CN204790192U - 一种可变焦光学系统及抬头显示系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种可变焦光学系统及抬头显示系统，该可变焦光学系统包括发光屏、透镜、次反射镜和主反射镜，所述透镜、次反射镜或者主反射镜中的任一组镜片可沿着光轴前后移动以调节所述可变焦光学系统的焦距。一种抬头显示系统包括上述的可变焦光学系统，还包括速度获取模块和焦距调节模块，该焦距调节模块可根据速度获取模块获取到的车速信息实时调节所述光学系统的焦距或者根据用户需求手调节动所述可变焦光学系统的焦距。本实用新型可以有效地减少驾驶员因车速变化视线焦点移动而引起的离焦和视线模糊。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种光学系统，尤其涉及一种可变焦光学系统及抬头显示系统。
背景技术
抬头显示光学系统(HUD)现在已经被广泛应用于车载显示中，其作用是在人眼前方几米远的地方呈现一个虚像，人眼在看清前方路况的同时也能看到显示器中的东西，这样可以有效地减少观察仪表盘和GPS所浪费的时间。
目前来说市面上的HUD系统均为定焦光学系统，即虚像位置不动，这样的产品有一个缺点：由于驾驶员在开车的时候眼睛的对焦距离是随着车速的变化而变化的，车速越快人眼的对焦距离就越远，而HUD虚像位置不动，人眼很容易在变换焦点的时候由于虚像离焦而造成视线模糊。
实用新型内容
鉴于上述问题，本实用新型提供了一种可变焦光学系统及抬头显示系统，以解决上述问题或者至少部分地解决上述问题。
本实用新型提供了一种可变焦光学系统，所述可变焦光学系统沿着光线出射方向依次包括：发光屏、透镜、次反射镜和主反射镜；
所述透镜，适于校正所述发光屏的出射光线的方向，并将校正后的光出射到所述次反射镜上；
所述次反射镜，适于将出射到其上的光反射后出射到所述主反射镜上；
所述主反射镜，适于将出射到其上的光反射并汇聚；
其中，所述透镜、次反射镜或者主反射镜中的任一组镜片可沿着光轴前后移动以调节所述可变焦光学系统的焦距。
可选地，所述透镜为具有正光焦度的菲涅尔透镜，其面向所述次反射镜的一面为菲涅尔面，另一面为凹面的非球面。
可选地，所述透镜的材料是zk7光学玻璃。
可选地，所述次反射镜为无光焦度的平面反射镜。
可选地，所述主反射镜是透明的具有正光焦度的凹面反射镜。
可选地，所述主反射镜的面型为二次曲面，所述二次曲面的中心相对于光轴有一定的偏移距离。
一种抬头显示系统，包括上述任一项所述的可变焦光学系统。
可选地，所述抬头显示系统还包括速度获取模块和焦距调节模块，
所述速度获取模块，用于实时获取车辆的车速信息；
所述焦距调节模块，用于根据所述速度获取模块获取到的车辆当前速度实时调节所述可变焦光学系统的焦距，以改变所述抬头显示系统所成虚像的位置。
可选地，所述焦距调节模块，具体用于根据所述速度获取模块获取到的车辆当前速度实时调节所述可变焦光学系统中的透镜与发光屏之间的距离。
可选地，所述焦距调节模块，还用于用户根据需求手动调节所述可变焦光学系统的焦距。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型提供的一种可变焦光学系统，沿着光线出射方向依次包括：发光屏、透镜、次反射镜和主反射镜，由于透镜、次反射镜或者主反射镜中的任一组镜片可沿着光轴前后移动，因此该光学系统的焦距可调节。
将本实用新型的可变焦光学系统应用到本实用新型的抬头显示系统中，本实用新型提供的一种抬头显示系统，通过速度获取模块实时获取车辆的车速信息，由于车速越慢像面越近，车速越快像面越远，通过焦距调节模块根据车辆当前速度实时调节所述可变焦光学系统的焦距，例如可通过实时调节所述光学系统中的透镜与发光屏之间的距离来实现变焦，从而改变所述抬头显示系统所成虚像的位置，这样可以有效地减少驾驶员因车速变化视线焦点移动而引起的离焦和视线模糊。
附图说明
图1为本实用新型实施例的可变焦光学系统的光路图；
图2为本实用新型实施例的可变焦光学系统的光学参数；
图3为本实用新型实施例的可变焦光学系统在焦距123mm下的传递函数曲线；
图4为本实用新型实施例的可变焦光学系统的点列图；
图5为本实用新型实施例的可变焦光学系统的多重结构参数；
图6为本实用新型实施例的抬头显示光学系统示意图；
图中：11、发光屏；12、透镜；13、次反射镜；14、主反射镜；15、人眼瞳孔。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。
图1示出了根据本实用新型实施例的可变焦光学系统的示意图。如图1所示，沿着光线出射方向，该可变焦光学系统依次包括：发光屏11、透镜12、次反射镜13和主反射镜14。
透镜12适于校正发光屏1的出射光线的方向，并将校正后的光出射到次反射镜13上。次反射镜13适于将出射到其上的光反射后出射到主反射镜14上。主反射镜14适于将出射到其上的光反射在人眼瞳孔15处汇聚成像。
其中，透镜12、次反射镜13或者主反射镜14中的任一组镜片可沿着光轴前后移动，以改变所述光学系统的焦距。
图2为本实用新型实施例的可变焦光学系统的光学参数，示出了在光轴上各光学表面的曲率半径(Radius)；各光学表面与相邻下一个光学表面之间的厚度(Thickness)；各光学元件的材质(Glass)、口径(Semi-diameter)和二次曲面系数(Conic)。优选地，透镜12为具有正光焦度的菲涅尔透镜，透镜12面向次反射镜13的一面为菲涅尔面，另一面为非球面。
在一种实施例中，菲涅尔面的面型半径为33.8mm，材料是zk7光学玻璃，非球面为凹面，半径为144.5mm。
优选地，次反射镜13为100％反射镜，且为无光焦度的平面反射镜。次反射镜13的主要作用是折转光路缩短系统长度，让系统更加紧凑。
优选地，主反射镜14是透明的、具有正光焦度的凹面反射镜。在一种实施例中，主反射镜14的面型为二次曲面，二次曲面系数为0.581，半径为400mm。主反射镜14中心相对于光轴偏移55mm。
在一种实施例中，人眼瞳孔15的活动范围是130mm*65mm，发光屏11的对角线长度为10.8mm，投影距离为2m至5m，视场角为水平8°、竖直4°。
当该可变焦光学系统的焦距为123mm时，透镜12与发光屏11的距离为6.9mm，此时虚像位置为2mm。如让虚像距离变远，一种实施例是增大透镜12和发光屏11之间的间距，例如当增大透镜12和发光屏11之间的距离至21.5mm时，虚像位置为5m，此时该可变焦光学系统的焦距为141mm。
图3为本实用新型实施例的可变焦光学系统在焦距123mm下的传递函数曲线。传递函数曲线可以综合反映系统的成像质量，其曲线形状越平滑，且相对X轴高度越高，证明系统的成像质量越好。图3中不同曲线分别代表各个视场光线，T表示子午方向的传递函数曲线，S表示弧矢方向的传递函数曲线，由图3可以看出，曲线较为紧凑平滑，且曲线所表征的传递函数数值较高，说明系统具有良好的成像质量。
图4为本实用新型实施例的可变焦光学系统的点列图。点列图显示的是光学系统的各个视场光线在像面处汇聚而形成的弥散斑，表征系统得到的各种像差特性，弥散斑分散得越开证明系统的色差越大。点列图的RMS半径是一个重要的半径参数，它是弥散斑各个点坐标，参考中心点进行的坐标平方和后，除以点数量，然后开方的值，这个值的半径可以反映一个典型的弥散斑的大小，以定量的反映这个系统实际的斑点大小。RMS半径越小证明系统的成像质量越好。由图4可以看出，弥散斑分布紧凑，该系统的成像质量较好。
图5为本实用新型实施例的可变焦光学系统的多重结构参数，通过移动次反射镜13其与发光屏11的距离，模拟不同的焦距。图中第一行数据表示虚像位置与人眼瞳孔的距离，第二行数据表示左右人眼瞳孔所在直线的中心分别到左右人眼瞳孔的距离，第三行数据表示左右人眼瞳孔转动的角度，第四行数据表示发光屏11与次反射镜3之间的距离。由图5可以看出，发光屏11与次反射镜13之间的距离越小，虚像位置与人眼瞳孔的距离越大，该光学系统的焦距越大。
本实用新型实施例的可变焦光学系统的工作原理是：在各个光学元件的相互配合下，光线经发光屏11出射之后，经过透镜12的校正、次反射镜13的全反射、主反射镜14的进一步汇聚反射后入射到人眼瞳孔15，在进入人眼瞳孔15的光线反向延长线上形成一个虚像。通过沿着光轴前后移动透镜12、次反射镜13或者主反射镜14中的任一组镜片，实现对所述可变焦光学系统的焦距调节。由上述可知，本实用新型提供的可变焦光学系统，由于透镜、次反射镜或者主反射镜中的任一组镜片可沿着光轴前后移动，因此该光学系统的焦距可调节。
图6为本实用新型实施例的抬头显示光学系统示意图。本实用新型实施例的抬头显示系统6，包括上述的可变焦光学系统61、速度获取模块61和焦距调节模块62，其中速度获取模块61用于实时获取车辆的车速信息，焦距调节模块62，用于根据所述速度获取模块61获取到的车辆当前速度，实时调节透镜12、次反射镜13或者主反射镜14中的任一组镜片沿着光轴的前后位置，实时调节可变焦光学系统的焦距，从而改变该抬头显示系统所成虚像的位置。
一种优选实施例，所述焦距调节模块62，具体用于根据所述速度获取模块61获取到的车辆当前速度实时调节所述可变焦光学系统61中的透镜12与发光屏11之间的距离。
可选地，所述焦距调节模块62，还用于用户根据实际需求例如速度需求或者视觉需求，手动调节所述光学系统61的焦距，例如调节所述可变焦光学系统61中的透镜、次反射镜或者主反射镜中的任一组镜片的前后位置，以预置所述抬头显示系统所成虚像的位置。
由上所述，将本实用新型的可变焦光学系统应用到抬头显示系统中，本实用新型提供的抬头显示系统，通过速度获取模块实时获取车辆的车速信息，由于车速越慢像面越近，车速越快像面越远，通过焦距调节模块根据车辆当前速度实时调节所述可变焦光学系统的焦距，例如可通过实时调节所述光学系统中的透镜与发光屏之间的距离来实现光学系统的变焦，从而改变所述抬头显示系统所成虚像的位置，这样可以有效地减少驾驶员因车速变化视线焦点移动而引起的离焦和视线模糊。
以上所述仅为本实用新型的实施方式，并非用于限定本实用新型的保护范围。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、改进、扩展等，均包含在本实用新型的保护范围内。
Claims (10)
1.一种可变焦光学系统，其特征在于，所述可变焦光学系统沿着光线出射方向依次包括：发光屏、透镜、次反射镜和主反射镜；
所述透镜，适于校正所述发光屏的出射光线的方向，并将校正后的光出射到所述次反射镜上；
所述次反射镜，适于将出射到其上的光反射后出射到所述主反射镜上；
所述主反射镜，适于将出射到其上的光反射并汇聚；
其中，所述透镜、次反射镜或者主反射镜中的任一组镜片可沿着光轴前后移动以调节所述可变焦光学系统的焦距。
2.根据权利要求1所述的可变焦光学系统，其特征在于，所述透镜为具有正光焦度的菲涅尔透镜，其面向所述次反射镜的一面为菲涅尔面，另一面为凹面的非球面。
3.根据权利要求2所述的可变焦光学系统，其特征在于，所述透镜的材料是zk7光学玻璃。
4.根据权利要求1所述的可变焦光学系统，其特征在于，所述次反射镜为无光焦度的平面反射镜。
5.根据权利要求1-4任一项所述的可变焦光学系统，其特征在于，所述主反射镜是透明的具有正光焦度的凹面反射镜。
6.根据权利要求5所述的可变焦光学系统，其特征在于，所述主反射镜的面型为二次曲面，所述二次曲面的中心相对于光轴有一定的偏移距离。
7.一种抬头显示系统，其特征在于，所述抬头显示系统包括权利要求1-6任一项所述的可变焦光学系统。
8.根据权利要求7所述的抬头显示系统，其特征在于，所述抬头显示系统还包括速度获取模块和焦距调节模块，
所述速度获取模块，用于实时获取车辆的车速信息；
所述焦距调节模块，用于根据所述速度获取模块获取到的车辆当前速度实时调节所述可变焦光学系统的焦距，以改变所述抬头显示系统所成虚像的位置。
9.根据权利要求8所述的抬头显示系统，其特征在于，所述焦距调节模块，具体用于根据所述速度获取模块获取到的车辆当前速度实时调节所述可变焦光学系统中的透镜与发光屏之间的距离。
10.根据权利要求9所述的抬头显示系统，其特征在于，所述焦距调节模块，还用于用户根据需求手动调节所述可变焦光学系统的焦距。
Priority Applications (1)
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| CN201520377195.1U CN204790192U (zh) | 2015-06-03 | 2015-06-03 | 一种可变焦光学系统及抬头显示系统 |
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