CN204009230U - 车载平视投射系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种车载平视投射系统，包括：第一非球面反射镜、第二非球面反射镜和变形非球面反射镜，三者的位置经安排使得从车载显示部件发出的光依次经第一非球面反射镜、第二非球面反射镜和变形非球面反射镜的反射，之后到达车辆挡风玻璃并反射出去，出射方向指向驾驶者人眼；其中，第一非球面反射镜的焦距小于第二非球面反射镜的焦距。利用本实用新型可将车载仪表等显示设备的图像投射入驾驶员人眼，并在投射过程中进行像差校正，消除图像畸变。

Description

车载平视投射系统

技术领域

本实用新型涉及车辆技术领域，具体涉及一种车载平视投射系统。

背景技术

在行车时为了了解车辆信息(如行车速度、发动机水温、发动机转速、油箱油量等)以及导航信息，驾驶员需要不断低头察看，导致行车危险，为避免以上问题，可利用投影技术，通过光学系统把小的影像放大并投射到驾驶员的人眼中，驾驶员不需低头察看即可获得想要的信息。

对于一般的投影技术，是把影像投射成实像，在实像处放置接收屏幕，通过屏幕的漫反射可观察到图像，如LCOS投影机、DLP投影机、LCD投影机等。

如果把投影直接投射到人眼，需要把影像投射成为虚像，该类方式有飞行员使用的头盔和游戏头盔等，把信息投射到人眼成为“虚拟现实”景象。但是，目前已有的这类系统为自成一体，系统复杂性高。另一方面，由于车辆的挡风玻璃具有两个方向上的曲率，按照以往的处理将导致图像畸变。

发明内容

有鉴于此，本实用新型提出一种车载平视投射系统，通过对光路的控制将车载仪表等显示设备的图像投射入驾驶员人眼，并在投射过程中进行像差校正，并消除图像畸变。

本实用新型提供一种车载平视投射系统，用于将车载显示部件的图像投射入驾驶者人眼中，其包括：第一非球面反射镜、第二非球面反射镜和变形非球面反射镜，三者的位置经安排使得从车载显示部件发出的光依次经第一非球面反射镜、第二非球面反射镜和变形非球面反射镜的反射，之后到达车辆挡风玻璃并反射出去，出射方向指向驾驶者人眼；其中，第一非球面反射镜的焦距小于第二非球面反射镜的焦距。

优选地，如果第一非球面反射镜为凸透镜，轴上曲率半径小于等于500mm；如果第一非球面反射镜为凹透镜，轴上曲率半径小于等于-500mm。

优选地，如果第二非球面反射镜为凸透镜，轴上曲率半径小于等于11000mm；如果第二非球面反射镜为凹透镜，轴上曲率半径小于等于-11000mm。

优选地，变形非球面反射镜的轴上曲率半径在X轴上小于等于900mm，在Y轴上小于等于3000mm。

优选地，第二非球面反射镜是平面镜。

优选地，当车辆挡风玻璃的Y轴半径为12000mm、X轴半径为4300mm时，第一非球面反射镜的轴上曲率半径为479.4671mm，第二非球面反射镜的轴上曲率半径为-2943.7539mm，变形非球面反射镜在X轴上的轴上曲率半径为835.98685mm、在Y轴上的轴上曲率半径为2526.979mm。

优选地，当车辆挡风玻璃的Y轴半径为12000mm、X轴半径为4300mm时，第一非球面反射镜的轴上曲率半径为419.6314mm，第二非球面反射镜为平面镜，变形非球面反射镜在X轴上的轴上曲率半径为688.08mm、在Y轴上的轴上曲率半径为1590mm。

优选地，当车辆挡风玻璃的Y轴半径为11000mm、X轴半径为4000mm时，第一非球面反射镜的轴上曲率半径为445.16mm，第二非球面反射镜的轴上曲率半径为-10608mm，变形非球面反射镜在X轴上的轴上曲率半径为780.1mm、在Y轴上的轴上曲率半径为2066.8mm。

优选地，第一非球面反射镜位于车载显示部件和第二非球面反射镜之间的光路中，第二非球面反射镜位于第一非球面反射镜与变形非球面反射镜之间的光路中，变形非球面反射镜位于第二非球面反射镜与车辆挡风玻璃之间的光路中。

本实用新型的有益效果：本实用新型考虑到车辆挡风玻璃的特点，设计了三片反射镜式结构的光学系统，实现球差、慧差、场曲以及畸变等像差的校正，主要实现了两方面的优势效果：一是巧妙使用变形非球面反射镜解决了图像畸变的问题；二是系统虚像成于车头处，从而避免人眼疲劳，尤其适合高速驾驶和长时间驾驶的场合。

附图说明

图1是本实用新型实施例的平视投射系统的光学结构图。

图2是图1实施例的局部放大图。

图3是本实用新型一个优选实施例的光学结构图。

图4是图3实施例的MTF曲线图。

图5是图3实施例的畸变图。

图6是本实用新型另一优选实施例的光学结构图。

图7是图6实施例的MTF曲线图。

图8是图6实施例的畸变图。

图9是本实用新型又一优选实施例的光学结构图。

图10是图9实施例的MTF曲线图。

图11是图9实施例的畸变图。

具体实施方式

以下结合附图以及具体实施例，对技术方案进行详细描述。

本实用新型的车载平视投射系统含有两个非球面反射镜和一个变形非球面(Anamorphic Asphere)反射镜，图1示出了平视投射系统的光学结构图，其中以箭头表示光的入射和出射。图2为图1的局部放大图，平视投射系统10(图中椭圆形框包围的部分)内包含非球面反射镜11、非球面反射镜12和变形非球面反射镜13。其中，非球面反射镜11位于车载显示部件20和非球面反射镜12之间的光路中，非球面反射镜12位于非球面反射镜11与变形非球面反射镜13之间的光路中，变形非球面反射镜13位于非球面反射镜12与车辆挡风玻璃30之间的光路中。需要指出，图2中椭圆形框仅用于使附图表意更明确，不用于任何结构或功能上的限定。

结合图1和图2，投射过程中，光从显示设备20(如仪表盘、导航设备显示屏等)出射，到达非球面反射镜11后被反射至非球面反射镜12方向，到达非球面反射镜12后被反射至变形非球面反射镜13方向，到达变形非球面反射镜13后被反射至车辆的挡风玻璃30方向，到达挡风玻璃30后被反射出去，出射方向指向驾驶位的驾驶者人眼，图像被投射进入驾驶者视域，驾驶者不需低头即可直接看到显示设备20当前的图像。

关于非球面反射镜11，其具有较小的正的焦距，起主要图像放大作用，其次还起像差校正作用。

关于非球面反射镜12，其具有较大的正的焦距，起主要校正像差作用，其次还起图像放大作用。

关于变形非球面镜13，其主要作用是校正由挡风玻璃产生的畸变。由于一般的挡风玻璃在水平方向上的半径大约在10000mm左右，垂直方向上的半径大约在4000mm左右，导致两个方向半径的差异带来了畸变，为了校正这种畸变，本发明使用变形非球面镜13，由于变形非球面镜13是一种具有非球面变形(即非旋转对称)的反射镜，因此能够校正由挡风玻璃产生的畸变。

在实际应用中，将非球面反射镜11、非球面反射镜12以及变形非球面镜13以固定部件联结，大致位置为非球面反射镜11位于固定部件上方，非球面反射镜12位于固定部件下方，变形非球面镜13位于固定部件侧部。将平视投射系统10设置于显示部件20上方，如汽车仪表盘处，满足光路要求。

本实用新型的平视投射系统通过上述三片反射镜式结构光学部件，协同配合，实现球差、慧差、场曲以及畸变等像差的校正，可达到几乎无像差的成像，将成像点于车头处，使得驾驶员不需要专门低头察看就能够直接、准确地掌握行车信息，驾驶过程更为安全。

在本实用新型的实施例中，非球面反射镜11可以采用凸透镜或凹透镜，当采用凸透镜时，轴上曲率半径不大于500mm，即R≤500mm；当采用凹透镜时，轴上曲率半径不大于-500mm，即R≤-500mm。

在本实用新型的实施例中，非球面反射镜12也可以采用凸透镜或凹透镜，当采用凸透镜时，轴上曲率半径不大于11000mm，即R≤11000mm；当采用凹透镜时，轴上曲率半径不大于-11000mm，即R≤-11000mm。

在本实用新型的实施例中，变形非球面反射镜13的中心半径在X轴上不大于900mm，在Y轴上不大于3000mm，即R_x≤900mm，R_y≤3000mm。

以下列出本实用新型涉及的方程。

1、非球面方程：

$\begin{array}{c}Z=\frac{c^{*}{h}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{h}^2}}+A*h^4++B*h^6+C*h^8+D*h^{10}\\ +E*h^{12}+F*h^{14}+G*h^{16}+H*h^{18}+J*h^{20}\end{array}$

其中，Z为矢高，即延光轴方向高度，c为轴上半径的倒数，k为圆锥常数，h为离光轴的径向距离，A、B、C、D、E、F、G、H、J为非球面系数。本发明中的非球面反射镜适用以上非球面方程。

2、变形非球面方程：

$\begin{array}{c}Z=\frac{\mathrm{CUX}*x^2+\mathrm{CUY}*y^2}{1+\sqrt{1-(1+\mathrm{KX}){\mathrm{CUX}}^2{x}^2-(1+\mathrm{KY}){\mathrm{CUY}}^2{y}^2}}\\ +\mathrm{AR}\{(1-\mathrm{AP})x^2+(1+\mathrm{AP})y^2{\}}^2+\mathrm{BR}\{(1-\mathrm{BP})x^2+(1+\mathrm{BP})y^2{\}}^3\\ +\mathrm{CR}\{(1-\mathrm{CP})x^2+(1+\mathrm{CP})y^2{\}}^4+\mathrm{DR}{\{(1-\mathrm{DP})x^2+(1+\mathrm{DP})y^2\}}^5\end{array}$

其中，Z为矢高，即延光轴方向高度，CUX和CUY分别为X轴和Y轴上半径的倒数，KX和KY分别为X轴和Y轴上圆锥常数，AR、BR、CR、DR为旋转对称非球面系数，AP、BP、CP、DP为不对称非球面系数。本发明中的变形非球面反射镜及挡风玻璃适用以上变形非球面方程，CUX＝1/R_x，CUY＝1/R_y。

图3为本实用新型一个实施例的光学结构图，显示器形成图像，该图像经过第一非球面反射镜和第二非球面反射镜放大、由配合挡风玻璃进行畸变校正的变形非球面反射镜反射出去。在本实施例中，车辆挡风玻璃的面型系数为：

CUY＝1/R_y＝-1/12000，CUX＝1/R_x＝-1/4300；

KX＝KY＝AR＝BR＝CR＝DR＝AP＝BP＝CP＝DP＝0。

变形非球面镜系数为：

CUY＝1/R_y＝1/2526.97923，KY＝182.309081，KX＝26.925651，CUX＝1/R_x＝1/835.98685；

AR＝0.314626E-07，BR＝-0.671076E-11，CR＝0.710770E-15，DR＝-0.313629E-19，DR＝0＝AP＝BP＝CP＝DP＝0。

第二非球面反射镜系数为：

K＝-1；

A＝0.991549E-07，B＝-0.218178E-10，C＝0.222518E-15，D＝0.118043E-17；

E＝-0.249702E-21，F＝0.164156E-25，G＝H＝J＝0。

第一非球面反射镜系数为：

K＝-1；

A＝0.205222E-06，B＝-0.137716E-09，C＝0.518300E-13，D＝-0.951483E-17；

E＝0.583858E-21，F＝0.188679E-25，G＝H＝J＝0。

表1列出了本实施例的相关数据。

	表面类型	Y半径(Ry)	X半径(Rx)	厚度	X轴角度
						物面	球面			-2600
	球面			980
						挡风玻璃	变形非球面	-12000	-4300	-195	67
变形非球面镜	变形非球面	2526.979	835.98685	80	40
						第二非球面镜	非球面	-2943.7539	-2943.7539	-89.7	45
第一非球面镜	非球面	479.4671	479.4671	96.9544	－21

表1

表1给出了本实施例的轴上参数。其中，将显示图像作为“物体”置于离驾驶员眼睛2600mm处，其中“－”代表是虚像，“厚度”代表各部件反射面中心间距离。“X轴角度”指部件放置方位相对于自身x轴的角度(相对于Y轴、Z轴的角度均为0度)。

图4为图3实施例的MTF(Modulation Transfer Function，调制传递函数)曲线图，图中虚线表示衍射极限。所谓MTF，是一种评价光学系统成像质量的手段，其以一个毫米范围内能呈现出黑白线条的数量为度量，单位为line/mm(线对/毫米)。MTF曲线图中，观察曲线的趋势，通常曲线斜率越小、曲线所包围的区域越大，对应的图像质量越好。本实施例的6line/mm的MTF>0.5，分辨率达到960×480，优于一般系统的480×240。

表2给出了图3实施例的点列图数据，在离焦量为0时(即在焦面上时)，RMS spot<0.093。RMS(Root Mean Square，均方根值)是指一个物点通过一个光学系统后在象面上的大小，通常，该数值小于1.4倍显示器象元为优，且数值越小越好。本实施例中显示器象元为0.085，1.4倍显示器象元为0.119，本实施例的RMS spot<0.093，优于要求的值。

表2

图5为图3实施例的畸变图。实线表示实际栅格，虚线表示理想栅格，实际栅格与理想栅格重合时表示没有畸变，本实施例基本达到重合。

由以上数据可知，本实施例采用常规的挡风玻璃数据，由系统的MTF图、点扩展图和畸变图，本系统能够满足现有显示器的显示要求。

图6为本实用新型另一实施例的光学结构图，在本实施例中，挡风玻璃的面型系数为：

CUY＝1/R_y＝-1/12000,CUX＝1/R_x＝-1/4300；

KX＝KY＝AR＝BR＝CR＝DR＝AP＝BP＝CP＝DP＝0。

变形非球面镜系数为：

CUY＝1/R_y＝1/2526.97923 KY＝182.309081 KX＝26.925651CUX＝1/R_x＝1/835.98685；

AR＝0.314626E-07，BR＝-0.671076E-11，CR＝0.710770E-15，DR＝-0.313629E-19，DR＝0＝AP＝BP＝CP＝DP＝0。

第二非球面反射镜系数为：

K＝-1；

A＝0.991549E-07，B＝-0.218178E-10，C＝0.222518E-15，D＝0.118043E-17；

E＝-0.249702E-21，F＝0.164156E-25，G＝H＝J＝0。

第一非球面反射镜系数为：

K＝-1；

A＝0.205222E-06，B＝-0.137716E-09，C＝0.518300E-13，D＝-0.951483E-17；

E＝0.583858E-21，F＝0.188679E-25，G＝H＝J＝0。

表3列出了本实施例的相关数据。

表3

表3给出了本实施例的轴上参数。其中，将显示图像作为“物体”置于离驾驶员眼睛2600mm处，其中“－”代表是虚像，“厚度”代表各部件反射面中心间距离。“X轴角度”指部件放置方位相对于自身x轴的角度(相对于Y轴、Z轴的角度均为0度)。

图7为图6实施例的MTF曲线图。本实施例的6line/mm的MTF>0.4，分辨率达到960×480。

表4给出了图6实施例的点列图数据，在离焦量为0时，RMS spot<0.11。本实施例中显示器象元为0.085，1.4倍显示器象元为0.119，本实施例的RMS spot<0.11，优于要求的值。

表4

图8为图6实施例的畸变图。实际栅格与理想栅格重合时，表示没有畸变，本实施例基本达到重合。

与图3实施例相比，图4实施例使用一平面反射镜代替第二非球面反射镜，优化了光学参数，使MTF适度降低。具体地，图4实施例的MTF由图3实施例的0.5下降为0.4，点扩展图由0.097增大为0.11，这表明系统可满足使用需求，由于使用平面反射镜，部件成本得以降低。

图9为本实用新型另一实施例的光学结构图，在本实施例中，挡风玻璃的面型系数为：

CUY＝1/R_y＝-1/11000,CUX＝1/R_x＝-1/4000；

KX＝KY＝AR＝BR＝CR＝DR＝AP＝BP＝CP＝DP＝0。

变形非球面镜系数为：

CUY＝1/R_y＝1/2066.8 KY＝12.67，KX＝0 CUX＝1/R_x＝1/780.1；

AR＝0.937520E-08，BR＝-0.591270E-12，CR＝0，DR＝0；

AP＝BP＝CP＝DP＝0。

第二非球面系数为：

K＝-1；

A＝0.329130E-07，B＝-0.241390E-10，C＝0.153550E-13，D＝-0.640100E-17；

E＝0.151500E-20，F＝-0.183300E-24，G＝0.882110E-29，H＝J＝0。

第一非球面系数为：

K＝-1；

A＝0.164990E-06，B＝-0.386410E-09，C＝0.401820E-12，D＝-0.225920E-15；

E＝0.700600E-19，F＝-0.112690E-22，G＝0.735410E-27，H＝J＝0。

表5列出了本实施例的相关数据。

	表面类型	Y半径(Ry)	X半径(Ry)	厚度	X轴角度
						物面	球面			-2600
	球面			710
						挡风玻璃	变形非球面	-11000	-4000	-320	65
变形非球面镜	变形非球面	2066.8	780.1	78	41
						第二非球面镜	非球面	-10608	-10608	-92	46.5
第一非球面镜	非球面	445.16	445.16	97.12	-20.2

表5

表5给出了本实施例的轴上参数。其中，将显示图像作为“物体”置于离驾驶员眼睛2600mm处，其中“－”代表是虚像，“厚度”代表各部件反射面中心间距离。“X轴角度”指部件放置方位相对于自身x轴的角度(相对于Y轴、Z轴的角度均为0度)。其中，本实施例调整了挡风玻璃的参数，将Y轴半径/X轴半径由之前的12000/4300mm调整为1100/4000mm。

图10为图9实施例的MTF曲线图。本实施例的6line/mm的MTF>0.6，分辨率达到960×480。

表6给出了图9实施例的点列图数据，在离焦量为0时，RMSspot<0.074。本实施例中显示器象元为0.085，1.4倍显示器象元为0.119，本实施例的RMS spot<0.074，优于要求的值。

表6

图11为图9实施例的畸变图。实际栅格与理想栅格重合时，表示没有畸变，本实施例基本达到重合。

与图3和图6实施例相比，本实施例优化了挡风玻璃参数，由于挡风玻璃的改进，Y轴半径/X轴半径由12000/4300mm变为1100/4000mm，本实施例的MTF>0.6，RMS spot<0.074，达到了非常高的数值，效果优于前两个实施例。

以上，结合具体实施例对本实用新型的技术方案进行了详细介绍，所描述的具体实施例用于帮助理解本实用新型的思想。本领域技术人员在本实用新型具体实施例的基础上做出的推导和变型也属于本实用新型保护范围之内。

Claims (9)

1.一种车载平视投射系统，用于将车载显示部件的图像投射入驾驶者人眼中，其特征在于，包括：第一非球面反射镜、第二非球面反射镜和变形非球面反射镜，三者的位置经安排使得从车载显示部件发出的光依次经第一非球面反射镜、第二非球面反射镜和变形非球面反射镜的反射，之后到达车辆挡风玻璃并反射出去，出射方向指向驾驶者人眼；其中，第一非球面反射镜的焦距小于第二非球面反射镜的焦距。

2.如权利要求1所述的车载平视投射系统，其特征在于，如果第一非球面反射镜为凸透镜，轴上曲率半径小于等于500mm；如果第一非球面反射镜为凹透镜，轴上曲率半径小于等于-500mm。

3.如权利要求1所述的车载平视投射系统，其特征在于，如果第二非球面反射镜为凸透镜，轴上曲率半径小于等于11000mm；如果第二非球面反射镜为凹透镜，轴上曲率半径小于等于-11000mm。

4.如权利要求1所述的车载平视投射系统，其特征在于，变形非球面反射镜的轴上曲率半径在X轴上小于等于900mm，在Y轴上小于等于3000mm。

5.如权利要求1所述的车载平视投射系统，其特征在于，所述第二非球面反射镜是平面镜。

6.如权利要求1所述的车载平视投射系统，其特征在于，当车辆挡风玻璃的Y轴半径为12000mm、X轴半径为4300mm时，第一非球面反射镜的轴上曲率半径为479.4671mm，第二非球面反射镜的轴上曲率半径为-2943.7539mm，变形非球面反射镜在X轴上的轴上曲率半径为835.98685mm、在Y轴上的轴上曲率半径为2526.979mm。

7.如权利要求1所述的车载平视投射系统，其特征在于，当车辆挡风玻璃的Y轴半径为12000mm、X轴半径为4300mm时，第一非球面反射镜的轴上曲率半径为419.6314mm，第二非球面反射镜为平面镜，变形非球面反射镜在X轴上的轴上曲率半径为688.08mm、在Y轴上的轴上曲率半径为1590mm。

8.如权利要求1所述的车载平视投射系统，其特征在于，当车辆挡风玻璃的Y轴半径为11000mm、X轴半径为4000mm时，第一非球面反射镜的轴上曲率半径为445.16mm，第二非球面反射镜的轴上曲率半径为-10608mm，变形非球面反射镜在X轴上的轴上曲率半径为780.1mm、在Y轴上的轴上曲率半径为2066.8mm。

9.如权利要求1所述的车载平视投射系统，其特征在于，第一非球面反射镜位于车载显示部件和第二非球面反射镜之间的光路中，第二非球面反射镜位于第一非球面反射镜与变形非球面反射镜之间的光路中，变形非球面反射镜位于第二非球面反射镜与车辆挡风玻璃之间的光路中。