CN204360013U - 一种车载抬头显示系统 - Google Patents

Abstract

为解决现有车载抬头显示系统投射的图像位置不能随驾驶员视线的改变而随之改变，驾驶员在获取车载抬头显示系统上显示的信息时需要将视线在图像和前方路况之间切换，导致驾驶过程中存在安全隐患问题，本实用新型提供了一种可连续变焦的车载抬头显示系统，包括显示屏组件和三反式光学组件，所述三反式光学组件位于所述显示屏组件的出射光路上，将显示屏组件投射的图像反射至汽车前挡风玻璃上；所述汽车前挡风玻璃将图像反射至人眼。本例提供的车载抬头显示系统，驾驶员无需将视线在图像和前方路况之间切换，能根据驾驶员视线聚焦位置而调整图像的成像位置，使得车载抬头显示系统的图像与驾驶员关注的前方路况完全融合，提高了行车的安全性。

Description

一种车载抬头显示系统

技术领域

本实用新型涉及车载抬头显示系统领域。

背景技术

随着人们生活水平的提高，对于汽车的要求更高，现有部分汽车上已安装了车载抬头显示系统（英文简称：HUD，英文全称：Heads Up Display），也叫平视显示仪，安装于汽车的仪表台上，车载抬头显示系统利用光学反射的原理，将信息以文字和图形的方式投射到前挡风玻璃上，投影图像的高度大致与驾驶员的眼睛在同一水平线上。驾驶员可以在前方观看到该车载抬头显示系统投射的图像经前挡风玻璃反射后所成的虚像。如此，驾驶员在驾驶过程中，能够轻易的将外界的景象与抬头显示仪显示的信息融合在一起，观看起来非常舒适，驾驶员不必低头，就可以看到导航、车速等其他信息，从而避免分散对前方道路的注意力，行车安全性有很大的提高。

研究人员在研究过程中发现，车辆在行驶过程中，驾驶员的眼睛聚焦位置一定的，一般在2。5 -3米之间，因此，现有的车载抬头显示系统一般直接通过透射式显示屏投射出图像，经前挡风玻璃反射后将虚像成在驾驶员前方2。5-3米之间。这样，驾驶员观看到前方路况的同时，也能清楚的看到其车载抬头显示系统投射的图像。然而，当行驶速度较快时，驾驶员为观看到更多的前方路况，其视线的聚焦位置一般会超过3米，有时甚至达到6-7米。然而，现有车载抬头显示系统投射的图像位置并不能随之改变，驾驶员在获取车载抬头显示系统上显示的信息时需要将视线在图像和前方路况之间切换，导致驾驶过程中存在安全隐患。

实用新型内容

为解决现有车载抬头显示系统投射的图像位置不能驾驶员视线的改变而随之改变，驾驶员在获取车载抬头显示系统上显示的信息时需要将视线在图像和前方路况之间切换，导致驾驶过程中存在安全隐患问题，本实用新型提供了一种可连续变焦的车载抬头显示系统。

本实用新型提供一种车载抬头显示系统，包括显示屏组件和三反式光学组件，所述三反式光学组件位于所述显示屏组件的出射光路上，将显示屏组件投射的图像反射至汽车前挡风玻璃上；所述汽车前挡风玻璃将图像反射至人眼；

其中，所述三反式光学组件包括在光路上依次设置的变倍镜组件、像质补偿镜组件和前挡补偿镜组件；

所述变倍镜组件包括用于对显示屏组件投射的图像进行放大或缩小和折转光路的变倍镜片、及用于对所述变倍镜片曲率进行调节的变倍镜片曲率调节组件；

所述像质补偿镜组件包括用于对所述变倍镜片曲率变化过程中引起的像质失真进行补偿和折转光路的像补镜片、及用于对所述像补镜片曲率进行调节的像补镜片曲率调节组件；

所述前挡补偿镜组件包括用于对汽车上前挡风玻璃引起的畸变进行补偿的前挡补偿镜片；

所述变倍镜片和像补镜片为凹面镜，所述前挡补偿镜片为鞍形。

优选地，所述变倍镜组件位于所述显示屏组件的出射光路上；所述像质补偿镜组件位于所述变倍镜组件的出射光路上；

所述前挡补偿镜组件位于所述像质补偿镜组件的出射光路上，其出射光线投射向所述前挡风玻璃。

优选地，所述变倍镜片曲率调节组件包括变倍导电基板和贴在所述变倍镜片上的变倍导电薄膜；

所述变倍导电基板和所述变倍导电薄膜间形成电场，所述变倍镜片受到电场间向下或者向上的静电驱动力，使得所述变倍镜片产生变形，以调节所述变倍镜片的曲率。

优选地，所述变倍镜片位于所述变倍导电基板和所述变倍导电薄膜之间。

优选地，所述变倍镜片安装在一变倍镜框内。

优选地，所述像补镜片曲率调节组件包括像补导电基板和贴在所述像补镜片上的像补导电薄膜；

所述像补导电基板和所述像补导电薄膜间形成电场，所述像补镜片受到电场间向下或者向上的静电驱动力，使得所述像补镜片产生变形，以调节所述像补镜片的曲率。

优选地，所述像补镜片位于所述像补导电基板和所述像补导电薄膜之间。

优选地，所述像补镜片安装在一像补镜框内。

优选地，其包括一透射式显示屏和位于所述透射式显示屏下端的光源组件。

优选地，该光源组件包括背光板、在所述背光板上阵列分布的若干背光灯以及与所述背光灯对应的阵列分布的聚光透镜。

本实用新型实施例提供的车载抬头显示系统，其在显示屏组件后的出射光路上加装了三反式光学组件。由于该三反式光学组件中，其变倍镜组件包括变倍镜片和变倍镜片曲率调节组件，因此，可通过改变三反式光学组件中变倍镜片和像补镜片的曲率半径，来实现对整个车载抬头显示系统光路的焦距进行调节，实现连续变焦，当驾驶员车速加快后其视线聚焦位置拉远时，本车载抬头显示系统可调节该变倍镜组件中的变倍镜片曲率，同样将车载抬头显示系统投射的图像拉远，使其与驾驶员需要关注的前方路况的视线聚焦位置重合，如此，驾驶员无需将视线在图像和前方路况之间切换，能根据驾驶员视线聚焦位置而调整投影图像的成像位置，使得车载抬头显示系统的图像与驾驶员关注的前方路况完全融合，提高了行车的安全性，同时，该变倍镜组件可对图像进一步放大，使得驾驶员能更加清晰地获取复杂的信息。同时，其像质补偿镜组件可对该变倍镜片改变光路后引起的像面质量进行调节，按规律改变像补镜片的曲率，在物面不动的情况下补偿像面质量，使得车载抬头显示系统投射的图像像质在变焦过程中无明显下降。而采用该前挡补偿镜组件，则可对汽车上前挡风玻璃引起的畸变进行补偿，防止图像出现失真，进一步提高投影图像的像面质量。

附图说明

图1是本实用新型具体实施方式中提供的车载抬头显示系统光路原理图；

图2是本实用新型具体实施方式中提供的变倍镜组件剖视示意图；

图3是本实用新型具体实施方式中提供的变倍镜组件立体示意图；

图4是本实用新型具体实施方式中提供的像质补偿镜组件剖视示意图；

图5是本实用新型具体实施方式中提供的像质补偿镜组件立体示意图；

其中，1、显示屏组件；2、变倍镜组件；3、像质补偿镜组件；4、前挡补偿镜组件；5、前挡风玻璃；21、变倍镜片；22、变倍导电薄膜；23、变倍导电基板；24、变倍镜框；31、像补镜片；32、像补导电薄膜；33、像补导电基板；34、像补镜框。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

实施例

本例中将对本实用新型提供的车载抬头显示系统进行具体解释说明，如图1所示，其包括显示屏组件1和三反式光学组件，所述三反式光学组件位于所述显示屏组件1的出射光路上，将显示屏组件1投射的图像反射至汽车前挡风玻璃5上；所述汽车前挡风玻璃5将图像反射至人眼；

其中，所述三反式光学组件包括在光路上依次设置的变倍镜组件2、像质补偿镜组件3和前挡补偿镜组件4；

所述变倍镜组件2包括用于对显示屏组件1投射的图像进行放大或缩小和折转光路的变倍镜片21、及用于对所述变倍镜片21曲率进行调节的变倍镜片21曲率调节组件；

所述像质补偿镜组件3包括用于对所述变倍镜片21曲率变化过程中引起的像质失真进行补偿和折转光路的像补镜片31、及用于对所述像补镜片31曲率进行调节的像补镜片31曲率调节组件；

所述前挡补偿镜组件4包括用于对汽车上前挡风玻璃5引起的畸变进行补偿的前挡补偿镜片。同时，该前挡补偿镜片还用来转折光路，将像质补偿镜组件4反射过来的光线反射至前挡风玻璃5。还可通过在该前挡补偿镜组件4上增加角度调节机构，对其反射角度进行调节，以调节车载抬头显示系统的投影图像高度。显示屏组件1上发出的光经分别经过变倍镜组件2、像质补偿镜组件3、前挡补偿镜组件4和前挡风玻璃5后，最后入射到驾驶员的眼睛中。上述像补镜片31和变倍镜片21的表面曲率是可变化的，其各自通过像补镜片31曲率调节组件和变倍镜片21曲率调节组件进行调节。

本例中，该变倍镜组件2用来转折光路，并对显示屏组件1投射的图像进行放大或缩小，并可通过其中的变倍镜片21曲率调节组件对其变倍镜片21的曲率进行调节，从而实现对其投射的图像放大倍数进行调节。而由于经过该变倍镜组件2放大或缩小后的图像，易出现图像失真，降低像面质量，因此，在该变倍镜组件2的后方光路上加入了像质补偿镜组件3，该像质补偿镜组件3可对该变倍镜片21改变光路后引起的像面质量进行调节，按规律改变像补镜片31的曲率，在物面不动的情况下补偿像面质量，使得车载抬头显示系统投射的图像像质在变焦过程中无明显下降。由于汽车的前挡风玻璃5是一弧形状的玻璃，投射到其上的图像会产生枕形或者筒形畸变，为消除上述畸变，因此在光路中加入了该前挡补偿镜组件4。

其中，上述变倍镜片和像补镜片为凹面镜，所述前挡补偿镜片为鞍形 (英文名称为Biconic，该面型表示水平方向和竖直方向都可加入非球面系数) 镜。

显示屏组件1可采用公众所知的任何结构，其包括一透射式显示屏和位于透射式显示屏下端的光源组件，该光源组件产生的光源照射在该透射式显示屏上后，将显示屏上的图像投射出去。本例中，该光源组件包括在背光板上阵列分布的若干背光灯。作为优选的方式，还可在该光源组件中设置与该背光灯对应的、同样呈阵列分布的聚光透镜，上述聚光透镜可直接安装在背光板上，罩在背光灯外部；也可以胶粘在一聚光基板上，或者与所述聚光基板一体成型。该聚光透镜可以起到将光线聚拢，提高光的利用率，并使出射光线更加均匀，光照效果更好。

所谓曲率就是针对镜片曲线上某个点的切线方向角对弧长的转动率，通过微分来定义，表明曲线偏离直线的程度。曲率的倒数就是曲率半径。曲率越小，曲率半径越大，其镜面越平，焦距越大。

所谓的“光路上依次设置的变倍镜组件2、像质补偿镜组件3和前挡补偿镜组件4”，指所述变倍镜组件2位于所述显示屏组件1的出射光路上；所述像质补偿镜组件3位于所述变倍镜组件2的出射光路上；所述前挡补偿镜组件4位于所述像质补偿镜组件3的出射光路上，其出射光线投射向所述前挡风玻璃5。

其中，关于变倍镜片21曲率调节组件，并不限于特定的形式，只要其为可控、可改变变倍镜片21的曲率的组件，无论是电控或者机械控制的方式，都可以，比如本例中，如图2、图3所示，所述变倍镜片21曲率调节组件包括变倍导电基板23和贴在所述变倍镜片21上的变倍导电薄膜22；

所述变倍导电基板23和所述变倍导电薄膜22间形成电场，所述变倍镜片21受到电场间向下或者向上的静电驱动力，使得所述变倍镜片21产生变形（如图2中所示，在箭头所示静电驱动力的作用下，变倍镜片21变形至所示虚线位置），以调节所述变倍镜片21的曲率。如图2、图3所示，所述变倍镜片21位于所述变倍导电基板23和所述变倍导电薄膜22之间。所述变倍镜片21安装在一变倍镜框24内。

关于补偿镜片曲率调节组件，并不限于特定的形式，只要其为可控、可改变补偿镜片的曲率的组件，无论是电控或者机械控制的方式，都是可以接受的，比如本例中，如图4、图5所示，所述像补镜片31曲率调节组件包括像补导电基板33和贴在所述像补镜片31上的像补导电薄膜32；

所述像补导电基板33和所述像补导电薄膜32间形成电场，所述像补镜片31受到电场间向下或者向上的静电驱动力，使得所述像补镜片31产生变形（如图3中所示，在箭头所示静电驱动力的作用下，像补镜片31变形至所示虚线位置），以调节所述像补镜片31的曲率。如图4、图5所示，所述像补镜片31位于所述像补导电基板33和所述像补导电薄膜32之间。所述像补镜片31安装在一像补镜框34内。

下面对上述补偿镜片曲率调节组件和变倍镜片21曲率调节组件的曲率调节原理进行简单解释，为方便描述，像补导电基板33和变倍导电基板23统称为导电基板，像补导电薄膜32和变倍导电薄膜22统称为导电薄膜，将上述像补镜片31和变倍镜片21统称为镜片，而将像补镜框34和变倍镜框24统称为镜框。上述补偿镜片曲率调节组件和变倍镜片21曲率调节组件的曲率调节均采用电控的方式，在导电薄膜和导电基板间形成电场，并受电场间产生向下或者向上的静电驱动力。该静电驱动力作用在镜片上时，镜片会向下（或者向上）发生一个微小的变形，使得镜片的曲率发生变化。改变电场的电压大小和方向，可以实现对电场力大小和方向的控制。故可通过改变作用在导电薄膜和导电基板之间的电压来改变车载抬头显示系统的焦距。

根据高斯光学理论，变倍镜片21的变形量                                                （该变形量即变形前曲率半径和变形后曲率半径之差）可由下式（一）求得：

   （1）

其中，像补镜片31的变形量可由下式（二）求得：

  （二）

其中，为车载抬头显示系统的总焦距，D为入瞳直径，为变焦比，为变倍镜片21与像补镜片31之间的间距与车载抬头显示系统的总焦距f之比，为变倍镜片21和像补镜片31的通光孔径之比，为2倍像面高度。

其中，所述导电薄膜与所述导电基板之间施加电压产生的静电驱动力与它与镜片半径之间的关系为如下表达式：

          <

                   < <

其中，为薄膜表面张力，为镜片的初始半径，为最大变形半径。

根据高斯光学理论，球面镜在物空间和像空间介质相同时有以下关系：

式中，为像距，为物距，为车载抬头显示系统的总焦距。

车载抬头显示系统的放大率为：

车载抬头显示系统的物距不变，当焦距变大时像距变大，放大率变大，即驾驶员所看到的图像距离变远，图像变大；当焦距变小时，像距变小，放大率变小，即人眼所看到的图像距离变近。

如此，通过上述补偿镜片曲率调节组件和变倍镜片21曲率调节组件，可对像补镜片31和变倍镜片21的曲率（或曲率半径）进行调节，通过施加在导电薄膜和导电基板之间的电压，可计算出曲率或曲率半径，获得镜片的形变量，进而获得车载抬头显示系统焦距的变化量。如此，可根据需要获得车载抬头显示系统调整后的焦距，逆向推出实现对像补镜片31和变倍镜片21的具体曲率调节所需的电压的变化。

此处对车载抬头显示系统的工作过程进行简单说明：当车辆检测到车速变化，判断驾驶员视线聚焦位置变化，所述变倍镜组件2自动调节其变倍镜片21的曲率，使车载抬头显示系统的总焦距发生改变，将车载抬头显示系统投射的图像位置改变，使其与驾驶员的视线聚焦位置重合。同时像质补偿镜组件3跟随该变倍镜组件2的调节，自动对其像面质量进行调节，提供高质量的图像给驾驶员。其前挡补偿镜组件4可对前挡风玻璃5引起的图像畸变进行补偿，防止图像失真。

本例提供的车载抬头显示系统，其在显示屏组件1后的出射光路上加装了三反式光学组件。由于该三反式光学组件中，其变倍镜组件2包括变倍镜片21和变倍镜片21曲率调节组件，因此，通过改变三反式光学组件中变倍镜片和像补镜片的曲率半径，来实现对整个车载抬头显示系统光路的焦距进行调节，实现连续变焦，当驾驶员车速加快后其视线聚焦位置拉远时，本车载抬头显示系统可调节该变倍镜组件2中的变倍镜片21曲率，同样将车载抬头显示系统投射的图像拉远，使其与驾驶员需要关注的前方路况的视线聚焦位置重合，如此，驾驶员无需将视线在图像和前方路况之间切换，能根据驾驶员视线聚焦位置而调整投影图像的成像位置，使得车载抬头显示系统的图像与驾驶员关注的前方路况完全融合，提高了行车的安全性，同时，该变倍镜组件可对图像进一步放大，使得驾驶员能更加清晰地获取复杂的信息（如此，有利于实现车道保持和安全车距提示灯功能，注：由于遮挡视线的问题，显示的图像尺寸大小有限制，一般不超过13英寸，所以对于地图等稍复杂的图像，是看不清细节的，变焦可增大图像的放大倍率，使得原来看不太清的信息变得清晰，但由于图像尺寸的限制，不能显示液晶显示屏上的全部信息。其本质也是对整个图像放大，只显示部分放大图像。故放大图像的作用在于可将图像显示的内容增加，放大后易于识别详细的局部信息）。同时，其像质补偿镜组件3可对该变倍镜片21改变光路后引起的像面质量进行调节，按规律改变像补镜片31的曲率，在物面不动的情况下补偿像面质量，使得车载抬头显示系统投射的图像像质在变焦过程中无明显下降。而采用该前挡补偿镜组件4，则可对汽车上前挡风玻璃5引起的畸变进行补偿，防止图像出现失真，进一步提高投影图像的像面质量。

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 (10)

1.一种车载抬头显示系统，其特征在于，包括显示屏组件和三反式光学组件，所述三反式光学组件位于所述显示屏组件的出射光路上，将显示屏组件投射的图像反射至汽车前挡风玻璃上；所述汽车前挡风玻璃将图像反射至人眼；

其中，所述三反式光学组件包括在光路上依次设置的变倍镜组件、像质补偿镜组件和前挡补偿镜组件；

所述变倍镜组件包括用于对显示屏组件投射的图像进行放大或缩小和折转光路的变倍镜片、及用于对所述变倍镜片曲率进行调节的变倍镜片曲率调节组件；

所述像质补偿镜组件包括用于对所述变倍镜片曲率变化过程中引起的像质失真进行补偿和折转光路的像补镜片、及用于对所述像补镜片曲率进行调节的像补镜片曲率调节组件；

所述前挡补偿镜组件包括用于对汽车上前挡风玻璃引起的畸变进行补偿的前挡补偿镜片；

所述变倍镜片和像补镜片为凹面镜，所述前挡补偿镜片为鞍形。

2.根据权利要求1所述的车载抬头显示系统，其特征在于，所述变倍镜组件位于所述显示屏组件的出射光路上；所述像质补偿镜组件位于所述变倍镜组件的出射光路上；

所述前挡补偿镜组件位于所述像质补偿镜组件的出射光路上，其出射光线投射向所述前挡风玻璃。

3.根据权利要求2所述的车载抬头显示系统，其特征在于，所述变倍镜片曲率调节组件包括变倍导电基板和贴在所述变倍镜片上的变倍导电薄膜；

所述变倍导电基板和所述变倍导电薄膜间形成电场，所述变倍镜片受到电场间向下或者向上的静电驱动力，使得所述变倍镜片产生变形，以调节所述变倍镜片的曲率。

4.根据权利要求3所述的车载抬头显示系统，其特征在于，所述变倍镜片位于所述变倍导电基板和所述变倍导电薄膜之间。

5.根据权利要求4所述的车载抬头显示系统，其特征在于，所述变倍镜片安装在一变倍镜框内。

6.根据权利要求2所述的车载抬头显示系统，其特征在于，所述像补镜片曲率调节组件包括像补导电基板和贴在所述像补镜片上的像补导电薄膜；

所述像补导电基板和所述像补导电薄膜间形成电场，所述像补镜片受到电场间向下或者向上的静电驱动力，使得所述像补镜片产生变形，以调节所述像补镜片的曲率。

7.根据权利要求6所述的车载抬头显示系统，其特征在于，所述像补镜片位于所述像补导电基板和所述像补导电薄膜之间。

8.根据权利要求7所述的车载抬头显示系统，其特征在于，所述像补镜片安装在一像补镜框内。

9.根据权利要求1所述的车载抬头显示系统，其特征在于，其包括一透射式显示屏和位于所述透射式显示屏下端的光源组件。

10.根据权利要求9所述的车载抬头显示系统，其特征在于，该光源组件包括背光板、在所述背光板上阵列分布的若干背光灯以及与所述背光灯对应的阵列分布的聚光透镜。