CN212569297U - 一种抬头显示装置及抬头显示系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例涉及显示技术领域，公开了一种抬头显示装置及抬头显示系统。本实用新型中，抬头显示装置包括：具有出光口的壳体，设置在壳体内的第一、第二像源、透反元件和反射元件，以及设置在壳体外部的第三像源；第一、第二和第三像源分别用于产生第一、第二和第三成像光线；透反元件用于接收并反射第一成像光线、和接收并透射第二成像光线；反射元件用于接收透反元件反射的第一成像光线、以及透反元件透射的第二成像光线，并反射出出光口以投射在反射装置上而形成具有不同像距的第一、第二虚像；第三成像光线用于投射在反射装置上形成与第一、第二虚像中至少一者像距不同的第三虚像。本实用新型提供的抬头显示装置及抬头显示系统，能够提高行车安全性。

Description

一种抬头显示装置及抬头显示系统

技术领域

本实用新型实施例涉及显示技术领域，特别涉及一种抬头显示装置及抬头显示系统。

背景技术

抬头显示(HUD，head up display)技术是指通过反射式的光学设计，将像源发出的光线最终投射到成像窗(成像板、挡风玻璃等)上，从而驾驶员在观察挡风玻璃外部真实环境的同时，无需低头就可以直接看到时速、导航等信息，避免驾驶员在驾驶过程中低头看仪表盘或中控屏幕所导致的分心，进而提高驾驶安全系数，同时也能带来更好的驾驶体验。现有技术中，抬头显示装置所成的图像距离人眼的位置是固定的。

发明人发现现有技术中至少存在如下问题：抬头显示装置在使用过程中，由于驾驶员需要观察成像窗外部各处的实景，因此，需要在HUD所成固定距离的图像和成像窗外部距离不同的各处实景之间切换视线，导致驾驶员容易出现诸如模糊、眩晕、等视疲劳现象，导致行车安全性不够高。

实用新型内容

本实用新型实施方式的目的在于提供一种抬头显示装置及抬头显示系统，能够改善驾驶员出现视疲劳现象的问题，提高行车安全性。

为解决上述技术问题，本实用新型的实施方式提供了一种抬头显示装置，用于在反射装置上形成虚像，包括：具有出光口的壳体，设置在所述壳体内的第一像源、第二像源、透反元件和反射元件，以及设置在所述壳体外部的第三像源；所述第一像源和所述第二像源分别用于产生第一成像光线和第二成像光线；所述透反元件包括相对设置的第一表面和第二表面，所述透反元件用于接收并反射从所述第一表面入射的所述第一成像光线、和接收并透射从所述第二表面入射的所述第二成像光线，所述第一成像光线的主光轴和所述第二成像光线的主光轴相对于所述透反元件呈轴对称，且所述第一像源到所述透反元件的距离和所述第二像源到所述透反元件的距离不相等；所述反射元件用于接收所述透反元件反射的第一成像光线、以及所述透反元件透射的第二成像光线，并反射出所述出光口以投射在所述反射装置上而形成具有不同像距的第一虚像和第二虚像；所述第三像源用于产生第三成像光线，以投射在所述反射装置上形成第三虚像，所述第三虚像的像距与所述第一虚像的像距和所述第二虚像的像距中的至少一者不同。

本实用新型的实施方式提供了一种抬头显示系统，包括：反射装置、以及如上述的抬头显示装置；所述反射装置用于接收所述出光口出射的所述第一成像光线、所述第二成像光线和所述第三成像光线后，形成所述第一虚像、所述第二虚像和所述第三虚像。

本实用新型实施方式相对于现有技术而言，由于第一虚像和第二虚像具有不同像距，且第三虚像的像距与所述第一虚像的像距和所述第二虚像的像距中的至少一者不同，即，三个图像中至少两者在不同距离显示不同内容，从而能够利用不同像距的图像分别与不同距离的实景进行匹配融合，在抬头显示装置使用过程中，驾驶员无需在抬头显示装置所成固定距离的图像和成像窗外部距离不同的实景之间切换视线，改善了视觉辐辏调节冲突、导致驾驶员出现诸如模糊、眩晕、等视疲劳现象，提高了行车安全性；同时，由于第三像源设置在所述壳体外，所述第三像源产生的第三成像光线直接投射在所述反射装置上形成第三虚像，无需经由壳体内的反射元件反射，从而在利用第三像源进行大画面显示时，无需设置较大尺寸的壳体来收容较大尺寸的第三像源，也无需设置较大尺寸的反射元件来反射第三成像光线，降低了抬头显示装置，同时，收容有第一像源、第二像源、透反元件和反射元件的壳体、以及第三像源，能够分别安装在合适位置，提高了安装的灵活性；并且，由于所述第一成像光线的主光轴和所述第二成像光线的主光轴相对于所述透反元件呈轴对称，且所述第一像源到所述透反元件的距离和所述第二像源到所述透反元件的距离不相等，使得所述第一成像光线和所述第二成像光线分别形成的第一虚像和第二虚像为同轴不同像距的图像，从而提高了反射装置上用于显示驾驶信息的显示区域的利用率。

另外，所述反射元件包括用于聚集和反射光线的曲面反射部件；所述曲面反射部件用于接收第一成像光线和第二成像光线，并反射出所述出光口。

另外，所述曲面反射部件包括至少一个曲面反射镜；所述曲面反射镜用于接收所述透反元件反射的第一成像光线、以及所述透反元件透射的第二成像光线，并反射出所述出光口。

另外，所述曲面反射部件为一个曲面反射镜；所述曲面反射镜用于接收所述透反元件反射的第一成像光线、以及所述透反元件透射的第二成像光线，并反射出所述出光口。

另外，所述反射元件还包括：用于改变光线传输方向的平面反射部件；所述平面反射部件用于接收所述透反元件反射的第一成像光线、以及所述透反元件透射的第二成像光线，并反射至所述曲面反射部件；所述曲面反射部件用于接收所述平面反射部件反射的第一成像光线和第二成像光线，并反射出所述出光口。

另外，所述曲面反射部件为一个曲面反射镜，所述平面反射部件为一个平面反射镜；所述平面反射镜用于接收所述透反元件反射的第一成像光线、以及所述透反元件透射的第二成像光线，并反射至所述曲面反射镜；所述曲面反射镜用于接收所述平面反射镜反射的第一成像光线和第二成像光线，并反射出所述出光口。

另外，所述第一像源、第二像源及所述第三像源中的至少一者，包括用于产生光线的光源、依次设置在所述光源出光侧的背光组件及图像生成元件；所述背光组件包括依次设置在所述光源出光侧的反射导光元件、方向控制元件以及弥散元件；所述反射导光元件用于收集所述光源产生的光线、并将收集到的光线传导至所述方向控制元件；所述方向控制元件用于汇聚来自所述反射导光元件的光线、并将汇聚后的光线传导至所述弥散元件；所述弥散元件用于弥散来自所述方向控制元件的光线、并将弥散后的光线传导至所述图像生成元件；所述图像生成元件用于将所述弥散元件弥散后的光线转化为图像光线。

另外，所述反射导光元件包括围设形成收容空间的壳体，所述壳体包括出光开口，所述光源收容在所述收容空间内，所述方向控制元件设置在所述出光开口处，所述壳体的内壁面为光反射面、以反射所述光源产生的光线并经由所述出光开口出射至所述方向控制元件。

另外，所述第三像源包括多个光源、以及用于将多个所述光源发出的光线的主光轴汇聚的多个微透镜。

另外，所述微透镜包括凸透镜，多个所述凸透镜与多个所述光源一一对应，且每个所述凸透镜的主轴与对应的所述光源发出光线的主光轴不重合。

另外，所述微透镜包括柱面透镜，每个所述柱面透镜对应至少一个所述光源，且每个所述柱面透镜的主轴与对应的所述光源发出光线的主光轴不重合。

另外，每个所述柱面透镜对应多个所述光源，在所述柱面透镜的轴向子午线方向上，每个所述柱面透镜对应的多个所述光源依次排列。如此设置，更加简便易行，易于安装和拆卸操作。

另外，所述抬头显示装置还包括：用于阻隔非预设方向的第三成像光线通过的光线阻隔层，所述光线阻隔层设置在所述第三像源的出光侧，所述光线阻隔层包括多个具有预设高度的光线阻隔栅栏。如此设置，使得人眼不能看到第三像源直接发出的图像，避免第三像源本身的图像影响驾驶。

另外，所述抬头显示装置还包括：用于散射外部环境光线的光线散射层，所述光线散射层设置在所述光线阻隔层远离所述第三像源一侧。如此设置，可以防止外部太阳光等光线照射在光线阻隔层表面引起的眩光。

另外，所述光线散射层和所述光线阻隔层一体成型。

另外，所述第一虚像、所述第二虚像和所述第三虚像分别投射于所述反射装置的第一区域、第二区域和第三区域；所述第一区域与所述第二区域至少部分重叠，所述第三区域与所述第二区域间隔或邻接设置。

另外，所述第一虚像、所述第二虚像和所述第三虚像分别投射于所述反射装置的第一区域、第二区域和第三区域；所述第一区域与所述第二区域至少部分重叠，所述第二区域和第一区域中的至少一者位于所述第三区域内。

另外，所述透反元件用于反射第一偏振态的光线、以及透射第二偏振态的光线，所述像源装置用于产生具有第一偏振态的第一成像光线、以及具有第二偏振态的第二成像光线，且所述第一偏振态与所述第二偏振态垂直。

另外，所述透反元件用于反射第一波段的光线、以及透射第二波段的光线，所述像源装置用于产生第一波段的第一成像光线、以及第二波段的第二成像光线。

另外，所述透反元件由至少两种具有不同折射率的膜层堆叠而成。

另外，所述出光口与所述反射装置之间设置有相位延迟元件，所述第一成像光线、所述第二成像光线中至少一者为S偏振光。

另外，所述反射装置朝向所述出光口的一侧贴合设置有P偏振反射膜，所述第一成像光线、所述第二成像光线中至少一者为P偏振光。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本实用新型第一实施方式中的一种抬头显示装置的结构示意图；

图2是本实用新型第一实施方式中第一区域301、第二区域302和第三区域303的一种排列方式的示意图；

图3是本实用新型第一实施方式中第一区域301、第二区域302和第三区域303的另一种排列方式的示意图；

图4是本实用新型第一实施方式的背光组件结构示意图；

图5是本实用新型第一实施方式的导光元件结构示意图；

图6是本实用新型第一实施方式的棱锥状导光元件结构示意图；

图7是本实用新型第一实施方式的抛物线状导光元件结构示意图；

图8是本实用新型第一实施方式的另一种导光元件结构示意图；

图9是本实用新型第一实施方式的又一种导光元件结构示意图；

图10是本实用新型第一实施方式的一种第三像源成像的示意图；

图11是本实用新型第一实施方式的另一种第三像源成像的示意图；

图12是本实用新型第一实施方式的防眩光设计的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本实用新型各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

发明人发现，由于现有的抬头显示装置所成的图像距离人眼的位置是固定的，而成像窗外部各处的实景距离人眼的位置是不同的，在使用抬头显示装置时，由于驾驶员需要观察成像窗外部各处的实景，因此，需要在HUD所成固定距离的图像和成像窗外部距离不同的各处实景之间切换视线(除了观察与HUD所成图像的成像距离相同或接近的某处实景之外，观察其他各处实景时，均需要切换视线)，会出现视觉辐辏调节冲突，导致驾驶员出现诸如模糊、眩晕、等视疲劳现象，降低行车安全性。

本实用新型的第一实施方式涉及一种抬头显示装置，用于出射光线在反射装置30上形成虚像，如图1所示，包括：具有出光口101的壳体10，设置在壳体10内的第一像源11、第二像源12、透反元件20和反射元件40，以及设置在壳体10外的第三像源13；第一像源11和第二像源12分别用于产生第一成像光线A和第二成像光线B；透反元件20包括相对设置的第一表面201和第二表面202，透反元件20用于接收并反射从第一表面201入射的第一成像光线A、和接收并透射从第二表面202入射的第二成像光线B；反射元件40用于接收透反元件20反射的第一成像光线A、以及透反元件20透射的第二成像光线B，并反射出出光口101以投射在反射装置30上而形成具有不同像距的第一虚像11'和第二虚像12'；第三像源13用于产生第三成像光线C，以投射在反射装置30上形成第三虚像13'，第三虚像13'的像距与第一虚像11'的像距和第二虚像12'的像距中的至少一者不同。

即，第一虚像11'的像距与第二虚像12'的像距不同，第三虚像13'的像距可以与第一虚像11'的像距不同、或者与第二虚像12'的像距不同，或者与二者的像距均不同，其中，像距可以是虚像成像位置与玻璃(反射装置)的距离，也可以等效为虚像在反射装置30上的成像位置与人眼之间的距离。

具体的，第一像源11设置在透反元件20一侧的第一空间，第二像源12设置在透反元件20对侧的第二空间，第一成像光线A的主光轴和第二成像光线B的主光轴相对于透反元件20呈轴对称(透反元件20呈片状)，故第一像源11、第二像源12分别发出的第一成像光线A和第二成像光线B经过透反元件20后光路合并，最终所成的第一虚像11'及第二虚像12’为同轴状态，同轴具体是指两个虚像的中心连线与人眼，接近或处于一条直线上；并且，第一像源11到透反元件20的距离和第二像源12到透反元件20的距离不相等，即，第一成像光线A在第一像源11到透反元件20之间的传播距离和第二成像光线B在第二像源12到透反元件20之间的距离不相等，即，光程不相等，故第一像源11、第二像源12与曲面反射镜之间的光程不同，第一虚像11'和第二虚像12'的成像距离不同，进而形成同轴不同像距的第一虚像11'和第二虚像12'，从而提高了反射装置30上用于显示驾驶信息的显示区域的利用率。

当然，第一像源11到透反元件20的距离和第二像源12到透反元件20的距离也可以相等，此时，第一像源11、第二像源12与曲面反射镜之间的光程相同，第一虚像11'和第二虚像12'的成像距离相同，第一虚像11'和第二虚像12'重叠，此处不做限定。另外，第一像源11与第二像源12的面积也可相同或不同，对应的，所成的第一虚像11'和第二虚像12'的尺寸则相同或不同。

通过三个虚像在不同距离显示不同内容，如最近的虚像(第三虚像13’)的成像距离可为2-4米，为近景画面，显示车辆仪表等关键驾驶数据；中间距离虚像(第二虚像12')的成像距离可为7-14米，为中景画面，与较近距离实景如路面进行融合匹配，如利用中景画面标识车道线；最远的虚像(第一虚像11')的成像距离可为20-50米，为远景画面，与远距离实景如建筑等进行融合匹配，如远处的建筑物为银行，远景画面显示银行的标识信息，并在与实景对应的位置进行显示，驾驶员不仅可以看到银行的实景，还可看到与其匹配的图像。

在实际应用中，反射元件40可以包括用于聚集和反射光线的曲面反射部件，曲面反射部件用于接收第一成像光线和第二成像光线，并反射出出光口101。其中，曲面反射部件包括至少一个曲面反射镜，曲面反射镜用于接收透反元件20反射的第一成像光线A、以及透反元件20透射的第二成像光线B，并反射出出光口101。

在一个实施例中，曲面反射部件可以为一个曲面反射镜141，曲面反射镜141用于接收透反元件20反射的第一成像光线A、以及透反元件20透射的第二成像光线B，并反射出出光口101。

可选的，反射元件40还可以包括：用于改变光线传输方向的平面反射部件，平面反射部件用于接收透反元件20反射的第一成像光线A、以及透反元件20透射的第二成像光线B，并反射至曲面反射部件，曲面反射部件用于接收平面反射部件反射的第一成像光线A和第二成像光线B，并反射出出光口101。

如图1所示，曲面反射部件为一个曲面反射镜141，平面反射部件为一个平面反射镜151，平面反射镜151用于接收透反元件20反射的第一成像光线A、以及透反元件20透射的第二成像光线B，并反射至曲面反射镜141，曲面反射镜141用于接收平面反射镜151反射的第一成像光线A和第二成像光线B，并反射出出光口101。

当然，曲面反射部件也可以包括两个或两个以上曲面反射镜，和\或平面反射部件包括两个或两个以上平面反射镜此处不做限定。

具体的，透反元件20与第一像源11、第二像源12有以下实施方式：

1)透反元件20无波长或偏振选择性，为普通的半透半反元件。

如透反元件20可以反射一部分的光，可以透过另一部分的光，例如，透反元件20可以反射50％的光，可以透射50％的光，或者，透反元件20可以反射60％的光，可以透射40％的光，或者，透反元件20可以反射70％的光，可以透射30％的光等等。也即来自第一像源11的第一成像光线A只有部分光线经过透反元件20反射后再经反射元件40反射到达反射装置30，来自第二像源12的第二成像光线B只有部分光线经过透反元件20透射后再经反射元件40反射到达反射装置30，存在光线损失，会降低成像亮度，其中，普通半透半反元件的材料可以包括玻璃、透明塑料等。

2)透反元件20具有偏振选择性，其可以反射第一偏振态的光线，透射第二偏振态的光线。

第一像源11发出具有第一偏振态的第一成像光线A，第二像源12发出具有第二偏振态的第二成像光线B，且第一偏振态与第二偏振态垂直；第一成像光线A经过透反元件20反射后再经反射元件40反射到达反射装置30，第二成像光线B经过透反元件20透射后再经反射元件40反射到达反射装置30，光线损失较小或几乎没有损失。具体的，第一像源11、第二像源12可为发出偏振光线的LCD像源，其中，偏振透反元件可以包括BEF(BrightnessEnhancement Film)膜、DBEF(Dual Brightness Enhancement Film)膜等。

可选的，第一偏振态可为S偏振态，第二偏振态可为P偏振态；第一偏振态也可为任意偏振态，保证第二偏振态与第一偏振态垂直即可，包括但不限于线偏振态、圆偏振态和椭圆偏振态。

3)透反元件20具有波长选择性，其可以反射第一波段的光线，透射第二波段的光线。

第一像源11发出第一波段的第一成像光线A，第二像源12发出第二波段的第二成像光线B，第一波段和第二波段可以为RGB波段，其中，RGB波段即为红光波段、蓝光波段及绿光波段的组合，具体的，RGB波段中红光、蓝光及绿光每个波段的半高宽不大于50nm，如蓝光波段的峰值位于410nm-480nm区间范围内，绿光波段的峰值位于500nm-570nm区间范围内，红光波段的峰值位于590nm-690nm区间范围内；第一波段和第二波段的光线不同，具体是第一波段和第二波段中各自的红光波段、蓝光波段和绿光波段彼此之间不同即可，例如第一波段中红光波长为620nm，绿光波长为520nm，蓝光波长为440nm；第二波段中红光波长为650nm，绿光波长为550nm，蓝光波长为450nm。

第一成像光线A经过透反元件20反射后再经反射元件40反射到达反射装置30，第二成像光线B经过透反元件20透射后再经反射元件40反射到达反射装置30，光线损失较小；具体的，第一像源11、第二像源12可为发出RGB混合白光的LCD像源或LED像源。

关于透反元件20的结构，其可以由至少两种具有不同折射率的膜层堆叠而成，例如，由无机氧化物薄膜或高分子薄膜堆叠而成的选择性透反膜，该透反膜由至少两种具有不同折射率的膜层堆叠而成。此处的“不同折射率”指的是膜层在x、y、z三个方向上至少有一个方向上的折射率不同；预先选取所需的不同折射率的膜层，并按照预先设置好的顺序对膜层进行堆叠，可以形成具备选择反射和选择透射特性的透反膜，该透反膜可以选择性反射某一特性的光线、透过另一特性的光线。

具体的，对于无机氧化物材料的膜层，该膜层的成分选自五氧化二钽、二氧化钛、氧化镁、氧化锌、氧化锆、二氧化硅、氟化镁、氮化硅、氮氧化硅、氟化铝中的一种或多种。对于有机高分子材料的膜层，该有机高分子材料的膜层包括至少两种热塑性有机聚合物膜层；两种热塑性聚合物膜层交替排列形成光学膜，且两种热塑性聚合物膜层的折射率不同。其中，有机高分子材料的分子为链状结构，拉伸后分子朝某个方向排列，造成不同方向上折射率不同，即通过特定的拉伸工艺即可形成所需的薄膜。该热塑性聚合物具体可以为不同聚合程度的PET(聚对苯二甲酸乙二酯)及其衍生物、不同聚合程度的PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)及其衍生物、不同聚合程度的PBT(聚对苯二酸丁二酯)及其衍生物等。

在具体实施过程中，透反元件20会贴覆或镀设在透明基板的表面，便于透反元件20的安装设置，透明基板包括玻璃、透明高分子材料或石英等材质。

在实际应用中，第一虚像11'、第二虚像12'和第三虚像13'分别投射于反射装置30的第一区域301、第二区域302和第三区域303(在驾驶员视角下抬头显示装置的画面上，第一虚像11'、第二虚像12'和第三虚像13'的所占的区域)，其中第一区域301、第二区域302和第三区域303可任意排列，下面仅作为两种举例：

如图2所示，第一区域301和第二区域302至少部分重叠，第三区域303与第二区域302间隔或邻接设置，即，第三虚像13'可以与第一虚像11'、第二虚像12'并排显示。

如图3所示，第一区域301和第二区域302至少部分重叠，第二区域302和第一区域301中的至少一者位于第三区域303内，即，第一虚像11'、第二虚像12'被第三虚像13'的空白部分覆盖显示。

具体的说，第一像源11、第二像源12或第三像源13均可以包括用于产生光线的光源110、以及依次设置在光源110出光侧的背光组件及图像生成元件。

参见图4，背光组件可以包括依次设置在光源110出光侧的反射导光元件112、方向控制元件114以及弥散元件116，反射导光元件112用于收集光源110产生的光线、并将收集到的光线传导至方向控制元件114，方向控制元件114用于汇聚来自反射导光元件112的光线、并将汇聚后的光线传导至弥散元件116，弥散元件116用于弥散来自方向控制元件114的光线、并将弥散后的光线传导至图像生成元件(图未示)，图像生成元件用于将弥散元件弥散后的光线转化为图像光线。具体的，反射导光元件112设置在光源110的出光侧，方向控制元件114设置在反射导光元件112的出光侧而位于出光开口1120处，弥散元件116设置在反射导光元件112的出光侧。

光源110用于产生光线，其可以包括至少一个电致发光元件，通过电场激发产生光线，如发光二极管(Light Emitting Diode,LED)、有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode,OLED)、迷你发光二极管(Mini LED)、微发光二极管(Micro LED)、冷阴极荧光灯管(Cold Cathode Fluorescent Lamp，CCFL)、LED冷光源(Cold LED Light，CLL)、电激发光(Electro Luminescent，EL)、电子发射(Field Emission Display，FED)或量子点光源(Quantum Dot,QD)等。图像生成元件包括液晶面板，液晶面板可将光源发出的光线转化为图像光线。

参见图5，本实施方式中，反射导光元件112包括围设形成收容空间的壳体，壳体包括出光开口1120，光源110收容在收容空间内、且位于壳体的底部1121，壳体的内壁面1122为光反射面、以反射光源110产生的大角度光线并经由出光开口1120出射至方向控制元件114。也就是说，光源110发出的光线中，出射角度较小的光线直接经由出光开口1120出射至方向控制元件114，出射角度较大的光线(例如，出射角度大于壳体与反射导光元件112中心轴之间的夹角的光线)则经内壁面1122的反射后聚拢，从而提高了光源110光线的利用率。

需要说明的是，反射导光元件112的外形可以是三棱锥形状、四棱锥形状或抛物面形状(类似于碗状态)。反射导光元件112的出光开口1120和底部1121的形状可为圆形、椭圆形、矩形、正方形、梯形或平行四边形，出光开口1120和底部1121的形状可以相同或不同。参见图6，反射导光元件112的外形为四棱锥形状。参见图7，反射导光元件112的外形为抛物面形状(类似于碗状态)。

进一步的，反射导光元件112还可设置准直部1128，如图7所示；图7所示的实施例中，反射导光元件112的壳体为抛物面形状，光源110出射的分散角度较大的光线，经过壳体反射，可转变为准直或接近准直的光线；光源110出射的分散角度较小的光线，则经过准直部1128后转变为准直光线。具体的，准直部1128包括准直透镜，光源110与准直部1128之间的距离为准直部1128的焦距，即，光源110设置在准直部1128的焦点上。

方向控制元件114设置在所述出光开口1120处，即，方向控制元件114可以紧贴出光开口1120或与出光开口1120保持一定距离，方向控制元件114对反射导光元件112出射的光线进行方向控制，将光线聚集至预定范围，可进一步聚拢光线，提高光线利用率。方向控制元件114可为透镜或透镜组合，如凸透镜、菲涅尔透镜或透镜组合等，本实施方式中，方向控制元件114为凸透镜。可以理解，预定范围可以是一个点，比如凸透镜的焦点，也可以是一个较小的区域，设置方向控制元件114的目的在于对光源110出射的大角度光线进行聚拢，提高光线利用率；当存在多个反射导光元件112时，可以是每个反射导光元件112的出光开口一一对应地设置方向控制元件114，也可以是多个反射导光元件112对应设置一个方向控制元件114。

弥散元件116将光线扩散为具有一定分布角度的光束，弥散角度越小，光束的亮度越高，反之亦然。弥散元件116将聚集后的光线以一定角度进行弥散，增加光线的扩散程度，可以在一定区域内使光线均匀分布。弥散元件116可为衍射光学元件，如光束整形元件(beam shaper)，光线经过弥散元件116之后，会弥散开来并且形成一个具有特定截面形状的光束，截面形状包括但不限于线形、圆形、椭圆形、正方形或长方形。通过控制弥散元件116的微观结构，可以精准控制光线的弥散角和截面形状等，实现对弥散作用的精确控制。

在实际应用中，光源110出射的光线经过反射导光元件112、方向控制元件114后，再经过反射元件40的反射，最终在反射装置30上反射后，反射光线会汇聚并落入眼盒的中心，进一步通过弥散元件116将光线精准弥散，弥散后的光束可覆盖眼盒区域100，优选为恰好覆盖眼盒区域100，实现高光效的同时也不会影响正常的观察。

可以理解，弥散的光束可大于眼盒区域100，只要保证完全覆盖眼盒即可。优选地，设置弥散元件116后，弥散的光束恰好覆盖眼盒区域100，此时系统光效最高。其中，眼盒(eyebox)，指驾驶员双眼所在的，可以看到HUD图像的区域。眼盒区域100具有一定的尺寸，驾驶员双眼相对于眼盒中心偏离一定距离，如上下、左右移动，只要仍处于眼盒区域100内，就都可以看到HUD的图像。

需要指出的是，反射导光元件112并不局限于前述的壳体结构，也可以是其他结构。例如图8所示，反射导光元件112包括实心透光部件，其折射率大于1，实心透光部件包括凹陷形成光源收容腔1124的端面、与所述端面相对设置的出光面1120、以及连接所述端面和所述出光面1120的光反射面1122，其中，光反射面1122为实心透光部件的表面内侧，通过全反射作用反射光线。具体的，出光面1120邻近方向控制元件114，光源收容腔1124包括正对出光面1120设置的底壁1124a、以及自所述底壁1124a周延伸的侧壁1124b，光源110设置在光源收容腔1124内，并朝向光源收容腔1124的底壁1124a，底壁1124a和侧壁1124b均为反射导光元件112的入光面。

进一步的，底壁1124a上设置有朝背离出光面1120的方向凸起的准直部1128，准直部1128用于入射光源110发出的光线、并将该光线转换为准直光线，准直光线可以为垂直于出光面1120的光线。如此以来，光源110发出的部分光线在反射导光元件112的光反射面1122上发生全反射后、经由出光面1120出射，光源110发出的另一部分光线在反射导光元件112内不经光反射面1122反射、而直接经由出光面1120出射。

参见图9，可以理解的是，准直部1128也可以不设置在底壁1124a上，而是，出光面1120上设置有朝向底壁1124a凹陷的盲孔1126，准直部1128设置在盲孔1126的底面1126a，具体的，盲孔1126的底面1126a上设置有朝出光面1120一侧凸起的准直部1128，准直部1128用于出射经由底壁1124a入射的光线、并将该光线转换为准直光线，准直光线可以为垂直于出光面1120的光线。在该种设置之下，底壁1124a为平行于出光面1120的平面，当然，除此之外，底壁1124a的形状设计方案还存在多种其他可能，在此不再一一赘述。

可选的，第三像源13也可以包括多个光源110、以及用于将多个光源110发出的光线的主光轴汇聚的多个微透镜。具体的，微透镜呈阵列排布，多个光源110按照预设规则排列并通过控制通断形成图像，微透镜阵列将多个光源110发出光线的主光轴汇聚，再经挡风玻璃反射后出射至预定范围X，挡风玻璃和多个光源110分设在微透镜阵列的两侧。每个微透镜对应至少一个光源110，光源110发出光线的主光轴方向为光源110的中心轴方向，经过微透镜后发生改变，多个微透镜则分别改变与其对应的光源110发出光线的主光轴方向，微透镜阵列将多个光源110发出光线的主光轴汇聚并经反射装置30反射后汇聚至预定范围X，预定范围X可以是一个点，也可以是一个较小的区域。多个光源110发出的其他的光线经过微透镜阵列改变方向后，出射至反射装置30并反射后，反射光线出射至观察区域Y，使得观察者(如驾驶员、乘客等)的双眼位于观察区域Y处时可以观看到HUD图像。

如图10所示，微透镜可以为凸透镜131，多个凸透镜131与多个光源110一一对应，且每个凸透镜131的主轴O与对应的光源110发出光线的主光轴O'不重合。具体的，主轴O与主光轴O'可以平行且不重合，凸透镜131改变与其对应的光源110发出光线的主光轴O'方向，与凸透镜131主轴O重合的光线经过凸透镜131后，光线的传播方向不会发生改变，因此设置凸透镜131的主轴O与光源110发出光线的主光轴O'不重合，光线经过凸透镜131后主光轴O'的方向会发生改变。

如图11所示，微透镜也可以为柱面透镜132，每个柱面透镜132对应至少一个光源110，且每个柱面透镜132的主轴O’与对应的光源110发出光线的主光轴O'不重合。

具体的，每个柱面透镜132对应多个光源110，在柱面透镜132的轴向子午线方向上，每个柱面透镜132对应的多个光源110依次排列，如此设置，更加简便易行，易于安装和拆卸操作，当然，多个柱面透镜132与多个光源110也可以一一对应，此处不做限定。

柱面透镜132调整与其对应的多个光源110发出光线的主光轴O'方向，每个柱面透镜132对应的展开排列的多个光源110发出光线的主光轴O'所在的平面为第一平面，柱面透镜132的主轴O’与第一平面不完全重合(主轴O’与第一平面平行或相交)，因柱面透镜132的主轴O’为柱面透镜132柱面的轴向子午线，经过轴向子午线的光线不会发生聚集程度的改变，也即光线的传播方向不会发生改变，因此设置柱面透镜132的主轴O’与第一平面不完全重合，多个光源110发出的主光轴的方向会发生改变并聚集至预定范围X，多个光源110发出的其他光线则聚集至观察区域Y。

其中，光源110具体可以为电致发光器件，如发光二极管等，多个光源110按照预设规则排列后，可以形成图像光线，比如顺序排列的LED阵列，利用可以发出不同亮度的LED阵列，可以形成灰度图像；若LED为彩色LED，其可以发出红光、绿光或蓝光，则通过控制LED的通断以及发光亮度，可以形成彩色图像。

该抬头显示系统60可以用于汽车领域，反射装置30可透射和反射光线，具体可为挡风玻璃，各个像源出射的成像光线最终在反射装置30上反射，反射后的成像光线出射至眼盒区域100，驾驶员就可看到形成于反射装置30外侧的虚像，同时不影响对外界环境的观察。

可选的，收容有第一像源11、第二像源12、透反元件20和反射元件40的壳体，可设置安装在汽车的仪表台内，出光口101设于仪表台表面，使得经由出光口101出射的光线能够在挡风玻璃上反射、而出射至眼盒区域100(即形成虚像)以被驾驶员观察到。

参见图12，为了防眩光，由于发生眩光的部分主要是HUD出光口101处设置的透明防尘膜40，防尘膜40主要是为了避免灰尘和杂物进入HUD内部，因此防尘膜40是透明的膜材，但太阳光会在防尘膜40表面发生强烈的眩光，因此，可以通过在HUD出光口101处设置防眩光罩50，防眩光罩50的出光面设置为斜面，从而防止眩光进入人眼。

本实用新型实施方式相对于现有技术而言，由于第一虚像11'和第二虚像12'具有不同像距，且第三虚像13'的像距与所述第一虚像11'的像距和所述第二虚像12'的像距中的至少一者不同，即，三个图像中至少两者在不同距离显示不同内容，从而能够利用不同像距的图像分别与不同距离的实景进行匹配融合，在抬头显示装置使用过程中，驾驶员无需在抬头显示装置所成固定距离的图像和成像窗外部距离不同的实景之间切换视线，改善了视觉辐辏调节冲突、导致驾驶员出现诸如模糊、眩晕、等视疲劳现象，提高了行车安全性；同时，由于第三像源13设置在所述壳体10外，所述第三像源13产生的第三成像光线C直接投射在所述反射装置30上形成第三虚像13’，无需经由壳体10内的反射元件40反射，从而在利用第三像源13进行大画面显示时，无需设置较大尺寸的壳体10来收容较大尺寸的第三像源13，也无需设置较大尺寸的反射元件40来反射第三成像光线，降低了抬头显示装置，同时，收容有第一像源11、第二像源12、透反元件20和反射元件40的壳体10、以及第三像源13，能够分别安装在合适位置，提高了安装的灵活性。

本实用新型的第二实施方式涉及一种抬头显示系统，包括：反射装置、以及如上述的抬头显示装置，所述反射装置用于接收所述出光口出射的所述第一成像光线、所述第二成像光线和所述第三成像光线后，形成所述第一虚像、所述第二虚像和所述第三虚像。

本实施方式中的抬头显示装置与第一、第二实施方式中类似，此处不再赘述，此外，本领域技术人员可以理解，本实施方式为第一、第二实施方式对应的系统的实施例，第一、第二实施方式中的技术细节与实施方式中的技术细节相互适用，本实施方式能够实现类似的技术效果，此处不再赘述。

可选的，当反射装置为曲面面形，如挡风玻璃时，上述像源相对于曲面反射镜所成的虚像位置可以位于反射装置的焦平面处。根据曲面成像规律，所形成的虚像会形成在较远的距离乃至无穷远处，从而更好的与远处的实景进行匹配贴合。实际应用中，可以是第一像源、第二像源以及第三像源中的任意一个设置在焦平面处，具体可以是虚像距离最远的像源；可选的，上述像源也可以设置在小于焦平面且邻近焦平面处，例如，与焦平面的距离为0.01、0.05、0.1倍焦距等。

为了消除重影，可以在所述出光口与所述反射装置之间增设相位延迟元件，所述第一成像光线、所述第二成像光线中至少一者为S偏振光。具体的，相位延迟元件可为1/4波片或1/2波片，通过在透反元件20内表面增设1/4波片或1/2波片，配合可发出S偏振光的像源，S偏振的成像光线经反射膜反射后，透射的光线经过波片转为圆偏振光或者P偏振光，在透反元件20外侧的内表面的反射率很低，进而消除重影。

并且，因挡风玻璃对S偏振光的反射率较高，因此像源出射的光线一般为S偏振光，如像源为发出S偏振光的LCD(liquid crystal display)模组，但驾驶员在佩戴墨镜时，墨镜是过滤S偏振光的，因此佩戴墨镜时就无法看到HUD图像。通过设置相位延迟元件，可以将S偏振态的成像光线转为圆偏振光，产生P偏振光分量，避免了因墨镜过滤S偏振光而导致无法看到HUD图像的情况。

为了消除重影，也可以在所述反射装置朝向所述出光口的一侧贴设P偏振反射膜，所述第一成像光线、所述第二成像光线中至少一者为P偏振光，P偏振的成像光线经反射膜反射后，由于玻璃对P偏振光的透射率较高，因此透射的P偏振光也会透射出透反元件，在透反元件外侧的内表面的反射率很低，进而消除重影；并且，由于墨镜不会过滤P偏振光，保证了驾驶员在佩戴墨镜时能够看到图像。

对于直接设置在汽车控制台表面的第三像源而言，发生眩光的部分即为第三像源表面，不仅要考虑眩光问题，还要考虑使用户只可见虚像，避免同时看到仪表台表面的第三像源直接显示的图像。

为解决上述问题，抬头显示装置还可以包括：用于阻隔非预设方向的第三成像光线通过的光线阻隔层(图未示)，光线阻隔层设置在第三像源的出光侧，光线阻隔层包括多个具有预设高度的光线阻隔栅栏，即，通过设计光线阻隔栅栏的高度和宽度，来物理阻挡光线在某些方向的传播，仅允许预设方向的第三成像光线通过，限制观察者可看到光线的角度，使得人眼不能看到第三像源直接发出的图像，避免第三像源本身的图像影响驾驶，其中，光线阻隔层可以为防窥光栅。

进一步的，抬头显示装置还可以包括：用于散射外部环境光线(例如太阳光等)的光线散射层(图未示)，光线散射层设置在光线阻隔层远离第三像源一侧，从而防止外部太阳光等光线照射在光线阻隔层表面引起的眩光。

具体的，光线散射层和光线阻隔层可以一体成型，例如，光线散射层和光线阻隔层共同组成磨砂式防窥光栅。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本实用新型的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本实用新型的精神和范围。

Claims (22)

1.一种抬头显示装置，用于出射光线在反射装置上形成虚像，其特征在于，包括：具有出光口的壳体，设置在所述壳体内的第一像源、第二像源、透反元件和反射元件，以及设置在所述壳体外部的第三像源；

所述第一像源和所述第二像源分别用于产生第一成像光线和第二成像光线；

所述透反元件包括相对设置的第一表面和第二表面，所述透反元件用于接收并反射从所述第一表面入射的所述第一成像光线、和接收并透射从所述第二表面入射的所述第二成像光线，所述第一成像光线的主光轴和所述第二成像光线的主光轴相对于所述透反元件呈轴对称，且所述第一像源到所述透反元件的距离和所述第二像源到所述透反元件的距离不相等；

所述反射元件用于接收所述透反元件反射的第一成像光线、以及所述透反元件透射的第二成像光线，并反射出所述出光口以投射在所述反射装置上而形成具有不同像距的第一虚像和第二虚像；

所述第三像源用于产生第三成像光线，以投射在所述反射装置上形成第三虚像，所述第三虚像的像距与所述第一虚像的像距和所述第二虚像的像距中的至少一者不同。

2.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述反射元件包括用于聚集和反射光线的曲面反射部件；

所述曲面反射部件用于接收第一成像光线和第二成像光线，并反射出所述出光口。

3.根据权利要求2所述的抬头显示装置，其特征在于，所述曲面反射部件包括至少一个曲面反射镜；

所述曲面反射镜用于接收所述透反元件反射的第一成像光线、以及所述透反元件透射的第二成像光线，并反射出所述出光口。

4.根据权利要求3所述的抬头显示装置，其特征在于，所述曲面反射部件为一个曲面反射镜；

所述曲面反射镜用于接收所述透反元件反射的第一成像光线、以及所述透反元件透射的第二成像光线，并反射出所述出光口。

5.根据权利要求2所述的抬头显示装置，其特征在于，所述反射元件还包括：用于改变光线传输方向的平面反射部件；

所述平面反射部件用于接收所述透反元件反射的第一成像光线、以及所述透反元件透射的第二成像光线，并反射至所述曲面反射部件；

所述曲面反射部件用于接收所述平面反射部件反射的第一成像光线和第二成像光线，并反射出所述出光口。

6.根据权利要求5所述的抬头显示装置，其特征在于，所述曲面反射部件为一个曲面反射镜，所述平面反射部件为一个平面反射镜；

所述平面反射镜用于接收所述透反元件反射的第一成像光线、以及所述透反元件透射的第二成像光线，并反射至所述曲面反射镜；

所述曲面反射镜用于接收所述平面反射镜反射的第一成像光线和第二成像光线，并反射出所述出光口。

7.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述第一像源、第二像源及所述第三像源中的至少一者，包括用于产生光线的光源、依次设置在所述光源出光侧的背光组件及图像生成元件；

所述背光组件包括依次设置在所述光源出光侧的反射导光元件、方向控制元件以及弥散元件；

所述反射导光元件用于收集所述光源产生的光线、并将收集到的光线传导至所述方向控制元件；

所述方向控制元件用于汇聚来自所述反射导光元件的光线、并将汇聚后的光线传导至所述弥散元件；

所述弥散元件用于弥散来自所述方向控制元件的光线、并将弥散后的光线传导至所述图像生成元件；

所述图像生成元件用于将所述弥散元件弥散后的光线转化为图像光线。

8.根据权利要求7所述的抬头显示装置，其特征在于，所述反射导光元件包括围设形成收容空间的壳体，所述壳体包括出光开口，所述光源收容在所述收容空间内，所述方向控制元件设置在所述出光开口处，所述壳体的内壁面为光反射面、以反射所述光源产生的光线并经由所述出光开口出射至所述方向控制元件。

9.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述第三像源包括多个光源、以及用于将多个所述光源发出的光线的主光轴汇聚的多个微透镜。

10.根据权利要求9所述的抬头显示装置，其特征在于，所述微透镜包括凸透镜，多个所述凸透镜与多个所述光源一一对应，且每个所述凸透镜的主轴与对应的所述光源发出光线的主光轴不重合。

11.根据权利要求10所述的抬头显示装置，其特征在于，所述微透镜包括柱面透镜，每个所述柱面透镜对应至少一个所述光源，且每个所述柱面透镜的主轴与对应的至少一个所述光源发出光线的主光轴不重合；

每个所述柱面透镜对应多个所述光源，在所述柱面透镜的轴向子午线方向上，每个所述柱面透镜对应的多个所述光源依次排列。

12.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述抬头显示装置还包括：用于阻隔非预设方向的第三成像光线通过的光线阻隔层，所述光线阻隔层设置在所述第三像源的出光侧，所述光线阻隔层包括多个具有预设高度的光线阻隔栅栏。

13.根据权利要求12所述的抬头显示装置，其特征在于，所述抬头显示装置还包括：用于散射外部环境光线的光线散射层，所述光线散射层设置在所述光线阻隔层远离所述第三像源的一侧。

14.根据权利要求13所述的抬头显示装置，其特征在于，所述光线散射层和所述光线阻隔层一体成型。

15.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述第一虚像、所述第二虚像和所述第三虚像分别投射于所述反射装置的第一区域、第二区域和第三区域；

所述第一区域与所述第二区域至少部分重叠，所述第三区域与所述第二区域间隔或邻接设置。

16.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述第一虚像、所述第二虚像和所述第三虚像分别投射于所述反射装置的第一区域、第二区域和第三区域；

所述第一区域与所述第二区域至少部分重叠，所述第二区域和第一区域中的至少一者位于所述第三区域内。

17.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述透反元件用于反射第一偏振态的光线、以及透射第二偏振态的光线，所述像源装置用于产生具有第一偏振态的第一成像光线、以及具有第二偏振态的第二成像光线，且所述第一偏振态与所述第二偏振态垂直。

18.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述透反元件用于反射第一波段的光线、以及透射第二波段的光线，所述像源装置用于产生第一波段的第一成像光线、以及第二波段的第二成像光线。

19.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述透反元件由至少两种具有不同折射率的膜层堆叠而成。

20.一种抬头显示系统，其特征在于，包括：反射装置、以及如权利要求1至19任一项所述的抬头显示装置；

所述反射装置用于接收所述出光口出射的所述第一成像光线、所述第二成像光线和所述第三成像光线后，形成所述第一虚像、所述第二虚像和所述第三虚像。

21.根据权利要求20所述的抬头显示系统，其特征在于，所述出光口与所述反射装置之间设置有相位延迟元件，所述第一成像光线、所述第二成像光线中至少一者为S偏振光。

22.根据权利要求20所述的抬头显示系统，其特征在于，所述反射装置朝向所述出光口的一侧贴合设置有P偏振反射膜，所述第一成像光线、所述第二成像光线中至少一者为P偏振光。

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