玻璃基板上涂布上配向层(通过配向层材料，涂布在玻璃上摩擦或者UV照射后形成配向方向)，通过配向层使得液晶具有一定的初始方向。(初始方向为：液晶盒的下基板的配向方向与LCD的出生光方向一致，上基板的配向方向与下基板垂直。)该液晶盒设计较大的△nd，减小红绿蓝不同波长的透过率差异，其中△n为液晶的双折射差，d为液晶盒的盒厚。其中盒厚是指液晶盒的上玻璃基板的ITO电极到下玻璃基板的ITO之间的距离。(液晶具有双折射特性，ne-no为双折射的差。)其具体要求为△n d＞1.5um。这样可以有效减小红绿蓝不同波长的透过率差异，透过率的差异变小以保证画面没有色差。

如图4所示，由于HUD显示器即LCD的出射光均为偏振光S光，偏振转换盒的下玻璃基板的配向膜的配向方向同LCD的出射光S光的偏振方向一致，使其能够入射到液晶内。偏振转换盒的上玻璃基板的配向方向与下玻璃基板配向方向垂直设置，如图5所示。液晶采用向列相液晶，液晶的初始状态下扭曲角度为90°。

如图6所示，偏振转换盒在不加电时，由于液晶旋光性，扭曲角为90度的液晶层使得入射的S偏振光转换成P光。该偏正转换盒施加合适的电压Vop(电压施加在每个画素的单独的ITO电极上，TFT为充电的开关，打开时数据线给画素ITO电极充电)，该电压一般为液晶盒的饱和电压，液晶盒内的液晶受到电场作用相对于玻璃垂直站立，此时入射S光经过偏正转换盒之后，偏振方向不发生改变，出射光依旧为S光。因此，在实际的控制过程中，针对需要显示暗态的画面，则不施加电，则在液晶作用下，其转换为P偏振光，在需要显示亮态画面时，则施加合适电压Vop至液晶，使得液晶受到电场作用相对于玻璃垂直站立，此时入射S光经过偏正转换盒之后，偏振方向不发生改变，出射光依旧为S光。调整后的SP偏振光射到前挡玻璃后反射至人脸中，其中在设置时保证出射到前挡玻璃的出射光的入射角在50-65°之间，因为这一个入射角之间的反射率P和S偏振光相差较大，可以增加对比度，从而实现了HUD显示功能的画面对比对更大，避免夜间对用户使用时影响观察路面。注意，入射角是指HUD画面经液晶盒调节后的出射光，该出射光会射到前挡玻璃上再反射至人眼。

在施加电压进行控制时，以画素为基本单位进行控制，将画面按照画素进行划分，基于每个画素画面对应的光线进行PS偏振调节从而实现HUD画面偏振光的调节后出射至前挡玻璃上。液晶盒的画素区域的设置包括：如图7该偏振液晶盒的画素区域同LCD的显示区域设置为一样大，且画素的分辨率同LCD一致。在出射光方向上偏振转换盒的画素与LCD的画素在位置上一一对应，光线穿过LCD的画素后，再穿过偏振转换盒的对应位置画素。在偏振转换盒的TFT玻璃基板上针对每一个画素设计充电开关薄膜晶体管TFT，并通过IC控制驱动，如图8所示。这样再对一帧HUD画面进行调节控制时，可以通过HUD的主控IC获取画面中每个画素对应的显示的亮暗状态，基于获取的亮暗状态得到每个画素应当调节为P还是S偏振光，当属于亮态显示的画面时，此时给该画素对应的晶体管TFT以控制信号驱动该TFT闭合，从而控制驱动电压Vop施加到该画素对应的液晶上，通过该画素的出射光线保持S偏振光通过，针对需要暗态显示的画面时，此时不做任何操作，不施加任何电压，此时由于液晶本身特性将经过该画素的S偏振光调节为P偏振光，这样实现每一个画素的调节就能够实现一帧画面的出射光线的调节，出射光线被射到前挡玻璃上后反射的人眼中，此时出射光线的射到前挡玻璃上的入射角应当在50-65°之间，以保证反射率在P光和S光之间的差距较大，如图10所示，这样就可以实现两者之间的反射率相差较大，实现画面的对比度的增加。

如图4-7所述，LCD与偏振转换液晶盒一起构成的装置作为HUD显示系统中的图像显示单元。车载HUD的显示系统为图像生成单元经过HUD的光学系统投射到汽车的前挡玻璃上，在反射入眼。且HUD的出射光线对于前挡玻璃的入射角度在55°～65°左右。该显示装置的驱动方式如下，在LCD显示亮态位置，偏振转换盒的对应位置施加至液晶饱和电压，当LCD出射的S光经过偏振转换盒时，最终出射光还是S光。此时经过HUD光学系统后，从汽车前挡玻璃反射入眼的光反射率较高。在LCD显示暗态位置，偏振转换盒对应位置施加电压为0，使得整体出射光线由S光转换成P光，此时由于菲涅尔方程公式计算得知，P光经过HUD光学系统后，从汽车前挡玻璃反射入眼的光反射率较小。以此来提升整体的对比度，是驾驶员在夜间使用HUD时不受暗态漏光影响。偏振转换盒的IC驱动可同步LCD的IC驱动控制，在需要的位置进行偏振的切换。保持图像亮态区域的出射光为S光，暗态区域的出射光为P光。

本实施例提供的一种LCD的HUD显示装置，LCD出射的光线相对于前挡玻璃为S偏振光。在LCD面板上方增加一个偏振转换盒。Switch cell画素同LCD画素一一对应，可单独驱动画素液晶可处于两种状态，设计较大的△nd＞1.5um减小RGB不同波长的透过率差异，液晶twist＝90°可切换P和S偏振状态。且可根据显示面板的画面进行切换。在显示暗态时切换到P偏光，使得HUD反射入眼的光降低。显示亮态时切换到S偏光，反射率增加，可入眼显示正常画面。以此来提升整体的对比度，是驾驶员在夜间使用HUD时不受暗态漏光影响。

在申请的实施例中一种HUD显示装置，包括HUD显示器和液晶盒：其中HUD显示器有第一基板与第二基板对向设置，其间液晶层，第一基板和第二基板外侧贴有POL，第一基板与第二基板形成显示面板。在第二基板POL上方设置有第三基板和第四基板形成偏振转换盒，其间夹有液晶层，该液晶层为TN模式，twist90°，nd＞1.5um。第三基板的配向方向与第二基板上POL的出射光偏振方向平行。第三及第四基板的画素与显示一一对应，且可根据显示面板的显示画面暗亮，针对相应的画素进行驱动切换P及S偏光。组成的显示模组与光机构成AR HUD的光源。且LCD对于前挡玻璃的入射角度在55°～65°左右。

其中显示面板的射到前挡玻璃上的出射光相对于前挡玻璃为S偏振光。且输入角度在50-65°。此时P和S偏振光的反射率相差较大，可以实现较大的对比度。在进行P和S光调节时，只需要在第三基板与第四基板的画素电压为V0及Vop。通过信号控制根据显示面板的画面进行切换，即：显示面板显示暗态时，偏振转换盒施加Vop电压，使得出射光成P偏振。显示面板显示亮态时，偏振转换盒施加V0电压。使得出射光保持S偏振。

显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高汽车HUD对比度的方法，其特征在于：对HUD显示器的出射光进行偏振调节，基于HUD显示画面的亮暗状态对画面对应的出射光线进行偏振调节使得偏振调节后的显示画面对应的光线落入到前挡风玻璃上；其中偏振调节被配置为将亮态画面对应的出射光调节为S偏振光、将暗态画面对应的出射光调节为P偏振光。

2.如权利要求1所述的一种提高汽车HUD对比度的方法，其特征在于：HUD显示器的画面对应的出射光为S偏振光，HUD显示器的显示画面按照画素所在位置进行划分，分别对每个画素对应的出射光线进行偏振调节。

3.如权利要求2所述的一种提高汽车HUD对比度的方法，其特征在于：当画素对应画面为亮态画面时，则该画素对应的出射光线不做调节，保持S偏振光出射到前挡玻璃上；当画素对应的画面为暗态画面时，则该画素对应的出射光线由S偏振光调节为P偏振光后出射到前挡风玻璃上。

4.一种提高汽车HUD对比度的装置，其特征在于：所述装置包括偏振转换液晶盒，所述偏振转换液晶盒设置在HUD显示器的出射光方向上，其用于根据HUD显示器的画面的亮暗状态调节亮暗状态区域对应的出射光线的偏振状态。

5.如权利要求4所述的一种提高汽车HUD对比度的装置，其特征在于：所述液晶盒包括上玻璃基本和下玻璃基板，所述上下玻璃基板对向设置，在上下玻璃基板中间填充有液晶，在液晶和上下玻璃基板之间的上玻璃基板或下玻璃基板上均涂布上配向层，通过配向层使得液晶具有一定的初始方向并被配置为通过通电控制使得液晶转动方向。

6.如权利要求5所述的一种提高汽车HUD对比度的装置，其特征在于：所述上玻璃基板为I TO玻璃，下玻璃基板为包括画素开关器件的TFT基板，通过画素开关器件来驱动控制对液晶的通电控制。

7.如权利要求4-6任一所述的一种提高汽车HUD对比度的装置，其特征在于：液晶盒的液晶双折射差△n和液晶盒的盒厚d的设置满足：△n*d>c，其中c为设置的阈值常数。

8.如权利要求4-6任一所述的一种提高汽车HUD对比度的装置，其特征在于：HUD显示器画面对应的出射光为S偏振光，液晶盒的下玻璃基板的配向层的配向方向与HUD显示器的出射光的偏振方向一致，液晶盒的上玻璃基板的配向层的配向方向与下玻璃基板的配向方向垂直设置，液晶采用向列液晶，液晶的初始状态下扭曲角度为90°。

9.如权利要求4-6任一所述的提高汽车HUD对比度的装置，其特征在于：所述液晶盒设置有与HUD显示器显示区域大小一样的画素区域，且画素的分辨率与HUD显示器保持一致；在HUD显示器的出射光方向上，液晶盒的画素区域内的每一个画素与HUD显示器的画素在位置上一一对应，画面对应的光线穿过HUD显示器的画素后再穿过液晶盒对应的画素，在液晶盒的下玻璃基板上设置有对每个画素一一对应的充电开关薄膜晶体管，其受控于驱动IC，用于根据HUD显示器的每个画素的画面亮暗对应的控制液晶盒中每个画素对应的充电开关晶体管的通断以实现对每个画素对应的液晶充电控制。

10.一种HUD显示设备，其特征在于：所述设备包括HUD显示器和偏振转换模块，所述HUD显示器用于出射HUD画面对应的出射光，在出射光方向上设置有偏振转换模块，所述偏振转换模块采用如权利要求4-9任一所述的提高汽车HUD对比度的装置来实现。