CN206421102U - 抬头显示装置及装有该抬头显示装置的车辆 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可实现大视场角双画面显示的抬头显示装置及车辆。该抬头显示装置，配合一影像显示单元使用，包括影像产生单元及设于所述影像产生单元与所述影像显示单元之间的影像投射单元，所述影像产生单元至少可产生表示第一图像的第一光束和表示第二图像的第二光束；所述影像投射单元至少包括第一光学模块和第二光学模块，所述第一光学模块将第一光束反射并扩束形成第一出射光束，所述第二光学模块将第二光束反射并扩束形成第二出射光束，第一光学模块与第二光学模块被构造成使所述第一出射光束和所述第二出射光束呈夹角相互偏离，从而相应的在影像显示单元上以不重叠的第一虚像画面和第二虚像画面成像投射至使用者的视野。

Description

抬头显示装置及装有该抬头显示装置的车辆

技术领域

本实用新型涉及抬头显示技术领域，尤其涉及一种应用于车辆上的抬头显示装置及装有该抬头显示装置的车辆。

背景技术

众所周知，抬头显示装置常应用于交通工具中，并通常设于车辆的主控台，用于让驾驶员不用低头看仪表盘信息，而专注于驾驶，并从视野前方抬头显示装置所产生的虚像画面上就可以获得想要信息，从而避免因车辆行驶、眼睛集中注意力集中仪表盘带来的驾驶安全问题。但随着信息技术的发展，越来越多的信息需要呈现出来，除了车速、油耗、温度等信息外，还需要显示路况的增强现实的信息，例如车道偏离、行人标识、路障标识等，这就需要抬头显示装置具有较大的视场角。

为了实现较大的视场角，现有技术中所采用的技术方案有：

一是采用更大的图像源和更大的光学元件，然而这样的结构会极大的增加抬头显示装置的体积，难以适应狭窄主控台的安装要求；

二是采用多区域显示：1)可在抬头显示装置的投影区域预先粘贴半透光的反射薄膜，即市面上常见的贴膜式HUD(Head Up Display)投影器以实现不同区域显示，然而这种结构不仅严重影响玻璃外观和驾驶员视野，显示效果也较差；2)同时产生多个抬头显示虚像画面，以双画面显示为例，通常采用两种成像源以分别形成对应的第一光束和第二光束，再采用结构复杂的分光单元进行光路调整，具体是将第一光束和第二光束耦合到同一光路，从而以实现同时显示两个虚像画面，然而，这样的结构由于第一光束和第二光束经所述分光系统分光扩束后以同一光路发射，一方面对视场角的扩大程度有限，另一方面在挡风玻璃上成像时，其耦合后的同一光路所形成的两个虚像画面会在挡风玻璃上呈现重叠状态，重叠的虚像画面会对驾驶员的视野造成一定的干扰，不利于同时进行显示，抬头显示装置所显示的信息与驾驶员之间的实际交互效果较差。

由此可见，上述技术方案在增大抬头显示装置视场角的同时相应的存在诸多弊端，不利于抬头显示技术的发展和普及。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种抬头显示装置及装有该抬头显示装置的车辆，旨在更好的扩大视场角，提升使用者与抬头显示装置所显示信息之间的实际交互效果。

为了解决上述技术问题，本实用新型的抬头显示装置采用的技术方案是：

抬头显示装置，配合一影像显示单元使用，包括影像产生单元及设于所述影像产生单元与所述影像显示单元之间的影像投射单元，所述影像产生单元至少可产生表示第一图像的第一光束和表示第二图像的第二光束；所述影像投射单元至少包括第一光学模块和第二光学模块，所述第一光学模块将所述第一光束反射并扩束形成第一出射光束，所述第二光学模块将所述第二光束反射并扩束形成第二出射光束，所述第一光学模块与所述第二光学模块被构造成使所述第一出射光束和所述第二出射光束呈夹角相互偏离，从而相应的在所述影像显示单元上以不重叠的第一虚像画面和第二虚像画面成像投射至使用者的视野。

进一步的，所述第一光学模块和所述第二光学模块均包括副反射部和主反射部以对相应的所述第一光束和所述第二光束进行两次反射并扩束。

进一步的，所述第一光学模块的副反射部由第一副镜提供，所述第二光学模块的副反射部由第二副镜提供，所述第一光学模块的主反射部和所述第二光学模块的主反射部由同一主镜提供。

进一步的，所述第一副镜和所述第二副镜相对于所述主镜呈由上到下的空间位置分布，并且经所述第二副镜及所述主镜依次反射并扩束形成的所述第二出射光束的出射角度大于经所述第一副镜及所述主镜依次反射并扩束形成的所述第一出射光束的出射角度。

进一步的，所述第一副镜和所述第二副镜彼此相邻设置，且所述第一副镜和所述第二副镜相对于所述主镜呈非对称分布。

进一步的，至少所述第二副镜反射的光束的中心光线对应所述主镜的中心位置或者对应邻近所述主镜中心的位置。

进一步的，所述主镜为凹面反射镜，所述第一副镜和所述第二副镜分别为平面反射镜、凹面反射镜以及凸面反射镜中的任意一种。

进一步的，所述主镜优选为离轴凹非球面反射镜。

进一步的，所述第一副镜和所述第二副镜具有不同的表面面型。

进一步的，所述第一副镜、所述第二副镜及所述主镜的有效反射面区域均呈不规则的四边形。

进一步的，所述影像产生单元包括一个成像源，所述第一图像和所述第二图像由同一所述成像源的不同区域产生；或者所述影像产生单元包括两个成像源，所述第一图像和所述第二图像分别由两个所述成像源一一对应产生。

基于上述技术方案，本实用新型的抬头显示装置至少具有以下有益效果：

本实用新型的抬头显示装置，通过采用第一光学模块和第二光学模块分别对第一图像的第一光束和第二图像的第二光束进行反射并扩束，有利于减小光学元件的尺寸，安装更加灵活方便，能更好的适应狭窄的安装空间，并且相对于采用分光单元而言，在实际设计时只需相应调节第一光学模块和第二光学模块之间的相对位置即可方便的使第一光束和第二光束按不同光路形成相互偏离的所述第一出射光束和所述第二出射光束，从而同时在影像显示单元的不同区域分别显示成像，以同时显示不重叠分布的第一虚像画面和第二虚像画面，不仅能够极大的增加视场角，达到很好的交互效果，还更加方便安装使用，实用性较强。

本实用新型还提供了一种车辆，其采用的技术方案是：

车辆，包括车体、设于所述车体内的主控台和挡风玻璃，还包括上述抬头显示装置，所述抬头显示装置设于所述主控台下方，所述挡风玻璃作为与所述抬头显示装置配合使用的所述影像显示单元。

本实用新型的车辆，通过设置上述抬头显示装置，能够为驾驶员提供更大的视场角，使驾驶员能同时查看更多行车信息，并提高行车过程中驾驶员查看相关信息的舒适度和安全性，达到更好的实际交互效果，有效的避免行车安全事故。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的抬头显示装置的一种结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的抬头显示装置的第二种结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的抬头显示装置的第三种结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的抬头显示装置的第四种结构示意图；

图5为图1所示抬头显示装置以使用者为基准的侧视结构示意图。

图6为图1所示抬头显示装置以使用者为基准的前视结构示意图。

图7为本实用新型实施例提供的一种装有图1所示抬头显示装置的车辆的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型要解决的技术问题、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。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

还需要说明的是，以下实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

如图1至图4所示，本实用新型实施例提供的抬头显示装置100，配合一影像显示单元使用，包括影像产生单元200及设于影像产生单元200与影像显示单元之间的影像投射单元，影像产生单元200至少可产生表示第一图像的第一光束211和表示第二图像的第二光束221；影像投射单元至少包括第一光学模块和第二光学模块，第一光学模块将第一光束211反射并扩束形成第一出射光束213，第二光学模块将第二光束221反射并扩束形成第二出射光束223，第一光学模块与第二光学模块被构造成使第一出射光束213和第二出射光束223呈夹角相互偏离，从而相应的在影像显示单元上以不重叠分布的第一虚像画面 510和第二虚像画面520成像投射至使用者的视野。

本实用新型实施例的抬头显示装置100，通过采用第一光学模块和第二光学模块分别对第一图像的第一光束211和第二图像的第二光束221进行反射并扩束，有利于减小光学元件的尺寸，安装更加灵活方便，能更好的适应狭窄的安装空间，并且相对于采用分光单元而言，在实际使用时只需相应调节第一光学模块和第二光学模块之间的相对位置即可方便的使第一光束211和第二光束 221按不同光路(如图1至4所示，第一光束211按实心箭头所指光路投射，第二光束221按空心箭头所指光路投射)形成相互偏离且呈适当夹角的第一出射光束213和第二出射光束223，从而同时在影像显示单元的不同区域分别显示成像，以同时显示不重叠分布的第一虚像画面510和第二虚像画面520，不仅能够极大的增加视场角，达到很好的交互效果，还更加方便安装使用，实用性较强。

其中，影像显示单元为现有结构或部件，例如将抬头显示装置100在交通工具中应用时，影像显示单元可以是一设于挡风玻璃400后方并具有相关功能膜层的透明板；而为了进一步简化结构并提升驾驶员的驾驶感受，更加优选的是直接利用交通工具的挡风玻璃400作为影像显示单元。

进一步的，在本实用新型的实施例中，第一光学模块和第二光学模块均包括副反射部和主反射部以对相应的第一光束211和第二光束221进行两次反射并扩束。这样的结构可使第一光束211和第二光束221经反射并扩束后能在影像显示单元以更大面积进行显像，在采用较小影像产生单元200的情况下也能够获得较大的虚像画面，有利于达到更好的增强现实效果，并且不需增大整个抬头显示装置100的体积，更适合在狭小安装空间中使用，进而解决了体积小和成像大难以兼顾的问题。

进一步的，在本实用新型的实施例中，第一光学模块的副反射部由第一副镜311提供，第二光学模块的副反射部由第二副镜321提供，第一光学模块的主反射部和第二光学模块的主反射部由同一主镜330提供。

第一光束211由第一副镜311反射后产生朝主镜330投射的第一入射光束 212，再经主镜330反射并扩束后以第一出射光束213投射至挡风玻璃400；第二光束221由第二副镜321反射后产生朝主镜330投射的第二入射光束222，再经主镜330反射并扩束后以第二出射光束223投射至挡风玻璃400；最后由挡风玻璃400将第一出射光束213和第二出射光束223反射至使用者的眼睛，根据光学原理，使用者能感知到在挡风玻璃400前方的与第一图像共轭的第一虚像画面510以及与第二图像共轭的第二虚像画面520。分别设置的第一副镜 311和第二副镜321更有利于保持并调整第一入射光束212和第二入射光束222 及第一出射光束213和第二出射光束223分别按不同光路投射，从而更便于实现不重叠的第一虚像画面510和第二虚像画面520。该抬头显示装置100共用同一主镜330进行反射和扩束，能大幅减小主镜330镜片的宽度，在实现大视角的双画面显示的同时，有利于使抬头显示装置100整体结构得以微型化，以在有限的空间内更便于安装设置。

具体的，在实际应用中，由于优选采用较小的影像产生单元200，故与影像产生单元200对应的第一副镜311和第二副镜321尺寸相对较小，而主镜330 具有大于第一副镜311和第二副镜321的尺寸，以利于提高整体结构紧凑性、减小体积。当然，在通过调整第一副镜311、第二副镜321和主镜330的相对位置以获得不重叠的第一虚像画面510和第二虚像画面520的前提下，可尽量减小主镜330尺寸。

进一步的，在本实用新型的实施例中，第一副镜311和第二副镜321相对于主镜330呈由上到下的空间位置分布，并且经第二副镜321及主镜330依次反射并扩束形成的第二出射光束223的出射角度大于经第一副镜311及主镜 330依次反射并扩束形成的第一出射光束213的出射角度。结合图1和图2所示，这样的结构可使第一虚像画面510位于影像显示单元的上方区域、第二虚像画面520位于影像显示单元的下方区域，并能更好的避免呈上下分布的第一虚像画面510和第二虚像画面520不重叠。这种呈上下分布的虚像画面在为使用者提供较大视场角的同时，还更方便使用者观看。

以在车辆中应用为例，影像产生单元200产生的图像包括行车信息图像、仪表显示图像以及导航信息图像中的任意两种或三种。由于行车信息图像和导航信息图像所对应的第一虚像画面510通常要求大面积、大视场角显示，而仪表显示图像的显示面积则相对较小，故可使第一副镜311反射的第一光束211所表示的第一图像用于呈现路况的增强现实的信息，例如车道偏离、行人标识、路障标识等，即第一图像对应包括行车信息图像和导航信息图像，第二副镜321反射的第二光束221所表示的第二图像则用于呈现车辆的相关参数信息，例如车速、油耗、温度、警告等，即第二图像对应包括仪表显示图像，由此可为驾驶员提供较更好的行车体验。在此基础上，第一副镜311的尺寸优选大于第二副镜321 的尺寸，即可保证第一虚像画面510能够以大面积、大视场角显示，而无需增设其他诸如透镜等用于放大图像的复杂光学组件，相应的达到进一步简化整体结构的目的。

通过进一步对第一副镜311、第二副镜321及主镜330之间的相应角度的简单调整，还可使第一光束211和第二光束221经两次反射、扩束后在挡风玻璃400上呈现如图2所示的上下拼接的第一虚像画面510和第二虚像画面520，从而能进一步扩大整体显示的视场角，具有更好的视觉效果。

进一步的，在本实用新型的实施例中，为了减小整体抬头显示装置100的显示尺寸，影像产生单元200中生成第一图像和第二图像的两个区域通常是彼此靠近或拼接的，故为保证第一副镜311、第二副镜321能同时更好的对应接收表示第一图像的第一光束211及表示第二图像的第二光束221，并且结构更加紧凑，第一副镜311和第二副镜321优选彼此相邻设置。由于影像显示单元 (本实施例中为挡风玻璃400)通常呈不规则的倾斜曲面，在靠右驾驶的车辆中，在驾驶员的视角下，驾驶员正前方挡风玻璃400玻璃的右边部分相对靠前，而左边部分相对靠后，即呈现向左倾斜的情况，故为了使第一虚像画面510和第二虚像画面520均成像在驾驶员的正前方，根据现有相关光学原理及多次安装试验得知，在实际应用时，将第一副镜311和第二副镜321相对于主镜330 呈非对称分布。

具体的，结合图5所示，在以使用者为基准时的侧视方向上，在挡风玻璃400的侧面方向上，主镜330相对于挡风玻璃400大致呈垂直分布，第一副镜 311和第二副镜321与主镜330相对应并保持一定间距，第一副镜311和第二副镜321之间大致呈一定的钝角设置，影像产生单元200位于第一副镜311和第二副镜321的下方，并且影像产生单元200相对于第一副镜311和第二副镜 321大致呈一定的锐角设置。在以使用者为基准时的前视方向上，结合图6所示，第一副镜311和第二副镜321位于主镜330的偏右侧方向，第一副镜311 和第二副镜321相对于主镜330呈左右非对称分布和上下非对称分布，第一副镜311和第二副镜321之间以一锐角错开分布。

进一步的，在第二虚像画面520如前述用于呈现仪表显示信息时，其图像面积相对较小，故为了使人眼可以正确地或者完全看到第二虚像画面520并具有较好的视觉效果，即具有足够的上下眼睛盒大小，在本实用新型的实施例中，第二副镜321反射后的第二入射光束222的中心光线对应主镜330的中心位置或者对应邻近主镜330中心的位置。当然，第一副镜311反射后的第一入射光束212的中心光线亦优选对应主镜330的中心位置或者对应邻近主镜330中心的位置，以使驾驶员能获得更好的视野。此外，这样的结构还有利于进一步减小主镜330尺寸。

进一步的，在本实用新型的实施例中，主镜330为凹面反射镜，第一副镜 311和第二副镜321分别为平面反射镜、凹面反射镜以及凸面反射镜中的任意一种。其中第一副镜311和第二副镜321可根据实际优化设计需要进行相应的选择，结合图1至图4所示，本实施例中第一副镜311、第二副镜321采用的是凸面反射镜。

在本实用新型的实施例中，主镜330、第一副镜311、第二副镜321，皆是利用正立放大虚像的光学原理，以产生虚像，并以大面积的方式成像至挡风玻璃400前方，具有较大的视场角，有利于达到更好的增强现实效果。

具体在本实施例中，主镜330优选为现有的离轴凹非球面反射镜。这样无需在挡风玻璃400上增设光学膜层或者对挡风玻璃400进行特殊设计，而利用主镜330自身结构即可矫正挡风玻璃400对成像造成的畸变，有利于进一步简化整体结构，提高结构的紧凑性。

具体的，由于挡风玻璃400的表面通常为非球面并且在不同区域的曲率相异，故第一副镜311和第二副镜321的表面面型也优选为非球面，第一副镜311 和第二副镜321还进一步优选具有不同的表面面型，即两者对应有不同的曲率。这样通过优化反射镜的表面反射面型能更好的矫正在挡风玻璃400上成像时图像发生畸变的问题，从而为使用者提供两幅高质量的低畸变图像。

进一步的，结合图5和图6所示，在本实用新型的实施例中，第一副镜311、第二副镜321及主镜330的有效反射面区域均呈不规则的四边形，经多次试验发现，这样的结构能更好的矫正在风挡玻璃上成像的畸变，保证成像清晰。

进一步的，在本实用新型的实施例中，影像产生单元200包括两个成像源，第一图像和第二图像分别由两个成像源(第一成像源210和第二成像源220) 一一对应产生。这样的结构可使第一成像源210、第二成像源220与第一副镜 311、第二副镜321之间有更灵活的布置方式，例如，在实际应用时，第一成像源210和第二成像源220与第一副镜311和第二副镜321可以是如图1和图2 中所示呈相互交错对应分布，也可以是如图3所示呈相互并行式对应分布。

结合图4所示，在本实用新型的实施例中，更为优选的是影像产生单元200 包括一个成像源，第一图像和第二图像由同一成像源的不同区域产生，以进一步简化影像产生单元200的复杂程度，进而降低相关生产成本。

此外，若需达到多区域显示的目的，可相应的增设成像源或成像源的成像区域及副镜即可。

在本实用新型的实施例中，成像源为现有的液晶显示屏、纸质显示器，或者为数字投影仪或Lcos微投影仪在成像膜上投影所成的像。

如图7所示，本实用新型实施例还提供了一种车辆，包括车体600、设于车体600内的主控台700和挡风玻璃400，还包括上述抬头显示装置100，抬头显示装置100设于主控台700下方，挡风玻璃400作为与抬头显示装置100配合使用的影像显示单元。

本实用新型实施例的车辆，通过设置上述抬头显示装置100，能够为驾驶员提供更大的视场角，提高行车过程中驾驶员查看相关信息的舒适度和安全性，驾驶员与抬头显示装置100所显示的信息之间能达到更好的实际交互效果，能更好的避免行车安全事故。

以上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.抬头显示装置，配合一影像显示单元使用，其特征在于：包括影像产生单元及设于所述影像产生单元与所述影像显示单元之间的影像投射单元，所述影像产生单元至少可产生表示第一图像的第一光束和表示第二图像的第二光束；所述影像投射单元至少包括第一光学模块和第二光学模块，所述第一光学模块将所述第一光束反射并扩束形成第一出射光束，所述第二光学模块将所述第二光束反射并扩束形成第二出射光束，所述第一光学模块与所述第二光学模块被构造成使所述第一出射光束和所述第二出射光束呈夹角相互偏离，从而相应的在所述影像显示单元上以不重叠的第一虚像画面和第二虚像画面成像投射至使用者的视野。

2.如权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于：所述第一光学模块和所述第二光学模块均包括副反射部和主反射部以对相应的所述第一光束和所述第二光束进行两次反射并扩束。

3.如权利要求2所述的抬头显示装置，其特征在于：所述第一光学模块的副反射部由第一副镜提供，所述第二光学模块的副反射部由第二副镜提供，所述第一光学模块的主反射部和所述第二光学模块的主反射部由同一主镜提供。

4.如权利要求3所述的抬头显示装置，其特征在于：所述第一副镜和所述第二副镜相对于所述主镜呈由上到下的空间位置分布，并且经所述第二副镜及所述主镜依次反射并扩束形成的所述第二出射光束的出射角度大于经所述第一副镜及所述主镜依次反射并扩束形成的所述第一出射光束的出射角度。

5.如权利要求3所述的抬头显示装置，其特征在于：所述第一副镜和所述第二副镜彼此相邻设置，且所述第一副镜和第二副镜相对于所述主镜呈非对称分布。

6.如权利要求3所述的抬头显示装置，其特征在于：至少所述第二副镜反射的光束的中心光线对应所述主镜的中心位置或者对应邻近所述主镜中心的位置。

7.如权利要求3所述的抬头显示装置，其特征在于：所述主镜为凹面反射镜，所述第一副镜和所述第二副镜分别为平面反射镜、凹面反射镜以及凸面反射镜中的任意一种；所述主镜为离轴凹非球面反射镜；所述第一副镜和所述第二副镜具有不同的表面面型。

8.如权利要求1至7之一所述的抬头显示装置，其特征在于：所述影像产生单元包括一个成像源，所述第一图像和所述第二图像由同一所述成像源的不同区域产生；或者所述影像产生单元包括两个成像源，所述第一图像和所述第二图像分别由两个所述成像源一一对应产生。

9.车辆，包括车体、设于所述车体内的主控台和挡风玻璃，其特征在于：还包括权利要求1至8中任意一项所述的抬头显示装置，所述抬头显示装置设于所述主控台下方，所述挡风玻璃作为与所述抬头显示装置配合的所述影像显示单元。