CN212694159U - 一种波导定向抬头显示系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种波导定向抬头显示系统，包括：光源、至少一个波导基板、方向控制元件、弥散元件、透射式显示面板和透反装置，透反装置将透射式显示面板出射的光线反射至预定区域。本实用新型通过波导基板将光源发出的光线进行输出，可以大大缩小抬头显示系统的体积，同时方向控制元件将准直光线调整为向指定区域聚集，弥散元件将聚集光线扩束，在较小的体积下还可保证足够的亮度，缩小HUD整机体积的同时仍保证了成像效果。

Description

一种波导定向抬头显示系统

技术领域

本实用新型属于光学显示技术领域，具体涉及一种波导定向抬头显示系统。

背景技术

HUD(head up display)是通过反射式的光学设计，将图像源发出的光线最终投射到成像窗(成像板、挡风玻璃等)上，驾驶员无需低头就可以直接看到画面，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。

具体的，以基于平面反射镜和曲面反射镜反射成像的HUD为例，HUD像源发出的光线依次经平面反射镜、曲面镜反射后出射，出射的光线可以在透明成像窗上发生反射并保留在驾驶舱的一侧，进入驾驶员的眼睛。这些进入驾驶员眼睛的光线，使得驾驶员可以看到HUD像源上显示的画面在成像窗的另一侧空间呈现的虚像。与此同时，由于成像窗本身的透明的，成像窗另一侧的环境光线依然可以透过它传输到驾驶员眼睛里，使得驾驶员在看到HUD成像的同时，还不影响驾驶中观察车外的路况。

但是，受限于汽车有限的设计空间，零部件之间需要相互妥协，这对汽车零部件设计带来诸多困难。HUD作为置于操控台中的零部件之一，缩减占用空间是非常重要的设计考量。目前HUD通常采用带有LED灯杯的LCD屏幕作为产生图像的像源，因其厚度较大，限制了HUD体积的缩减，也限制了HUD的进一步推广应用。

实用新型内容

为了克服现有技术中像源厚度较大的问题，本实用新型提供一种波导定向抬头显示系统。

本实用新型的实施例提供了一种波导定向抬头显示系统，包括：

光源、至少一个波导基板、方向控制元件、弥散元件、透射式显示面板以及透反装置；

所述光源发出的窄带输入光输入到所述至少一个波导基板中；

所述至少一个波导基板包括光提取元件和光波导介质，所述光波导介质将所述光源发出的窄带输入光传输至所述光提取元件，所述光提取元件将经由所述光波导介质传输到所述光提取元件的光线以预定输出方向从所述波导基板的不同位置输出；

所述方向控制元件接收光线并将每个位置光线的主光轴方向调整为向指定区域内聚集；

所述弥散元件接收光线并将接收到的光线以偏离主光轴方向的预设扩散角度进行扩散；

所述透射式显示面板接收光线并透射出用于形成图像的光线；

所述透反装置将所述透射式显示面板透射出的光线反射至预定区域。

可选的，在所述光源与波导基板之间还设置有预准直元件，所述光源发出的窄带输入光经过所述预准直元件后输入至所述至少一个波导基板。

可选的，所述预准直元件包括：凸透镜、菲涅尔透镜、反射镜和透镜组合中的至少一种。

可选的，所述光源发出的窄带输入光在可见光波段内具有至少一个谱带，所述谱带的半高宽小于或等于60nm。

可选的，所述光源发出的窄带输入光在可见光波段内具有红光谱带、绿光谱带和蓝光谱带中的至少一种。

可选的，在所述光源与所述波导基板之间，还包括光耦入元件，所述光耦入元件将所述光源发出的窄带输入光耦入至所述光波导介质。

可选的，所述输入光为光束阵列，所述光束阵列在所述光波导介质中沿第一全内反射传播方向传播至所述光提取元件；

所述光提取元件将所述光束阵列在第一全内反射传播方向上扩束为光束面阵列并从所述波导基板中输出。

可选的，所述输入光为单光束，所述波导基板还包括中间扩束元件，所述中间扩束元件沿第二全内反射传播方向将所述单光束在所述光波导介质中扩束并形成光束阵列，并将所述光束阵列引导至所述光提取元件；

所述光提取元件将所述光束阵列在第一全内反射传播方向上扩束为光束面阵列并从所述波导基板中输出。

可选的，所述预定输出方向为所述波导基板全内反射传输面的法线方向。

可选的，所述预定输出方向为与所述波导基板全内反射面的法线方向之间预设夹角为大于0°且小于90°的方向。

可选的，所述波导基板为一个，所述波导基板包含至少一个所述光提取元件，每个光提取元件将与所述光源发出的窄带输入光中与其特征参数对应谱带的光线以预定方向输出。

可选的，所述波导基板为至少两个，每个波导基板中包含至少一个光提取元件，所述光提取元件将所述光源发出的窄带输入光以预定方向从所述波导基板中输出。

可选的，所述至少两个波导基板沿垂直于基板的方向叠加。

可选的，所述光提取元件包括表面光栅或体光栅。

可选的，所述方向控制元件包括凸透镜、锯齿透镜、菲涅尔透镜和透镜组合中的至少一种。

可选的，所述弥散元件用于将光线扩束为在垂直于主光轴方向的截面具有特定形状的光束。

可选的，所述特定形状的光束覆盖所述预定区域。

可选的，所述弥散元件为衍射光学元件。

可选的，所述透射式显示面板包括液晶层，所述液晶层包括液晶单元及分设在所述液晶单元两侧的第一偏振单元和第二偏振单元，所述第一偏振单元和第二偏振单元的偏振方向不同。

可选的，所述抬头显示系统还包括至少一个反射元件。

本实用新型实施例提供的上述方案中，光源发出的光输入到波导基板中，光线在波导基板的光波导介质中发生全内反射从而在波导基板中传导，通过波导基板中的光提取元件将光波导介质中传播的光线按照预定方向从波导基板的不同位置分别发射出去，输出给显示面板，可以省去灯杯，从而缩小抬头显示系统的体积。

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

图1显示了本实用新型一个实施例波导定向抬头显示系统的结构示意图一；

图2a显示了本实用新型一个实施例波导定向抬头显示系统的局部结构示意图一；

图2b显示了本实用新型一个实施例波导定向抬头显示系统的局部结构示意图二；

图3显示了本实用新型一个实施例弥散元件对光线扩散的示意图；

图4a显示了本实用新型一个实施例波导定向抬头显示系统的局部结构示意图三；

图4b显示了本实用新型一个实施例波导定向抬头显示系统的局部结构示意图四；

图5显示了本实用新型一个实施例波导定向抬头显示系统的结构示意图三；

图6显示了本实用新型一个实施例波导定向抬头显示系统的结构示意图四；

图7显示了本实用新型一个实施例光提取元件输出光线的示意图；

图8显示了本实用新型一个实施例中间扩束元件对光线扩束的示意图；

图9a显示了本实用新型一个实施例波导定向抬头显示系统的局部结构示意图五；

图9b显示了本实用新型一个实施例波导定向抬头显示系统的局部结构示意图六；

图9c显示了本实用新型一个实施例波导定向抬头显示系统的局部结构示意图七；

图10a显示了本实用新型一个实施例波导定向抬头显示系统的局部结构示意图八；

图10b显示了本实用新型一个实施例波导定向抬头显示系统的局部结构示意图九；

图10c显示了本实用新型一个实施例波导定向抬头显示系统的局部结构示意图十；

图10d显示了本实用新型一个实施例波导定向抬头显示系统的局部结构示意图十一；

图11a显示了本实用新型一个实施例窄带输入光合光的示意图一；

图11b显示了本实用新型一个实施例窄带输入光合光的示意图二；

图11c显示了本实用新型一个实施例窄带输入光合光的示意图三；

图12a显示了本实用新型一个实施例波导定向抬头显示系统的局部结构示意图意十二；

图12b显示了本实用新型一个实施例波导定向抬头显示系统的局部结构示意图意十三；

图12c显示了本实用新型一个实施例波导定向抬头显示系统的局部结构示意图意十四；

图12d显示了本实用新型一个实施例波导定向抬头显示系统的局部结构示意图意十五。

标号说明：100-光源；200-波导基板；210-光提取元件；220-光波导介质；300-方向控制元件；400-弥散元件；500-液晶层；600-透反装置；700-预准直元件；800-合光元件；230-光耦入元件；240-中间扩束元件；101-窄带红光；102-窄带绿光；103-窄带蓝光。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型实施例作更进一步的说明。

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

需要说明的是，为了描述上的简洁和直观，下文通过描述若干代表性的实施方式来对本实用新型的方案进行阐述。实施方式中大量的细节仅用于帮助理解本实用新型的方案。但是很明显，本实用新型的技术方案实现时可以不局限于这些细节。为了避免不必要地模糊了本实用新型的方案，一些实施方式没有进行细致地描述，而是仅给出了框架。下文中，“包括”是指“包括但不限于”，“根据……”是指“至少根据……，但不限于仅根据……”。“第一”、“第二”等仅用于对特征的指代，而并不意图对该特征进行任何限制、例如顺序上的限制。由于汉语的语言习惯，下文中没有特别指出一个成分的数量时，意味着该成分可以是一个也可以是多个，或可理解为至少一个。

本实施例提供一种波导抬头显示系统，参见图1所示，包括：

光源100，光源100发出的窄带输入光输入到所述至少一个波导基板200中；至少一个波导基板200，至少一个波导基板200包括光提取元件210和光波导介质220，光波导介质220将光源100发出的窄带输入光传输至光提取元件210，光提取元件210将经由光波导介质220传输到光提取元件210的光线以预定输出方向从波导基板200的不同位置输出；方向控制元件300，接收光线并将每个位置光线的主光轴方向调整为向指定区域内聚集；弥散元件400，接收光线并将接收到的光线以偏离主光轴方向的预设扩散角度进行扩散；透射式显示面板500，接收光线并透射出用于形成图像的光线；透反装置600，将透射式显示面板500透射出的光线反射至所述预定区域。

本实施例中，光源100发出的窄带输入光在可见光波段内具有至少一个谱带，谱带具体是指光源发出窄带输入光的波长谱带，如光源发出的窄带输入光具有550nm-600nm 的波长谱带；窄带具体是指谱带的半高宽(Full width at half maximum FWHM)小于或等于60nm，优选地，谱带的半高宽小于或等于30nm，更优选地，谱带的半高宽小于或等于10nm。本实施例中光源100发出的窄带输入光具体可包括至少1个谱带，如第一个谱带的峰值位置位于400nm～470nm区间范围内，第二个谱带的峰值位置位于500nm～580nm区间范围内，第三个谱带的峰值位置位于590nm～690nm区间范围内。可以理解，单个谱带的窄带输入光线为单色光线，多个谱带的窄带输入光线为多色光线，为了最终HUD可以显示彩色的图像，优选为光源100发出三个谱带的窄带输入光，且三个谱带分别为蓝光、绿光和红光。在一个优选的实施方式中，光源100发出的窄带输入光可以包括红绿蓝三种颜色的，三种颜色分别在在630nm±10nm(红色)、540nm± 10nm(绿色)，450nm±10nm(蓝色)这三个波段。

可选的，光源100可为单色发光二极管(LED)光源，包括但不限于红光LED、绿光LED、蓝光LED、绿光LED，如发出红光谱带的砷化镓二极管、发出绿光谱带的磷化镓二极管，发出黄光谱带的碳化硅二极管和发出蓝光的氮化镓二极管；光源100也可为发出包括RGB谱带或蓝光谱带的白光二极管，包括但不限于用利用蓝光激发荧光粉形成白光的LED，或多种单色光如红绿蓝光混合形成白光的LED。光源100也可为激光光源，包括但不限于发出红光谱带的激光器、发出绿光谱带的激光器，发出蓝光谱带的激光器，本实施例对此不做限定。

通过至少一个波导基板200实现对光源100发出的窄带输入光以预定输出方向从波导基板200的不同位置输出，具体的，参见图1、图2所示，以一个波导基板200为例进行说明，光源100发出的窄带输入光以合适的角度入射至波导基板200内，波导基板 200包括光波导介质200，即窄带输入光在光波导介质200内按照全内反射原理传播(如图1、图2中宽箭头所示)，当窄带输入光传播至光提取元件210时，光提取元件210 可将窄带输入光以预定输出方向从波导基板200的不同位置输出，可以理解，在波导基板200上有许多的不同位置，如图1中以5个不同位置输出，图中以A、B、C三个不同位置进行示意性说明。具体的，如图2a所示，光源100发出的窄带输入光是以沿全反射内表面的法线方向出射的，图2a中全反射内表面为波导基板200的上表面，此时预定输出方向垂直于波导基板200，此时输出光线为准直光线。该方向也可为与波导基板200全内反射面的法线方向之间预设夹角为0°且小于90°的方向，如图2b所示，预定输出方向与法线之间存在夹角θ，θ∈(0,90)，具体可为30°、45°或60°，此时输出的光线为具有一定倾斜角度的准直光线。

可选的，光提取元件210包括表面光栅(Surface Grating)或体光栅(VolumetricHolographic Gratings)，光提取元件210可将光波导介质220传导的光线以预定输出方向衍射出波导基板200，具体的，光线在光提取元件210上发生衍射，从而打破全反射条件，光线不再全反射传播，进而从波导基板200中平行出射。波导基板200由可实现波导功能的材料制成，包括但不限于二氧化硅、铌酸锂、绝缘体上硅 (SOI,Silicon-on-insulator)、高分子聚合物、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物和玻璃；波导基板200 可为平面基板、条形基板和脊型基板，本实施例对此不做限定。

方向控制元件300接收光线并将每个位置光线的主光轴方向调整为向指定区域内聚集，具体的，可以是经波导基板200输出后的光线输出至方向控制元件300。图1中给出了A、B、C三个不同位置光线的主光轴(Chief Ray，CR)，分别标记为CRA、CRB、 CRC，主光轴具体是指该位置出射的光线中光线最强的方向，一般为中心位置。如图1 所示，光线在到达方向控制元件300之前，主光轴方向垂直于波导基板，光线经过方向控制元件300后，CRA、CRB、CRC均改变方向并向指定区域聚集，指定区域即为图1 中虚线CRA、CRB、CRC的延长线交点(图中未示出)。可以理解，本实施例中的指定区域并不代表为一个点，也可以为一个较小的区域。图1中示意性的给出了一个方向控制元件300，本领域技术人员可以理解，方向控制元件300的数量也可以为多个，每个方向控制元件300可调整部分波导基板200输出的光线的方向，本实施例对此不做限定。其中，方向控制元件300具体可以为菲涅尔透镜，也可以为凸透镜，也可为锯齿透镜(如锯齿柱透镜、锯齿菲涅尔透镜)，还可以为透镜组合(比如凸透镜与凹透镜的组合，菲涅尔透镜与凹透镜的组合等)。例如，方向控制元件300为凸透镜，则该指定区域A即为凸透镜的焦点位置。可选的，方向控制元件300还可为光子晶体，可以特定的角度和方式对光线进行聚集。

弥散元件400，接收光线并将接收到的光线以偏离主光轴(Chief Ray)方向的预设扩散角度进行扩散，具体的，可以是通过方向控制元件300对光线进行聚集后，再通过弥散元件对光线进行扩散。聚集后光线仅能在很小范围中成像，不方便观察者观看HUD 所成的图像。设置弥散元件400，可将接收到的光线以偏离主光轴方向的预设扩散角度进行扩散。图1中简单示意了弥散元件400对光线的扩束作用，当不存在弥散元件400 时，A、B、C三个不同位置出射的光线仍沿其对应位置处的主光轴(即图1中的虚线 CRA、CRB、CRC)传播。图1中，A位置出射的光线主光轴由CRA示出，B位置出射的光线主光轴由CRB示出，C位置出射的光线主光轴由CRC示出。图1中示意性的示出，主光轴的方向通过方向控制元件300后会发生改变。在图1未示出的一些实际应用中，弥散元件400也可以同时具备一定的方向控制性能和扩散性能，例如可以将接收到的光线按照原主光轴方向的两侧分离成两束光线，从而在两个分离后的主光轴方向分别扩散。增加弥散元件400后，其将光线以偏离主光轴方向进行扩散，扩散为具有一定发散程度的光线，如图1中CRA、CRB、CRC两侧给出了扩散后的边缘处的光线。本实施例中通过弥散元件400将光线扩散，可形成预设形状的、成像范围更大的光束，从而方便观察者在大范围内观看HUD成像。可以理解，弥散元件400对光线扩束，还会使光线在预设扩散角度内分布更加均匀，图1中以弥散元件400的数量为1个进行说明，弥散元件400的数量也可以为多个，设置多个弥散元件400会使光线的分布更加均匀，本实施例对此不做限定。本领域技术人员可以理解，图1中对弥散元件400的弥散作用只是示意性说明，弥散元件400可以将光线扩束至预设扩散角度范围内，并不是将光线完全限制在预设扩散角度范围内。

可选的，弥散元件400用于将光线扩束为在垂直于主光轴方向的截面具有特定形状的光束，截面的大小和形状由弥散元件400的微观结构所决定，截面的预设形状包括但不限于圆形、椭圆形、正方形、长方形、以及蝙蝠翼(batwing)形状。图3中以截面形状为矩形进行示意说明，光线A经过弥散元件400后，A1、A2、A3和A4为扩束后边缘处的光线，弥散元件400将光线扩束并沿主光轴A’的方向偏离，并在垂直于A’方向的截面为矩形形状。弥散元件400具体可以为衍射光学元件(Diffractive Optical Elements, DOE)，例如光束整形片(Beam Shaper)。可选的，弥散后的光束在侧视方向的弥散角为10度，优选为5度；在正视方向的弥散角为50度，优选为30度，弥散元件可以在透射式显示面板的上方或下方。

可以理解，弥散元件400扩散后形成的特定形状的光束最终在透反装置600反射后，光束覆盖预定区域，可保证预定区域内可以观看到完整的图像。可选的，光束可完全覆盖预定区域，即光束在预定区域处的截面积与预定区域重合；或光束的一部分覆盖预定区域，即光束在预定区域处的截面积覆盖且大于预定区域，本实施例对此不做限制。

透射式显示面板500接收光线并透射出用于形成图像的光线，具体的，可为扩束后的光线经过透射式显示面板后，出射用于形成图像的光线，经透反装置600反射后可观察到HUD图像。在本实施例中，透射式显示面板可为液晶层，液晶层包括液晶单元及分设在所述液晶单元两侧的第一偏振单元和第二偏振单元，所述第一偏振单元和第二偏振单元的偏振方向不同。液晶单元具体可以为普通液晶，比如扭曲向列型(Twisted Nematic,TN)液晶、高扭曲向列型(High Twisted Nematic,HTN)液晶、超扭曲向列型(Super Twisted Nematic,STN)液晶、格式化超扭曲向列型(Formated Super Twisted Nematic,FSTN)液晶等，液晶单元也可以为蓝相液晶。第一偏振单元具体可为水平线性偏振片，第二偏振单元具体可为垂直线性偏振片；或一偏振单元具体可为垂直线性偏振片，第二偏振单元具体可为水平线性偏振片；或第一偏振单元具体为左旋圆偏振片，第二偏振单元为右旋圆偏振片；或第一偏振单元具体为右旋圆偏振片，第二偏振单元为右左旋圆偏振片；或第一偏振单元具体为左旋椭圆偏振片，第二偏振单元为右旋椭圆偏振片；或第一偏振单元具体为右旋椭圆偏振片，第二偏振单元为左旋椭圆偏振片，本实施例对此不做限定。

如图1所示，光线到达透反装置600后反射预定区域，在本实施例中，透反装置为可以同时实现光线透射和反射功能的装置，具体可以为透明材料，比如普通玻璃、石英玻璃、汽车挡风玻璃和透明树脂板等，优选为挡风玻璃，观察者可通过挡风玻璃观察到 HUD所成的虚像，同时还可观察到外部环境。预定区域具体可为眼盒(eyebox)区域，眼盒区域是指观察者可以看到HUD完整图像的区域。图1中以一个预定区域为例进行说明，可以理解，预定区域也可以为多个，对应不同的眼盒区域，可实现多视角的观察。

可以理解，本实施例中以波导基板200、方向控制元件300、弥散元件400、透射式显示面板500依次设置为例对本实用新型技术方案进行解释说明，但并不意味着本实用新型限定波导基板200、方向控制元件300、弥散元件400、透射式显示面板500的位置关系。如图4a所示，可依次设置波导基板200、透射式显示面板500、方向控制元件300、弥散元件400；如图4b所示，可依次设置波导基板200、方向控制元件300、透射式显示面板500、弥散元件400。各元件之间可以分离设置，也可以紧密贴合或部分紧密贴合，以上均不影响本实用新型技术方案的实现。

本实施例提供的一种波导定向抬头显示系统，通过波导基板将光源发出的光线进行准直，可以大大缩小抬头显示系统的体积，同时方向控制元件将准直光线将不同位置的光线聚集至指定区域，可以提高光线亮度；同时，通过弥散元件将光线扩束，从而可以在较大范围内成像，在提高光线亮度的同时还可以扩大成像范围，在缩小HUD整机体积的同时仍保证了成像效果。

在本实用新型的各实施例的基础上，为了进一步提高光效利用率，在光源100和波导基板200之间还设置有预准直元件700，如图5所示。预准直元件700可调整光源100 发出的窄带输入光的方向，图5中以预准直元件700对光线起准直作用为例进行说明，光源100为点光源，点光源出射的光线在一定范围内分散，而只有预定角度的光线才能进入波导基板200，满足全内反射条件并传导，因此通过预准直元件700将分散的光线预准直在一定角度范围内，如±5°、±10°、±30°的角度范围内，这样大部分的光线都可以满足进入波导基板200的预设角度条件，提高对光线的利用率。在本实施例中，预准直元件700具体可以为凸透镜、菲涅尔透镜、反射镜和透镜组合中的至少一种，该透镜组合具体可以是凸透镜与凹透镜的组合，菲涅尔透镜与凹透镜的组合等；或者，预准直元件700为准直膜，用于将光线的出射方向调整至预设角度范围内。

在本实用新型的各实施例的基础上，如图6所示，波导定向抬头显示系统还包括光耦入元件230，图中以光耦入元件设置在波导元件200上为例进行说明。光耦入元件230 将光源100发出的窄带输入光耦入至光波导介质220，具体通过调整光线的角度，使其满足光波导介质220的全内反射条件进而传导，如图6中虚线箭头所示。具体的，光耦入元件230具体可为表面光栅、体光栅、闪耀光栅、棱镜和反射结构的至少一种，通过反射、折射和衍射效应中的至少一种将光源100发出的窄带输入光耦入光波导介质，使其满足全内反射条件，进而传导。

在本实用新型的各实施例的基础上，如图7所示，输入光为光束阵列，光束是指由平行光线组合、在与光线传播方向的垂直的截面上具有一定的截面面积，且截面上光强相等的光线合集。图7为波导元件200的俯视图(相对于图1)，以沿一维方向分布的光束阵列进行解释说明，耦入的光线在光波导介质220中沿第一全内反射传播方向(图中的A方向)引导至光提取元件210，光提取元件210将光束阵列在第一全内反射传播面上扩束为光束面阵列并从波导基板200输出，实现了对一维方向分布的光束阵列的扩束，即将光束阵列扩束为光束面阵列并从波导基板200中输出。具体的，发出光束阵列的光源如线光源，可通过光提取元件210转变为面光源，光线可以大面积均匀出射。

进一步地，波导基板200还包括中间扩束元件240，中间扩束元件240沿第二全内反射传播方向将单光束在光波导介质220中扩束并形成光束阵列，并将光束阵列引导至光提取元件210。图8为波导元件200的俯视图(相对于图1)，具体的，中间扩束元件 240将单光束沿第二全内反射传播方向(图中的B方向)扩束为光束阵列，经中间扩束元件240扩束后的光束阵列沿波导基板200传播，传播至光提取元件210时出射，光提取元件210将光束阵列在第一全内反射传播方向上扩束为光束面阵列并从波导基板200 中输出，经过中间扩束元件240和光提取元件210的共同作用，实现了对单光束的二次扩束，即将单光束扩束为光束面阵列。具体的，发出单光束的光源如激光器，可通过中间扩束元件和光提取元件210的共同作用转变为面光源，光线可以大面积均匀出射。

在本实用新型的各实施例的基础上，波导基板200的个数可为一个，波导基板200包括至少一个光提取元件210，每个光提取元件将与光源发出的窄带输入光中与其特征参数对应谱带的光线以预定方向输出。具体的，光提取元件210为表面光栅或体光栅时，满足其特征参数如光栅常数、光栅频率和闪耀波长中至少一种的特征光线会被光提取元件200衍射出波导基板200。如图9a所示，光源100发出的单个谱带的窄带输入光在一个光提取元件200上衍射出波导基板200；如图9b所示，光源100发出的窄带输入光中包括红光、蓝光、绿光，三种光线均可在一个光提取元件200上发生衍射并以预定方向输出；如图9c所示，光源100发出的窄带输入光中包括红光、蓝光、绿光，三种光线分别在与其特征参数对应的光提取元件200上发生衍射并以预定方向输出。

在本实用新型的各实施例的基础上，波导基板200可为至少两个，每个波导基板中包含至少一个光提取元件，所述光提取元件将所述光源发出的窄带输入光以预定方向入射至所述方向控制元件。具体的，光提取元件210为表面光栅或体光栅时，会将满足其特征参数如光栅常数、光栅频率和闪耀波长中至少一种的特征光线衍射出波导基板200。如图10a所示，光源100发出的两路窄带输入光分别在与其特征参数对应的光提取元件 210上发生衍射并输出；如图10b所示，光源100发出的两路窄带光在与其特征参数对应的光提取元件上发生衍射并输出，光源100发出的另一路光线在与其特征参数对应的另一光提取元件上发生衍射并输出，如窄带输入光中的红光、绿光在一个光提取元件210 在与其特征参数对应的光提取元件上发生衍射并输出(图中靠上的光提取元件210)，蓝光在另一个光提取元件210在与其特征参数对应的光提取元件上发生衍射并输出(图中靠下的光提取元件210)；如图10c所示，光源100发出的窄带输入光中包括红光、蓝光、绿光，三种光线光路合为一束，分别在与其特征参数对应的光提取元件210上发生衍射并以预定方向输出；如图10d所示，光源100发出的窄带输入光中的红光101、绿光102、蓝光103可不经合束，分别进入各个波导基板进行传导，并在光提取元件210上发生衍射并以预定方向输出。

在本实用新型的各实施例的基础上，可通过增设合光元件800，实现对光源100发出的至少两个输入光的合光，参见图11a所示，绿光102经过合光元件透射，红光101 经过合光元件反射实现合光；参见图11b所示，合光元件具体可为半透半反器件、偏振反射器件、波长带通器件。绿光102经过两个合光元件透射，红光101依次经过两个合光元件反射、透射，蓝光103经过一个合光元件反射，实现合光，合光元件具体可为半透半反器件、偏振反射期间、波长带通器件。图11c为合光元件的另一种实施方式，蓝光101、绿光102和红光101通过合光棱镜(X-cube)的透射和反射作用，实现合光。

具体的，至少两个波导基板沿垂直于基板的方向叠加，如图9、图10所示。基板之间可紧密贴合或分离设置，各个基板之间可保持真空，或填充如空气等折射率低于光提取元件的介质。特别的，当光提取元件为体光栅时，多个波导基板可以紧密贴合堆叠；当光提取元件为表面光栅时，各个基板需要分离设置。可以理解，在本实施例中，光提取元件、光耦入元件、波导基板的个数和层数均不受特别限制，只要耦入波导基板的光线可发生全反射，并可经光提取元件以预定方向输出即可。

在本实用新型的各实施例的基础上，可选的，当光耦入元件和光提取元件均为表面光栅，或均为体光栅时，光耦入元件和光提取元件可采用透射或反射式的光栅，图12 中以光耦入元件和光提取元件均为表面光栅为例进行说明。光耦入元件可为透射式光栅，光提取元件可为透射式光栅，如图12a所示；光提取元件也可为反射式光栅，如图12b 所示。光耦入元件可为反射式光栅，光提取元件可为反射式光栅，如图12c所示；光提取元件210也可为透射式光栅，如图12d所示。当光耦入元件为表面光栅，光提取元件为体光栅时，光耦入元件可为透射式光栅，光提取元件可为透射式光栅或反射式光栅；光耦入元件可为反射式光栅，光提取元件可为反射式光栅或透射式光栅；光耦入元件为体光栅，光提取元件为表面光栅时，光耦入元件可为透射式光栅，光提取元件可为透射式光栅或反射式光栅；光耦入元件可为反射式光栅，光提取元件可为反射式光栅或透射式光栅，本实用新型对此不做限定。

在本实用新型的各实施例的基础上，波导定向抬头显示系统都可以还包括至少一个反射元件，反射元件可为平面反射镜、曲面反射镜或反射镜的组合。其中，反射元件设置在透射式显示面板500与透反装置600之间，反射元件用于将透射式显示面板500出射的光线反射至透反装置600，经透反装置600反射至预定区域，具体的，曲面反射镜可以扩大成像区域，即使透射式显示面板面积不大，也可以使得抬头显示器在挡风玻璃较大区域内成像。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (20)

1.一种波导定向抬头显示系统，其特征在于，包括：光源、至少一个波导基板、方向控制元件、弥散元件、透射式显示面板以及透反装置；

所述光源发出的窄带输入光输入到所述至少一个波导基板中；

所述至少一个波导基板包括光提取元件和光波导介质，所述光波导介质将所述光源发出的窄带输入光传输至所述光提取元件，所述光提取元件将经由所述光波导介质传输到所述光提取元件的光线以预定输出方向从所述波导基板的不同位置输出；

所述方向控制元件接收光线并将每个位置光线的主光轴方向调整为向指定区域内聚集；

所述弥散元件接收光线并将接收到的光线以偏离主光轴方向的预设扩散角度进行扩散；

所述透射式显示面板接收光线并透射出用于形成图像的光线；

所述透反装置将所述透射式显示面板透射出的光线反射至预定区域。

2.根据权利要求1所述的波导定向抬头显示系统，其特征在于，在所述光源与波导基板之间还设置有预准直元件，所述光源发出的窄带输入光经过所述预准直元件后输入至所述至少一个波导基板。

3.根据权利要求2所述的波导定向抬头显示系统，其特征在于，所述预准直元件包括：凸透镜、菲涅尔透镜、反射镜和透镜组合中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的波导定向抬头显示系统，其特征在于，所述光源发出的窄带输入光在可见光波段内具有至少一个谱带，所述谱带的半高宽小于或等于60nm。

5.根据权利要求4所述的波导定向抬头显示系统，其特征在于，所述光源发出的窄带输入光在可见光波段内具有红光谱带、绿光谱带和蓝光谱带中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的波导定向抬头显示系统，其特征在于，在所述光源与所述波导基板之间，还包括光耦入元件，所述光耦入元件将所述光源发出的窄带输入光耦入至所述光波导介质。

7.根据权利要求6所述的波导定向抬头显示系统，其特征在于，所述输入光为光束阵列，所述光束阵列在所述光波导介质中沿第一全内反射传播方向传播至所述光提取元件；

所述光提取元件将所述光束阵列在第一全内反射传播方向上扩束为光束面阵列并从所述波导基板中输出。

8.根据权利要求6所述的波导定向抬头显示系统，其特征在于，所述输入光为单光束，所述波导基板还包括中间扩束元件，所述中间扩束元件沿第二全内反射传播方向将所述单光束在所述光波导介质中扩束并形成光束阵列，并将所述光束阵列引导至所述光提取元件；

所述光提取元件将所述光束阵列在第一全内反射传播方向上扩束为光束面阵列并从所述波导基板中输出。

9.根据权利要求1所述的波导定向抬头显示系统，其特征在于，所述预定输出方向为所述波导基板全内反射传输面的法线方向。

10.根据权利要求1所述的波导定向抬头显示系统，其特征在于，所述预定输出方向为与所述波导基板全内反射面的法线方向之间预设夹角为大于0°且小于90°的方向。

11.根据权利要求1所述的波导定向抬头显示系统，其特征在于，所述波导基板为一个，所述波导基板包含至少一个所述光提取元件，每个光提取元件将与所述光源发出的窄带输入光中与其特征参数对应谱带的光线以预定方向输出。

12.根据权利要求1所述的波导定向抬头显示系统，其特征在于，所述波导基板为至少两个，每个波导基板中包含至少一个光提取元件，所述光提取元件将所述光源发出的窄带输入光以预定方向从所述波导基板中输出。

13.根据权利要求12所述的波导定向抬头显示系统，其特征在于，所述至少两个波导基板沿垂直于基板的方向叠加。

14.根据权利要求1所述的波导定向抬头显示系统，其特征在于，所述光提取元件包括表面光栅或体光栅。

15.根据权利要求1所述的波导定向抬头显示系统，其特征在于，所述方向控制元件包括凸透镜、锯齿透镜、菲涅尔透镜和透镜组合中的至少一种。

16.根据权利要求1所述的波导定向抬头显示系统，其特征在于，所述弥散元件用于将光线扩束为在垂直于主光轴方向的截面具有特定形状的光束。

17.根据权利要求16所述的波导定向抬头显示系统，其特征在于，所述特定形状的光束覆盖所述预定区域。

18.根据权利要求1所述的波导定向抬头显示系统，其特征在于，所述弥散元件为衍射光学元件。

19.根据权利要求1所述的波导定向抬头显示系统，其特征在于，所述透射式显示面板包括液晶层，所述液晶层包括液晶单元及分设在所述液晶单元两侧的第一偏振单元和第二偏振单元，所述第一偏振单元和第二偏振单元的偏振方向不同。

20.根据权利要求1-19任一项所述的波导定向抬头显示系统，其特征在于，所述抬头显示系统还包括至少一个反射元件。

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