CN207752239U - 一种车载增强现实抬头显示系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种车载增强现实抬头显示系统，包括控制面板、前挡风玻璃和设置在所述前挡风玻璃前的抬头显示器，所述抬头显示器包括图像生成单元和若干个反射镜，所述图像生成单元与反射镜之间至少设有一个透射光学元件，所述控制面板与图像生成单元连接，用于控制所述图像生成单元的显示图像，所述显示图像形成光束，并经所述反射镜反射后投射在前挡风玻璃上，以使驾驶者观察到所述显示图像的虚像。本实用新型中的车载增强现实抬头显示系统，增加透射光学元件的设计，使得只需要在单光路的图像生成单元的基础上，就能实现两个区域不同距离的成像。

Description

一种车载增强现实抬头显示系统

技术领域

本实用新型涉及机动车抬头显示系统技术领域，具体涉及一种车载增强现实抬头显示系统。

背景技术

抬头显示系统(Head Up Display，HUD)最初在战斗机上使用，其可以将一些关键的飞行任务信息，比如高度、速度、飞行姿态、雷达火控信息投射到飞行员前方无限远的位置，且火控信息与座舱外实景可以很好的融合指示，飞行员可以在视线完全不离开对座舱外部态势的观察的情况下，很好的掌握自身及周边己方、敌方的态势信息，对于神经高度紧张的战机飞行员完成作战任务非常有利。

在车载领域，随着车载电子系统的发展，仪表台需要综合及显示的信息越来越多，人机功效越来越被重视，驾驶舒适度及体验感的提升成为了重要话题，HUD系统可以保证驾驶员在视线不离开周围环境的前提下显示诸多有效信息，自然引起了众多厂商及消费者的兴趣。

近年来提出的一些车载HUD的概念及应用，已经计划把车道指示与偏离预警、自适应巡航、实景导航、先进驾驶辅助系统(ADAS)、障碍物提示、甚至各种娱乐、车内实时综合信息显示等功能加入到HUD模块中，这样就会由于HUD显示的信息越来越多，而导致驾驶者无法在第一时间快速的获取到相应的驾驶信息。

鉴于上述缺陷，本实用新型创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本实用新型。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型采用的技术方案在于，提供一种车载增强现实抬头显示系统，包括控制面板、前挡风玻璃和设置在所述前挡风玻璃前的抬头显示器，所述抬头显示器包括图像生成单元和若干个反射镜，所述图像生成单元与反射镜之间至少设有一个透射光学元件，所述控制面板与图像生成单元连接，用于控制所述图像生成单元的显示图像，所述显示图像形成光束，并经所述反射镜反射后投射在前挡风玻璃上，以使驾驶者观察到所述显示图像的虚像。

进一步，所述图像生成单元由TFT-LCD显示面板构成，并使用LED强背光显示所述显示图像。

进一步，所述透射光学元件为球面、非球面、双锥面或自由曲面中的一种或多种组合。

进一步，所述显示图像分为主显示区域和辅助显示区域，所述主显示区域位于图像生成单元的中间位置，所述辅助显示区域位于图像生成单元的边缘位置。

进一步，所述主显示区域的内容包含导航信息、ADAS、ACC、盲点检测、障碍物识别、车道提示报警、AR-HUD，所述辅助显示区域的内容包含时速、油量信息，所述主显示区域和辅助显示区域的内容根据驾驶者需要择一或择多选择显示。

进一步，所述透射光学元件的位置与所述辅助显示区域的位置相适应，以使所述透射光学元件对应的显示图像内容投射到与所述主显示区域对应的显示图像内容不同的距离。

进一步，所述反射镜的数量为2个，分别为反射镜A和反射镜B。

进一步，所述反射镜上设有角度调节开关，其与所述控制面板连接，用于调节所述反射镜与光束之间的角度。

进一步，所述显示图像投射在前挡风玻璃上的位置与驾驶者的眼睛位置相适应。

进一步，所述前挡风玻璃上附着有增透膜，其覆盖面积包含所述光束投射到前挡风玻璃上的面积。

与现有技术比较本实用新型的有益效果在于：1.本实用新型中的车载增强现实抬头显示系统，增加透射光学元件的设计，使得只需要在单光路的图像生成单元的基础上，就能实现两个区域不同距离的成像；2.PGU采用TFT-LCD 显示面板制作，实现高速度、高亮度、高对比度的显示屏幕信息，还具有高安全性和可靠性、外形轻薄、功耗低、使用寿命长等优点；3.反射镜的角度可调，使得该车载增强现实抬头显示系统的使用灵活，适用范围更广；4.增加增透膜，是为了减少反射光的强度，从而增加透射光的强度，使该车载增强现实抬头显示系统成像更清晰。

附图说明

图1为本实用新型车载增强现实抬头显示系统的光路图；

图2为本实用新型车载增强现实抬头显示系统的结构框图；

图3为实施例二中车载增强现实抬头显示系统的光路图；

图4为实施例三中车载增强现实抬头显示系统的显示图像的分布区域图 1；

图5为实施例三中车载增强现实抬头显示系统的显示图像的分布区域图2；

图6为实施例四中车载增强现实抬头显示系统中例(一)的图像仿真结果；

图7为实施例四中车载增强现实抬头显示系统中例(二)的图像仿真结果；

图8为实施例五中车载增强现实抬头显示系统的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例一

请参阅图1和图2所示，其为本实用新型车载增强现实抬头显示系统的光路图和结构框图。

如图1和图2所示，一种车载增强现实抬头显示系统，包括控制面板1、前挡风玻璃2和设置在所述前挡风玻璃2前的抬头显示器3，所述抬头显示器 3包括图像生成单元31和若干个反射镜，所述控制面板1与图像生成单元31 连接，用于控制所述图像生成单元31的显示图像，所述显示图像形成光束，并经所述反射镜反射后投射在前挡风玻璃2上，以使驾驶者观察到所述显示图像的虚像6。

其中，所述抬头显示器3安装在驾驶位与前挡风玻璃2之间的车辆仪表台上；所述前挡风玻璃2一般为自由曲面，如果所述显示图像直接投影在所述自由曲面上，会导致投影失真，成像质量差的情况，因此需要在两者之间增加所述抬头显示器以避免上述缺陷；所述控制面板1用于调解或改变所述显示图像的发射信息，所述控制面板1一般为方向盘或者中央控制台上的仪表组，所述方向盘上设有按键，所述仪表组设有按键和/或触摸屏，驾驶者根据驾驶过程中需要投影在所述前挡风玻璃2上的信息来操作所述按键或触摸屏，所述抬头显示器3接收到相关命令后将所述显示图像的内容透射到前挡风玻璃2上；所述显示图像能显示的内容包含导航信息、ADAS、ACC、盲点检测、障碍物识别、车道提示报警(LDW)、AR-HUD以及时速、发动机转速、油量信息，或者其他各种自动辅助驾驶信息，具备良好的动态显示及静态显示特性，舒适性好，适合车载安装及驾驶者长时间驾车使用，且驾驶者根据需要择一或择多选择上述内容显示在所述前挡风玻璃2上；所述显示图像经过反射后投射在前挡风玻璃2上的位置与驾驶者眼睛4的位置相适应，即透射在前挡风玻璃2上的高度大致与驾驶者眼睛4成水平，且位于驾驶者的正前方，实现所述抬头显示系统高质量的信息显示。

所述图像生成单元31由TFT-LCD显示面板构成，并使用LED强背光显示所述显示图像，所述TFT-LCD显示面板即为薄膜液晶显示屏，其具有高响应度、高亮度、高对比度等优点，还提高了使用安全性和可靠性，且其外形轻薄，节省了安装空间，功耗低，使用寿命长。

本实施例中，如图1所示，所述反射镜的数量为2个，分别为反射镜A 32 和反射镜B33，所述图像生成单元31固定设置在所述反射镜A 32的下方，所述图像生成单元31上的显示图像形成光束发射到反射镜A 32上的为第一光束51，所述反射镜B 33设置在所述反射镜A 32的反射光路上，所述反射镜A 32反射到反射镜B 33上的光束为第二光束52，经所述反射镜B 33反射到前挡风玻璃2上的光束为第三光束53，经所述前挡风玻璃2反射到驾驶者眼睛4的光束为第四光束54。

所述前挡风玻璃2上附着有增透膜，其覆盖面积包含所述第三光束53投射到前挡风玻璃2上的面积，即所述增透膜的面积不得小于所述第三光束53 投射到前挡风玻璃2上的面积，所述增透膜有利于减少反射光的强度，从而增加透射光的强度，使该车载增强现实抬头显示系统成像更清晰。

如图1所示，当所述车载增强现实抬头显示系统启动工作后，驾驶者可在车辆前方观察到虚像6，所述虚像6的显示内容即为当前所述图像生成单元 31的显示图像的内容，当驾驶者通过所述控制面板1改变显示图像的显示内容时，驾驶者可直接观察到同步更新的虚像6的内容来控制显示信息，操作十分方便。

实施例二

如上所述的一种车载增强现实抬头显示系统，本实施例与其不同之处在于，如图3所示，其为本实施例中车载增强现实抬头显示系统的光路图，所述图像生成单元31与反射镜之间设有透射光学元件7，所述透射光学元件7 设置在第一光束51的光束路径上，且只有一部分所述第一光束51从所述透射光学元件7穿过后投射到反射镜A 32上，所述第一光束51的其余部分从成像生产单元31发射出直接投射到反射镜A 32上，所述透射光学元件7用于改变光束的路线，使得所述第一光束51分为两条光束投射到反射镜A 32 上，最终使得同一图像生成单元31发出的显示图像能呈现出两个不同距离的虚像，即驾驶者能观察到经过所述投射光学元件7的部分显示图像的虚像61 相比其他部分显示图像的虚像62会放大或缩小，所述虚像61放大或缩小由所述投射光学元件7的形状结构选择决定，其形状可为球面、非球面、双锥面或自由曲面中的一种或多种组合。

本实用新型中的车载增强现实抬头显示系统，采用在所述图像生成单元 31与反射镜之间增加透射光学元件7的设计，使得只需要在单光路的图像生成单元的基础上，就能实现两个区域不同距离的成像。

实施例三

如上所述的一种车载增强现实抬头显示系统，本实施例与其不同之处在于，如图4所示，其为本实施例中车载增强现实抬头显示系统的显示图像的分布区域图，所述图像生成单元31上的显示图像分为主显示区域311和辅助显示区域312，所述主显示区域311一般位于图像生成单元31的中间位置或者占据图像生成单元31的大部分位置，所述辅助显示区域312位于图像生成单元31的边缘位置。

所述主显示区域311的内容包含导航信息、ADAS、ACC、盲点检测、障碍物识别、车道提示报警(LDW)、AR-HUD等结合实际交通路况的信息，从而增强了驾驶者对于实际驾驶环境的感知；所述辅助显示区域312的内容包含时速、发动机转速、油量信息或者其他各种自动辅助驾驶信息，将所述透射光学元件7设置在与所述辅助显示区域312相应的位置，是为了将所述辅助显示区域312的显示图像的成像大小区别于所述主显示区域311，以便驾驶者能快速捕捉到所要获知的信息，也可实现在前挡风玻璃2上显示更多的信息，最终所述驾驶者观察到的虚像62对应的是主显示区域311的显示图像内容，观察到的虚像61对应的是辅助显示区域312的显示图像内容。所述主显示区域311和辅助显示区域312的内容根据驾驶者需要择一或择多选择显示在所述前挡风玻璃2上。

其中，所述透射光学元件7的数量至少为一个，其位置一般对应TFT-LCD 显示面板的四个边缘区域，即所述第一光束51的边缘区域。如图4所示，其采用了一个透射光学元件7，其设置所述TFT-LCD显示面板的一边缘上，此时驾驶者将观察到的所述虚像61呈现在所述虚像62的一边缘上；如图5所示，其采用了四个透射光学元件7，其设置所述TFT-LCD显示面板的四个边缘，此时驾驶者将观察到的所述虚像61呈现在所述虚像62的四周，所述虚像61和虚像62的图像大小不一。

本实用新型中的车载增强现实抬头显示系统，采用在所述图像生成单元 31边缘区域增加透射光学元件7的设计，使得该透射光学元件7对应的辅助显示区域312的虚像61成像到与主显示区域311具有不同的距离。

实施例四

如上所述的一种车载增强现实抬头显示系统，本实施例与实施例一不同之处在于，所述反射镜为双锥面反射镜，其形状为双锥面设计，使得在提供抬头显示系统较好的设计质量的同时，又降低了该类光学系统中自由曲面的加工及制作难度。

所述双锥面反射镜的形状符合以下公式：

其中，xyz的原点为所述双锥面反射镜的顶点，所述顶点的切面位于xy 平面，所述切面的法向为z轴方向；c_x为x方向的曲率，c_y为y方向的曲率， R_x为x方向的曲率半径，R_y为y方向的曲率半径，k_x为x方向圆锥曲面常数， k_y为y方向圆锥曲面常数。

应用如下：

例(一)

系统设计参数如下：眼球盒子(EYEBOX)：130*60mm；投影距离：2.0～2.5m；视场角(FOV)：6.7°*2.3°；像面尺寸：40.9*20.45mm。

其中，所述反射镜A 32的形状公式中，R_y＝383.6mm，k_y＝-16.93, R_x＝-920.62，k_x＝4.64E-297；离轴量X＝-178.0mm，Y＝-58.5mm。

所述反射镜B 33的形状公式中，R_y＝-767.1mm，k_y＝1.377，R_x＝-394.56, k_x＝4.826E-306；离轴量X＝4.0mm，Y＝271.3mm。

其像质评价请参阅图6所示，其为该车载增强现实抬头显示系统的图像仿真结果。

例(二)

系统设计参数如下：眼球盒子(EYEBOX)：130*60mm；投影距离：2.0～2.5m；视场角(FOV)：6.0°*2.0°；像面尺寸：40.9*20.45mm。

其中，所述反射镜A 32的形状公式中，R_y＝387.4mm，k_y＝-16.90，R_x＝-921.3, k_x＝0；离轴量X＝-179.0mm，Y＝-50.6mm。

所述反射镜B 33的形状公式中，R_y＝-760.8mm，k_y＝1.372，R_x＝-393.8, k_x＝2.564E-308；离轴量X＝3.5mm，Y＝280mm。

其像质评价请参阅图7所示，其为该车载增强现实抬头显示系统的图像仿真结果。

上述所述系统设计参数由特定系统提供；所述眼球盒子的尺寸指的是光束投射到驾驶者眼睛4位置时的尺寸范围；所述投影距离指的是虚像6到驾驶者眼睛4的距离；所述视场角指的是基于一特定平面的角度，指可以观看到虚像6的角度范围；所述像面尺寸指的是虚像6的尺寸。上述所述两个反射镜中双锥面的应用不限制是否离轴或者整体偏轴，对间距也无特定限制，以满足光学系统的成像要求为基准。

本实用新型中的车载增强现实抬头显示系统，采用双锥面反射镜的设计，大大降低了反射镜的加工制作难度，同时又能保证较佳的成像质量。

实施例五

如上所述的一种车载增强现实抬头显示系统，本实施例与实施例一不同之处在于，如图8所示，其为本实施例中的车载增强现实抬头显示系统的结构框图，还包括与所述控制面板1连接的误差校准单元8，所述误差校准单元 8用于检测虚像6，并根据校准结果调整所述图像生成单元31的参数，实现所述虚像6成像最佳。

所述误差校准单元8包括检测单元81、诊断单元82和数据库83，所述检测单元81用于检测抬头显示系统的各项成像光学质量，所述检测单元81 安装在与驾驶者眼睛4位置相近的地方，且分别对驾驶者的左、右眼进行检测，检测的结果是结合左右眼一起分析，所述检测单元81可由驾驶者通过控制面板1调整检测单元81的位置，其目的是为了获取驾驶者眼睛4看到的虚像6的效果；所述检测单元81将获取的虚像6进行检测并形成检测数据发送给诊断单元82，所述诊断单元82将检测数据形成检测图样，并对检测图样进行分析形成比对参数，所述比对参数为畸变量、图像清晰度、图像位置度和亮度等参数；然后将所述比对参数与数据库83内的图样参数进行对比分析，得出最终的校准参数，所述校准参数为图像亮度、均匀性、色坐标、图像畸变、投影距离、双眼视差、投影虚像等参数；最终系统将所述校准参数反馈给控制面板1，由控制面板1对图像生成单元31的显示图像的成像光学参数进行调整。

另外，所述反射镜上还设有角度调节开关，其与所述控制面板1连接，用于调节所述反射镜与光束之间的角度，当上述校准结果是需要调整所述反射镜的角度才能完成最佳成像时，所述控制面板1在接收到误差校准单元8的命令后，将对所述角度根据上述所述校准参数进行调整。这种采用反射镜角度可调的设计，使得该车载增强现实抬头显示系统的使用灵活，适用范围也更广。

基于上述所述抬头显示系统的误差校准功能，其校准方法的步骤为：首先由所述检测单元81对虚像6进行检测，再由诊断单元82根据检测数据形成检测图样，然后将检测图样与数据库83进行分析比对，得出校准参数，最后根据所述校准参数调整图像生成单元31的参数或者相关反射镜的角度，实现所述虚像6的最佳成像。

本实用新型中的车载增强现实抬头显示系统，增加了误差校准的功能，用于校准该抬头显示系统的误差，其针对抬头显示系统的成像进行检测并自行诊断给出校准参数，用于调整图像生成单元画质与反射镜角度等，使得抬头显示系统的应用范围更广，也保证了在不同情况下驾驶者都能看到清晰的成像。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种车载增强现实抬头显示系统，其特征在于，包括控制面板、前挡风玻璃和设置在所述前挡风玻璃前的抬头显示器，所述抬头显示器包括图像生成单元和若干个反射镜，所述图像生成单元与反射镜之间至少设有一个透射光学元件，所述控制面板与图像生成单元连接，用于控制所述图像生成单元的显示图像，所述显示图像形成光束，并经所述反射镜反射后投射在前挡风玻璃上，以使驾驶者观察到所述显示图像的虚像。

2.根据权利要求1所述的车载增强现实抬头显示系统，其特征在于，所述图像生成单元由TFT-LCD显示面板构成，并使用LED强背光显示所述显示图像。

3.根据权利要求1所述的车载增强现实抬头显示系统，其特征在于，所述透射光学元件为球面、非球面、双锥面或自由曲面中的一种或多种组合。

4.根据权利要求1所述的车载增强现实抬头显示系统，其特征在于，所述显示图像分为主显示区域和辅助显示区域，所述主显示区域位于图像生成单元的中间位置，所述辅助显示区域位于图像生成单元的边缘位置。

5.根据权利要求4所述的车载增强现实抬头显示系统，其特征在于，所述主显示区域的内容包含导航信息、ADAS、ACC、盲点检测、障碍物识别、车道提示报警、AR-HUD，所述辅助显示区域的内容包含时速、油量信息，所述主显示区域和辅助显示区域的内容根据驾驶者需要择一或择多选择显示。

6.根据权利要求4所述的车载增强现实抬头显示系统，其特征在于，所述透射光学元件的位置与所述辅助显示区域的位置相适应，以使所述透射光学元件对应的显示图像内容投射到与所述主显示区域对应的显示图像内容不同的距离。

7.根据权利要求1所述的车载增强现实抬头显示系统，其特征在于，所述反射镜的数量为2个，分别为反射镜A和反射镜B。

8.根据权利要求1-7任一所述的车载增强现实抬头显示系统，其特征在于，所述反射镜上设有角度调节开关，其与所述控制面板连接，用于调节所述反射镜与光束之间的角度。

9.根据权利要求1-7任一所述的车载增强现实抬头显示系统，其特征在于，所述显示图像投射在前挡风玻璃上的位置与驾驶者的眼睛位置相适应。

10.根据权利要求9所述的车载增强现实抬头显示系统，其特征在于，所述前挡风玻璃上附着有增透膜，其覆盖面积包含所述光束投射到前挡风玻璃上的面积。