CN203799119U - 基于激光光源的抬头显示系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及激光投影显示技术，提供了基于激光光源的抬头显示系统，该抬头显示系统包括激光光源组件、光源控制单元、光强传感器件、显示芯片、显示芯片控制单元、系统控制单元和透明屏幕；所述透明屏幕使用掺杂有至少三种不同粒径的纳米颗粒的透明介质制作而成，每种粒径的纳米颗粒具有固定波长的共振瑞利散射波长，这个波长与激光光源的发光波长一一对应，每一种激光可以在屏幕上形成共振瑞利散射，从而形成实像。所述的抬头显示系统具有可视范围宽，光学设计较简单，光源的光能利用率高，色彩鲜艳等特点。

Description

基于激光光源的抬头显示系统

技术领域

本实用新型涉及激光投影显示技术，尤其涉及一种基于激光光源的抬头显示系统。

背景技术

车载抬头显示系统（Head-Up Display，HUD），又称平视显示器系统，是显示于汽车前挡风玻璃上的一种显示系统，用于显示汽车速度、转速、油耗和导航信息等，驾驶员不用低头即可观察到车辆的诸多信息，避免驾驶员低头观看仪表盘信息时可能存在的交通安全隐患。目前HUD多配置于高端汽车内部。

常见的HUD系统在汽车前挡风玻璃内表面上镀有或贴附一层表面反射率较高的薄膜，用于反射玻璃下方投影系统所投射出来的光线，这类系统所成的图像为虚像，一般仅有驾驶员可观察到，坐在副驾驶位的乘客无法观察到HUD的图像。HUD中常见的反射膜由高折射率的介质组成，光透射率约在70%左右，表面反射率为20%以上。作为汽车前的挡风玻璃，要求有很高的透射率，而作为HUD的反射膜，需要有高的反射率，这与汽车前挡风玻璃对透光率的要求是矛盾的。由于需要兼顾透射率和反射率，现有的HUD系统的光利用率都很低，因此就要求投影系统具有高亮度的光输出，对投影系统的设计与制作提出了更高的要求。

现有的平视显示器的光学组件以准直原理进行工作，作为图像源的平面位于光学系统的焦平面上，如果图像源平面偏离了光学系统的焦平面，则同一字符点给出的瞄准线不平行，将会造成视差。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种基于激光光源的抬头显示系统，旨在解决现有技术中抬头显示系统所成的图像为虚像，且可视范围窄的问题。

本实用新型是这样实现的，基于激光光源的抬头显示系统，包括：激光光源组件、光源控制单元、光强传感器件、显示芯片、显示芯片控制单元、系统控制单元和透明屏幕；

所述激光光源组件用于产生可混合成白光的多基色激光；

所述光强传感器件与所述光源控制单元相连接，用于探测周围环境的光强度，并把光强度数据反馈给所述光源控制单元；

所述光源控制单元与所述激光光源组件相连接，用于为所述激光光源组件提供电源，并根据所述光强传感器件反馈的光强度数据向所述激光光源组件发出控制信号，控制调整光源的输出功率；

所述显示芯片控制单元与所述显示芯片相连接，用于为所述显示芯片提供电源，同时还用于提供驱动显示芯片的信号以及控制所述显示芯片显示的图像信息；

所述显示芯片对激光光源组件产生的多基色激光进行调制，使所述多基色激光携带上所述显示图像信息；

所述系统控制单元分别与所述光源控制单元、所述显示芯片控制单元相连接，用于协调光源控制单元、所述显示芯片控制单元和所述光强传感器件之间的工作及数据的传输，还用于与外界进行数据通讯；

所述透明屏幕用于供所述显示芯片调制后的多基色激光成像。

进一步地，所述抬头显示系统还包括匀光装置和光学系统；

所述匀光装置放置于所述激光光源组件前，用于对激光光源组件发出的入射光束进行扩束处理、匀化处理、消散斑处理和准直处理；

所述光学系统置于所述显示芯片和所述透明屏幕之间，用于调整从所述显示芯片出来的光束，并使调整后的光束在所述透明屏幕上成像。

进一步地，所述激光光源组件由至少三种不同基色的激光器组成。

进一步地，所述激光光源组件包括红色半导体激光器、绿色半导体激光器和蓝色半导体激光器。

进一步地，所述显示芯片为数字微镜显示芯片、硅基液晶显示芯片或透射式液晶显示芯片。

进一步地，所述透明屏幕掺有纳米颗粒。

进一步地，所述纳米颗粒由多种不同尺寸的纳米颗粒组成，各种纳米颗粒具有各自固定的共振瑞利散射波长，分别与激光光源组件产生的激光的波长一一对应；所述纳米颗粒的内核由非金属材料组成，外层被金属层纳米颗粒包裹。

进一步地，所述透明屏幕为贴附于汽车挡风玻璃内表面的薄膜。

进一步地，所述抬头显示系统包括：

光源光强自动侦测与补偿模块，置于所述匀光装置上，用于侦测从所述激光光源组件中接收到的多基色激光的光强度，并把光强度数据发送给所述光源控制单元，由所述光源控制单元对多基色激光进行光强度补偿；

亮度传感器，置于所述匀光装置上，用于检测接收到的多基色激光的亮度，并把亮度数据传送给所述光源控制单元，由所述光源控制单元对多基色激光进行亮度调节；

色彩传感器，置于所述匀光装置上，用于检测多基色激光的色彩，并把色彩数据传送给所述光源控制单元进行色彩平衡的调整。

本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：本实用新型所述的抬头显示系统可以在透明屏幕上呈现实像，且具有实像颜色鲜艳、可视范围宽、屏幕透明度高和光源利用率高等特点，同时也兼顾了图像亮度、光源功耗、透明屏幕的透光率等性能要求。

附图说明

图1是本实用新型抬头显示系统的结构示意图；

图2是本实用新型抬头显示系统中三种激光光源的发光光谱；

图3是掺杂了纳米颗粒的透明屏幕。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

随着激光技术的进步，以激光作为光源的投影系统陆续推出，因此将激光作为光源用于抬头显示系统也变成了现实。如图1所述，为本实用新型一较佳的实施例，一种基于激光光源的抬头显示系统，该抬头显示系统包括：激光光源组件100、光源控制单元104、光强传感器件105、显示芯片109、显示芯片控制单元108、系统控制单元106和透明屏幕112。激光光源组件100用于发出产生可混合成白光的多基色激光。光强传感器件105与光源控制单元104相连接，用于探测周围环境的光强度，并把光强度数据反馈给光源控制单元104。光源控制单元104与激光光源组件100相连接，用于为激光光源组件100提供电源，并根据光强传感器件105反馈的光强度数据向激光光源组件100发出控制信号，控制调整光源的输出功率。显示芯片控制单元108与显示芯片109相连接，用于为显示芯片109提供电源，同时还用于提供驱动显示芯片109的信号以及控制显示芯片109显示的图像信息。显示芯片109用于对激光光源组件产生的多基色激光进行调制，使所述多基色激光携带上所述显示图像信息。具体地，各种基色的激光分别将其激光束输出到各自对应的显示芯片109上，各种基色的激光经过汇合后，同时加上图像信息，由显示芯片109射出的激光束为调制好的且携带有图像信息的光束。系统控制单元106分别与光源控制单元104、显示芯片控制单元108相连接，用于协调光源控制单元104、显示芯片控制单元108和光强传感器件105之间的工作及数据的传输，还用于与外界进行数据通讯。透明屏幕112用于供显示芯片109调制后的多基色激光成像。

在本实用新型所述的基于激光光源的抬头显示系统，成像原理基于屏幕表面的反射或散射，光线聚焦于屏幕表面，具有粗糙表面的屏幕可将光线反射或散射至各个方向，从而形成图像。常见的不透明屏幕主要以反射为主，而若需要在透明介质中成像，则需要对光进行散射，该抬头显示系统主要应用了光的散射原理。光散射是指光束通过透明介质时，在入射方向以外的各个方向上能观察到的光现象，它是电磁辐射与物质相互作用的一种表现形式。光散射与介质不均匀性及粒子的大小和形态有关。由于粒子大小和形状的差异、入射波长和散射光波长不同，可产生多种不同类型的光散射。当介质中粒子粒径远大于入射波长时，产生的散射是反射和折射；介质中粒子粒径与入射光波长相近时，产生Tyndall散射；介质中粒子粒径小于入射光波长时，就可以产生以瑞利散射为主的分子散射。在通常情况下，瑞利散射的强度很弱，只有瑞利散射波长等于或接近于分子吸收带时，由于电子吸收电磁波频率与散射频率相同，电子因共振使散射强度急剧增强，这种现象称之为共振增强瑞利散射，简称共振瑞利散射。在一般的共振瑞利散射中，伴生有入射波长2倍和1/2处的二级散射和反二级散射，以及一些非线性散射现象，统称为共振瑞利散射。透明屏幕112由掺杂有至少三种不同粒径的纳米颗粒的透明介质形成，每种粒径的纳米颗粒具有固定波长的共振瑞利散射波长，这个波长与激光光源的发光波长一一对应，每一种激光可以在屏幕上形成共振瑞利散射，从而成像。除三种激光的波长以外，可见光范围内的其他波长的光线在透过屏幕时，无法在屏幕上形成有效的共振瑞利散射，因此光线可以沿原入射方向透过屏幕，所以屏幕对于这部分光线是透明的。

由于激光的使用，在投影机内部各界面反射时会产生有害的条纹状光斑，一般称为散斑。散斑产生的原因是由于激光具有很强的单色性和相干性，在时间和空间上的相位相互叠加引起，因此必须消除激光的相干性。在本实用新型中，减弱或消除激光相干性的方法可以采取机械震动激光光源或激光传输器件的方式来实现。因此，所述抬头显示系统还包括匀光装置107和光学系统110。匀光装置107放置于激光光源组件100前，激光光源组件100发出的入射光束进入匀光装置107中，匀光装置107对入射光束进行扩束处理、匀化处理、消散斑处理和准直处理，进行消散斑的处理，以保证画面在屏幕上不出现散斑。光学系统110置于显示芯片109和透明屏幕112之间，用于调整从显示芯片109出来的光束，并使调整后的光束在透明屏幕112上成像。

激光光源组件100由多种不同基色的激光器组成。优选的，激光光源组件100为体积比较小巧的半导体激光器，且由三种基色的激光器组成，分别为红色半导体激光器101、绿色半导体激光器102和蓝色半导体激光器103，此三种激光器发出的激光光源的发光光谱如图2所示。三个激光器均由光源控制单元104提供电源以及控制信号，光源控制单元104用于调整三个激光器的光输出，实现亮度调节和色彩平衡的调节。当光强传感器件105探测到周围环境光比较弱时，光源控制单元104根据光强传感器件105反馈的信号，调低红色半导体激光器101、绿色半导体激光器102和蓝色半导体激光器103的光输出，从而调低显示画面的亮度，保护观察者的视力；当光强传感器件105探测到周围环境光比较强时，光源控制单元104根据光强传感器件105反馈的信号，调高红色半导体激光器101、绿色半导体激光器102和蓝色半导体激光器103的光输出，使显示画面亮度高于背景画面的亮度，以保证画面的清晰。

典型的显示芯片109有三类，第一类为美国德州仪器所生产的数字微镜显示芯片（DMD芯片），此芯片的投影称为DLP投影；第二类为硅基液晶（Liquidcrystal on silicon，LCOS）显示芯片，是一种将像素驱动直接内置于硅基片上的反射式液晶显示器件；第三类为透射式液晶显示芯片，此类芯片典型的为低温多晶硅液晶显示器。显示芯片109对入射光线进行调制后，将图像信息加入到光线中。光线经过显示芯片109后，已经携带有图像信息，再经过光学系统110的调整，投射至透明屏幕112上。光学系统110可以对图像的焦距、画面大小进行调整，并可对图像进行梯形矫正，以保证在透明屏幕112上显示正常比例的画面。

透明屏幕112由透明材质掺入纳米颗粒111制作而成，透明材质是指对可见光范围透明。优选的，透明材质可以由玻璃、有机玻璃、亚克力、PMMA、PC、PET等材质的其中之一制成，在制作过程中混入一定比例的纳米颗粒111，制作成的混入有一定比例的纳米颗粒111的透明屏幕112如图3所示。混入的纳米颗粒由至少三种不同尺寸的纳米颗粒组成，每种纳米颗粒具有固定的共振瑞利散射波长，各种纳米颗粒的波长与激光光源的发光波长相同并一一对应，调整每种纳米颗粒在透明屏幕112内的密度，可以使得每一种激光都可以在屏幕上形成明亮的画面。

纳米颗粒111可以由非金属材料组成内核，外层包裹有金属层的纳米颗粒组成。所选材料及粒径大小根据所用激光光源的波长对其共振瑞利散射波长来进行匹配，以保证纳米颗粒对激光光源产生有效的共振瑞利散射。

由于透明屏幕112所成的像为实像，且光线被散射至各个方向，因此观察者113在任何角度都可以观察到所成的图像。通常情况下透明屏幕112会制作成薄膜贴附于汽车前挡风玻璃内表面，透明屏幕112不宜过厚，厚度的增加会导致成像模糊，清晰度降低。

从车外入射至车内的环境光线，其光谱均为连续光谱，在透过透明屏幕112时，仅有三个固定波长的光线被散射掉，并且由于纳米颗粒111的散射光谱宽度非常窄，被散射掉的光线能量非常少，肉眼基本无法分辨出环境光透过透明屏幕112后发生的变化，因此透明屏幕112对外界的环境光是透明的。

在本实用新型中，由于采用不同波长的基色激光，在色彩上存在平衡的问题，为了解决这些问题，还可以在匀光装置107上增加光源光强自动侦测与补偿模块，亮度传感器和色彩传感器，根据光源光强自动侦测与补偿模块对光强度进行侦测并结合光源控制单元104进行光源补偿，同时结合亮度传感器和色彩传感器的反馈，光源控制单元104可对各基色激光输出功率进行调整，可使激光光源的输出光混合为白光。

使用不同波长的红、绿、蓝三基色激光器是本实用新型的一个实施例之一，应当认为，使用三种以上基色激光所制成的抬头显示系统也属于本实用新型所描述的范围。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于激光光源的抬头显示系统，其特征在于，包括：激光光源组件、光源控制单元、光强传感器件、显示芯片、显示芯片控制单元、系统控制单元和透明屏幕； 

所述激光光源组件用于产生可混合成白光的多基色激光； 

所述光强传感器件与所述光源控制单元相连接，用于探测周围环境的光强度，并把光强度数据反馈给所述光源控制单元； 

所述光源控制单元与所述激光光源组件相连接，用于为所述激光光源组件提供电源，并根据所述光强传感器件反馈的光强度数据向所述激光光源组件发出控制信号，控制调整光源的输出功率； 

所述显示芯片控制单元与所述显示芯片相连接，用于为所述显示芯片提供电源，同时还用于提供驱动显示芯片的信号以及控制所述显示芯片显示的图像信息； 

所述显示芯片对激光光源组件产生的多基色激光进行调制，使所述多基色激光携带上所述显示图像信息； 

所述系统控制单元分别与所述光源控制单元、所述显示芯片控制单元相连接，用于协调光源控制单元、所述显示芯片控制单元和所述光强传感器件之间的工作及数据的传输，还用于与外界进行数据通讯； 

所述透明屏幕用于供所述显示芯片调制后的多基色激光成像。 

2.根据权利要求1所述的基于激光光源的抬头显示系统，其特征在于，所述抬头显示系统还包括匀光装置和光学系统； 

所述匀光装置放置于所述激光光源组件前，用于对激光光源组件发出的入射光束进行扩束处理、匀化处理、消散斑处理和准直处理； 

所述光学系统置于所述显示芯片和所述透明屏幕之间，用于调整从所述显示芯片出来的光束，并使调整后的光束在所述透明屏幕上成像。 

3.根据权利要求1所述的基于激光光源的抬头显示系统，其特征在于，所述激光光源组件由至少三种不同基色的激光器组成。 

4.根据权利要求3所述的基于激光光源的抬头显示系统，其特征在于，所述激光光源组件包括红色半导体激光器、绿色半导体激光器和蓝色半导体激光器。 

5.根据权利要求1所述的基于激光光源的抬头显示系统，其特征在于，所述显示芯片为数字微镜显示芯片、硅基液晶显示芯片或透射式液晶显示芯片。 

6.根据权利要求1所述的基于激光光源的抬头显示系统，其特征在于，所述透明屏幕掺有纳米颗粒。 

7.根据权利要求6所述的基于激光光源的抬头显示系统，其特征在于，所述纳米颗粒由多种不同尺寸的纳米颗粒组成，各种纳米颗粒具有各自固定的共振瑞利散射波长，分别与激光光源组件产生的激光的波长一一对应；所述纳米颗粒的内核由非金属材料组成，外层被金属层纳米颗粒包裹。 

8.根据权利要求1所述的基于激光光源的抬头显示系统，其特征在于，所述透明屏幕为贴附于汽车挡风玻璃内表面的薄膜。 

9.根据权利要求2所述的基于激光光源的抬头显示系统，其特征在于，所述抬头显示系统包括： 

光源光强自动侦测与补偿模块，置于所述匀光装置上，用于侦测从所述激光光源组件中接收到的多基色激光的光强度，并把光强度数据发送给所述光源控制单元，由所述光源控制单元对多基色激光进行光强度补偿； 

亮度传感器，置于所述匀光装置上，用于检测接收到的多基色激光的亮度，并把亮度数据传送给所述光源控制单元，由所述光源控制单元对多基色激光进行亮度调节； 

色彩传感器，置于所述匀光装置上，用于检测多基色激光的色彩，并把色彩数据传送给所述光源控制单元进行色彩平衡的调整。