CN211786366U - 抬头显示设备、成像系统和车辆 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种抬头显示设备、成像系统和车辆，通过移动机构对HUD的成像位置在垂直方向上进行调整，使得观察者在观察HUD在调整后的成像位置所呈现的图像，可以消除或减少眼睛位置高低带来的垂直方向视线的影响，避免影响观察者在垂直方向的视线角度，提高了HUD的使用体验。

Description

抬头显示设备、成像系统和车辆

技术领域

本实用新型涉及抬头显示技术领域，具体而言，涉及一种抬头显示设备、成像系统和车辆。

背景技术

抬头显示设备(Head Up Display，HUD)技术可以避免驾驶员在驾驶过程中低头看仪表盘所导致的分心，提高驾驶安全系数，同时也能带来更好的驾驶体验。所以，HUD正在广泛应用于车辆中，给与车辆中驾驶员和乘客等观察者带来较好的视觉体验。

观察者在车辆内观看HUD展示图像的过程中，容易出现因观察者的身高差别以及在车辆内的坐姿习惯使得观察者眼睛位置高低不同带来垂直方向的视线影响的情况，降低观察者对HUD的使用体验。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种抬头显示设备、成像系统和车辆。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种HUD，用于车辆，包括：像源、曲面镜、壳体和移动机构；

所述像源和所述曲面镜固定安装于所述壳体内部；

所述移动机构固定在所述车辆上，并与所述壳体活动连接；

所述移动机构，用于移动所述HUD的所述壳体，移动后的所述HUD，能够在垂直方向上调整所述HUD的成像位置。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种抬头显示成像系统，包括：图像采集设备、电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)、以及上述第一方面所述的抬头显示器HUD；

所述图像采集设备和所述HUD分别与所述ECU连接；

所述图像采集设备，用于采集车辆内观察者的图像，并将采集的所述图像发送到所述ECU；

所述ECU，用于控制所述HUD中的移动机构对所述HUD的壳体进行移动，从而在垂直方向上对所述HUD的成像位置进行调整。

第三方面，本实用新型实施例还提供了一种车辆，包括：上述第二方面所述的抬头显示成像系统。

本实用新型实施例上述第一方面至第三方面提供的方案中，通过HUD内设置的移动机构对HUD的壳体进行移动，从而对HUD的成像位置在垂直方向上进行调整，使得观察者在观察HUD在调整后的成像位置所呈现的图像，与相关技术中观察者眼睛位置高低不同带来垂直方向的视线影响的情况相比，通过移动机构在垂直方向上对HUD的成像位置进行调整，从而可以消除或减少眼睛位置高低带来的垂直方向视线的影响，避免影响观察者在垂直方向的视线角度，提高了HUD的使用体验。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了HUD组成的成像系统的示意图；

图2示出了HUD的结构示意图；

图3a示出了垂直视差形成原理图；

图3b示出了增强现实抬头显示器(Augmented Reality Head Up Display，AR-HUD)呈现图像与真实环境中的实景融合时出现图像与实景不能融合，形成垂直视差的原理图；

图4示出了本实用新型实施例1所提供的移动机构采用导轨模块的一种抬头显示成像系统的结构示意图；

图5示出了本实用新型实施例所提供的移动机构采用导轨模块的一种抬头显示成像系统中，HUD的运动方向的示意图；

图6示出了本实用新型实施例1所提供的移动机构采用导轨模块的一种抬头显示成像系统中，另一个HUD移动示意图；

图7示出了本实用新型实施例1所提供的移动机构采用座椅高度调节装置的抬头显示成像系统的结构示意图。

具体实施方式

参见图1所示的HUD组成的成像系统的示意图，该成像系统包括HUD100和车辆的挡风玻璃102。HUD100发出的光线入射至挡风玻璃102，并在挡风玻璃102上发生反射，反射光线汇聚至观察者的观察区域，使观察者在观察区域内可观察到一个处于挡风玻璃外的虚像。

在一个实施方式中，参见图2所示的HUD的结构示意图，所述HUD100，包括：像源200、平面镜202和曲面镜204。像源200、平面镜202和曲面镜204分别通过固定架固定在所述HUD内。

所述像源200发出的光线经过平面镜202反射后入射到曲面镜204，并在曲面镜204上发生反射后从所述HUD的出光口射出，射出的光线入射至车辆的挡风玻璃。

所述像源200，可以采用主动发光像源或被动发光像源。

在一个实施方式中，主动发光像源，包括但不限于：发光二极管(Light EmittingDiode，LED)显示器以及有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)显示器。

所述被动发光像源，包括但不限于：液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)、DLP投影(Digital Light Processin，DLP)、以及投影仪。

所述平面镜202，可以使光线在HUD内经过一次反射后入射曲面镜，增加光线在HUD内的光程，缩小HUD的体积。

所述曲面镜204，可以配合挡风玻璃的形状，消除光线呈现图像的畸变；并对图像起到放大作用，增大光线呈现图像的尺寸。

所述像源的出光面与所述曲面镜出射面相对设置，所述像源的出光面是指像源发出光线的那一面；所述曲面镜出射面，是指曲面镜反射光线的那一面。具体是指像源发出的光线可以经由曲面镜反射。

所述平面镜的出射面同时与所述曲面镜的出射面和像源出光面相对设置；所述平面镜的出射面是指平面镜反射光线的那一面；具体是指像源发出的光线可以经由平面镜反射，随后再经由曲面镜反射。

或所述曲面镜的出射面同时与所述平面镜的出射面和像源的出光面相对设置；所述平面镜的出射面是指平面镜反射光线的那一面；具体是指像源发出的光线可以经由曲面镜反射，随后再经由平面镜反射。目前，HUD技术可以避免驾驶员在驾驶过程中低头看仪表盘所导致的分心，提高驾驶安全系数，同时也能带来更好的驾驶体验。因此，HUD正在广泛应用于车辆中，给与车辆中驾驶员和乘客等观察者带来较好的视觉体验。

AR-HUD是HUD中的一种，可以实现很好的视觉体验。基于AR-HUD的成像原理，AR-HUD投射出的图像需要与真实环境融合到一起，如方向指示箭头需要与道路精准融合，才可以实现很好的视觉效果。与上述HUD不同，AR-HUD是通过内部特殊设计的光学系统，在驾驶员视线区域内合理、生动地显示一些驾驶信息，以增强驾驶员对于实际驾驶环境的感知。比如驾驶员驾驶车辆偏离既定车道，AR-HUD可以在车辆正常行驶车道的车道线边缘处标出红线提醒驾驶员车辆已经偏离车道；以及驾驶时可以在前车后部看到一条标记的亮带等。因此，AR-HUD的兴起，对HUD行业提出了更高的技术要求。

基于AR-HUD的原理，AR-HUD投射出的图像需要与真实环境的物体进行完美融合，如方向指示箭头需要与道路精准融合等，才能给观察者良好的视觉感受。

观察者在观察AR-HUD所呈现图像的过程中，会出现观察者看到的AR-HUD所呈现的图像与真实环境存在垂直视差的情况，垂直视差会导致观察者看到的图像与真实环境在垂直方向上不能完全融合到一起，降低了观察者对AR-HUD的使用体验。

其中，所述垂直方向，是指垂直于车辆行驶路面所在平面的方向。

所述垂直视差，是指观察者看到的HUD呈现的图像在垂直方向上偏离的情况。

进一步地，当图像是AR-HUD呈现的图像时，所述垂直视差，是指图像与真实环境在垂直方向上不能完全融合到一起的情况。

参见图3a所示的垂直视差形成原理图，HUD100发出的光线，经过出光位置A，在挡风玻璃102上发生反射，反射光线的反向延长线经过出光位置A相对于挡风玻璃的虚像位置A’。

通常情况下，会设置观察区域一1作为HUD的默认观察区域，但是由于不同观察者的身高存在差异，即使在同一位置就坐，坐姿也有所不相同。所以，在垂直方向上，针对不同观察者还会出现观察区域二2和观察区域三3两个不同的观察区域。

当观察者的双眼在垂直方向上偏高，即处于图中的观察区域二2时，根据以上的描述可以看出，反射光线的反向延长线必过A’，可以看出此时观察者看到的位于虚像位置二5的图像相对于位于虚像位置一4的图像位置更靠下。同理，当观察者双眼位置在垂直方向上偏低，即处于图3中的观察区域三3时，此时观察者在观察区域三3看到的虚像位置三6的图像位置相对于虚像位置一1的图像位置更靠上。

即当观察者的双眼位于观察区域二2时，由于下视角比观察者的双眼位于观察区域一1时大，使得观察者在虚像位置二5观察到图像时出现图像位置偏下的垂直视差。当观察者的双眼位于观察区域三3时，由于下视角比观察者的双眼位于观察区域一1时小，使得观察者在虚像位置三6观察到图像时出现图像位置偏上的垂直视差。

进一步地，参见图3b所示的AR-HUD呈现图像与真实环境中的实景融合时出现图像与实景不能融合，形成垂直视差的原理图，其中，设置观察区域一1作为AR-HUD的默认观察区域，那么观察者在观察区域一1看到位于虚像位置一4的图像是与真实环境中的实景B能够完美融合的。因此，观察者的双眼在AR-HUD的观察区域一1内时，才能在虚像位置一4看到与真实环境中的实景B完美融合的图像。

但是当观察者的双眼位于观察区域二2时，由于下视角比观察者的双眼位于观察区域一1时大，使得观察者在虚像位置二5观察到图像时出现图像位于真实环境中的实景B下方的情况导致的垂直视差。当观察者的双眼位于观察区域三3时，由于下视角比观察者的双眼位于观察区域一1时小，使得观察者在虚像位置三6观察到图像时出现图像位于真实环境中的实景B上方的情况导致的垂直视差。

所述下视角，是观察者眼睛与HUD呈现图像的中心之间的连线与车辆行驶方向所在平面之间的夹角。

基于此，本申请实施例提出一种抬头显示设备、成像系统和车辆，通过HUD内设置的移动机构对HUD的壳体进行移动，从而对HUD的成像位置在垂直方向上进行调整，使得观察者在观察HUD在调整后的成像位置所呈现的图像时，可以消除或减少眼睛位置高低带来的垂直方向视线的影响，避免影响观察者在垂直方向的视线角度，提高了HUD的使用体验。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请做进一步详细的说明。

在以下各实施例中，术语“HUD”可以指代发出具有增强现实效果图像的抬头显示设备，也可以指代普通的HUD。

术语“视觉上与真实环境融合”，是指观察者的双眼看到的HUD呈现的图像与真实环境是完全融合到一起的。

所述眼盒，是指观察者可以看到HUD完整图像的区域。对于AR-HUD，眼盒内可以观察到与真实环境较好融合的图像。

所述眼盒中心位置，是指眼盒的几何中心所在位置。

所述眼椭圆，是描述不同身材驾驶员眼睛在空间上相对车辆内部参考点位置的一种统计表示法，根据眼点的分布情况,分为90百分位、95百分位、以及99百分位等眼椭圆。

一般而言，眼盒与眼椭圆区域重合或部分重叠，观察者双眼处于眼椭圆范围内时，可以观察到HUD的图像；观察者双眼处于眼盒内时，可以观察到HUD完整的图像的；对于AR-HUD而言，可以观察到与实景融合效果较好的图像；观察者双眼处于眼盒中心时，可以观察到与实景完美融合的图像。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请做进一步详细的说明。

实施例1

本实施例提出一种用于车辆的HUD，包括：像源、曲面镜、壳体和移动机构。

所述HUD的内部结构与现有的HUD的内部结构类似，所述像源、所述曲面镜和所述平面镜均固定安装于所述壳体内部。所述壳体上设置有出光口。

所述移动机构固定在所述车辆上，并与所述壳体活动连接。

所述移动机构，用于移动所述HUD的所述壳体，移动后的所述HUD，能够在垂直方向上调整所述HUD的成像位置。

从而通过HUD内设置的移动机构对HUD的壳体进行移动，从而对HUD的成像位置在垂直方向上进行调整。

所述移动机构，包括但不限于：导轨模块和座椅高度调节装置。

所述导轨模块在所述壳体外部与所述壳体活动连接。

所述移动机构采用导轨模块时，参见图4所示的移动机构采用导轨模块的抬头显示成像系统的结构示意图，所述抬头显示成像系统，包括：图像采集设备400、HUD100、电子控制单元ECU以及移动机构。所述导轨模块，包括固定架404和导轨406；所述导轨406与所述固定架404连接，所述导轨通过所述固定架固定在车辆的仪表台408内部空间，所述HUD固定在导轨上；所述HUD在所述导轨的带动下沿接近所述车辆挡风玻璃102的方向运动或者沿远离所述车辆挡风玻璃102的方向运动。

在本实施例中，参见图5所示的HUD的运动方向的示意图，所述HUD100接近所述挡风玻璃，就是指缩短所述HUD100的出光位置A到所述挡风玻璃的垂向距离H；如图5所示，所述垂向距离H是指出光位置A与挡风玻璃所在平面的垂直距离。

所述HUD100远离所述挡风玻璃，就是指增加所述HUD100的出光位置A到所述挡风玻璃的垂向距离。

那么，沿所述接近所述车辆挡风玻璃的方向运动，是指：HUD100可以在经过所述HUD100的出光位置A与挡风玻璃102平行的平面500与挡风玻璃102之间，沿缩短所述HUD的出光位置A到挡风玻璃102的垂向距离的任一方向上进行运动。

沿所述远离所述车辆挡风玻璃的方向运动，是指：HUD100可以在除所述HUD100的出光位置A与挡风玻璃102平行的平面500与挡风玻璃102之间的空间内，沿增加所述HUD的出光位置A到挡风玻璃102的垂向距离的任一方向上进行运动。

在一个实施方式中，为了使HUD100接近或者远离挡风玻璃，所述导轨模块中导轨的延伸方向可以包括但不限于：水平方向、垂直方向、以及倾斜方向。

以图4对所述HUD在所述导轨的带动下沿远离所述车辆挡风玻璃102的方向运动做进一步说明。

如图4所示，HUD100的出光位置的初始位置是第一出光位置410；在所述第一出光位置410下，第一观察位置416位于眼盒的中心位置，使得观察者可以在第一观察位置416看到HUD呈现的图像。

当确定观察者的观察位置是高于眼盒的中心位置416的第二观察位置418时，HUD100在导轨406带动下，沿远离挡风玻璃的方向由第一出光位置410移动至第二出光位置414时，HUD100出射光线在挡风玻璃上反射的位置和/或角度发生改变，使虚像形成位置上移，适合观察位置高于眼盒的中心位置416的第二观察位置418。

除了上述图4所示的运动方式外，参见图6所示的另一个HUD移动示意图，其中，当HUD的初始位置在位置700时，若确定所述观察者的眼睛位置高于所述眼盒的中心位置，则会造成观察到的虚像位置偏下，需要抬高虚像位置，以消除垂直视差；那么可以将HUD向右移动至位置702处；也可以将HUD下移至位置704处；还可以将HUD移动至斜下方的位置706处，都可以起到在垂直方向上移虚像位置的目的，消除所述观察者的眼睛位置高于所述眼盒的中心位置时带来的垂直视差。

除了上述导轨模块外，所述移动机构还可以采用座椅高度调节装置。参见图7所示的移动机构采用座椅高度调节装置的抬头显示成像系统的结构示意图，所述抬头显示成像系统，包括：图像采集设备400、HUD100、ECU以及移动机构。

所述移动机构采用座椅高度调节装置600。

所述座椅高度调节装置600安装在座椅604上，能够升高或者降低座椅高度。从而在垂直方向上调节所述观察者的眼睛位置。

除了使用上述移动机构外，还可以增加HUD的出光口在所述车辆的行驶方向上的截面中沿所述车辆的行驶方向的边长(即水平截面上的边长)宽度，参见图5所示的HUD的运动方向的示意图，将所述HUD出光口沿所述车辆的行驶方向的边长L范围扩大到180毫米至260毫米，或根据实际车辆情况调整的更小或更大，从而在垂直方向上增加眼盒的中心位置的覆盖范围，减小垂直视差出现的概率。

当HUD采用AR-HUD时，除了垂直方向会出现垂直视差的问题外，还存在因观察者在车辆内观看AR-HUD展示图像的过程中，观察者左右眼及水平方向上双眼水平偏移，引起观察到的图像和真实环境之间存在水平视差的问题。

为了解决上述问题，可以将HUD中的所述像源200设置在靠近所述曲面镜204的焦平面的位置或者设置在所述曲面镜204的焦平面所在位置，使得反射出HUD的光线能够形成远距离虚像。

所述远距离虚像，用于消除观察者观看图像时的水平视差。

所述远距离虚像的成像位置，可以是距离观察者十几米、几十米或者无穷远的位置。

所述远距离虚像的成像位置应该与真实环境相关，使所述远距离虚像应尽可能在视觉上与真实环境融合，从而尽量避免驾驶员观察AR-HUD成像时产生的水平视差。

本实施例还提出一种抬头显示成像系统，包括：图像采集设备、ECU、以及上述的HUD。

所述图像采集设备和所述HUD分别与所述ECU连接。

所述图像采集设备，用于采集车辆内观察者的图像，并将采集的所述图像发送到所述ECU。

所述ECU，用于控制所述HUD中的移动机构对所述HUD的壳体进行移动，从而在垂直方向上对所述HUD的成像位置进行调整。

所述图像采集设备，可以安装在任意能采集到观察者图像的位置，优选为车辆的挡风玻璃上。

所述ECU，可以采用现有技术中任何可以对机械结构进行控制的方式，对作为移动机构的导轨模块和座椅高度调节装置的位置进行调整，这里不再一一赘述。

所述ECU控制所述移动机构在垂直方向上对所述HUD的成像位置进行调整，使得所述观察者在观察所述HUD在调整后的HUD的成像位置所呈现的图像时，可以消除或减少眼睛位置高低带来的垂直方向视线的影响，看到所述HUD所呈现的图像在视觉上与真实环境融合。本实施例还提出一种车辆，包括上述的抬头显示成像系统。

综上所述，本实施例提出的HUD、抬头显示成像系统和车辆，通过HUD内设置的移动机构对HUD的壳体进行移动，从而对HUD的成像位置在垂直方向上进行调整，使得观察者在观察HUD在调整后的成像位置所呈现的图像，与相关技术中观察者眼睛位置高低不同带来垂直方向的视线影响的情况相比，通过移动机构在垂直方向上对HUD的成像位置进行调整，从而可以消除或减少眼睛位置高低带来的垂直方向视线的影响，避免影响观察者在垂直方向的视线角度，提高了HUD的使用体验。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种抬头显示设备HUD，用于车辆，其特征在于，包括：像源、曲面镜、壳体和移动机构；

所述像源和所述曲面镜固定安装于所述壳体内部；

所述像源发出的光线经曲面镜反射后出射至车辆挡风玻璃，并在挡风玻璃外形成虚像；

所述移动机构固定在所述车辆上，并与所述壳体的外表面活动连接；

所述移动机构，用于移动所述HUD的所述壳体，移动后的所述HUD，能够在垂直方向上调整所述HUD的成像位置。

2.根据权利要求1所述的HUD，其特征在于，所述移动机构采用导轨模块。

3.根据权利要求2所述的HUD，其特征在于，所述导轨模块在所述壳体外部与所述壳体活动连接。

4.根据权利要求2所述的HUD，其特征在于，所述导轨模块，包括固定架和导轨；所述导轨与所述固定架连接，所述导轨通过所述固定架固定在车辆的仪表台内，所述HUD固定在导轨上；所述HUD在所述导轨的带动下沿接近所述车辆挡风玻璃的方向运动或者沿远离所述车辆挡风玻璃的方向运动。

5.根据权利要求1所述的HUD，其特征在于，所述移动机构采用高度调节装置。

6.根据权利要求5所述的HUD，其特征在于，所述高度调节装置安装在座椅上，能够升高或者降低座椅高度。

7.根据权利要求1-6任一项所述的HUD，其特征在于，所述像源的出光面与所述曲面镜出射面相对设置。

8.根据权利要求1-6任一项所述的HUD，其特征在于，还包括安装在壳体内部的平面镜；

所述平面镜的出射面同时与所述曲面镜的出射面和像源出光面相对设置；

或所述曲面镜的出射面同时与所述平面镜的出射面和像源的出光面相对设置。

9.一种抬头显示成像系统，其特征在于，包括：图像采集设备、电子控制单元ECU、以及上述权利要求1-8任一项所述的抬头显示设备HUD；

所述图像采集设备和所述HUD分别与所述ECU连接；

所述图像采集设备，用于采集车辆内观察者的图像，并将采集的所述图像发送到所述ECU；

所述ECU，用于控制所述HUD中的移动机构对所述HUD的壳体进行移动，从而在垂直方向上对所述HUD的成像位置进行调整。

10.一种车辆，其特征在于，包括：上述权利要求9所述的抬头显示成像系统。

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