CN212846151U - 一种成像距离可变的抬头显示装置及抬头显示系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种成像距离可变的抬头显示装置及抬头显示系统，该抬头显示装置包括投影部、成像部、反射元件及调节装置，投影部包括光源、图像生成部、以及透镜部，出射投影光线，投影光线在第一位置聚集；成像部设置在第一位置，接收投影光线来形成实像并出射成像光线；反射元件将入射至其的成像光线反射至外部成像装置，再经所述外部成像装置反射并形成虚像；调节装置改变实像的位置，以调节虚像成像位置与外部成像装置之间的距离。本申请实施例提供的抬头显示装置，可调节抬头显示装置所成虚像的成像位置，实现在不同成像距离下成像。

Description

一种成像距离可变的抬头显示装置及抬头显示系统

技术领域

本申请属于光学显示技术领域，具体涉及一种成像距离可变的抬头显示装置及抬头显示系统。

背景技术

车辆等各类交通工具已成为现代社会生活必不可缺少的一部分，但驾驶安全问题也成为了威胁人民生命安全的重大问题。通常在驾驶过程中，驾驶员会通过密切关注交通工具仪表盘上相关驾驶信息来保证可靠驾驶，然而由于交通工具本身体积受限，仪表盘均被设计在操控台下方，由此驾驶员在驾驶过程中需要通过低头看仪表盘上的相关信息，并且在实际驾驶中，这种低头查看仪表盘上信息的动作频率非常高，驾驶员在低头过程中很有可能会导致分心，从而引发交通事故。

HUD(head up display)技术是通过反射成像的原理，通过挡风玻璃或特制的透明成像窗反射成像，将重要的行车信息投射在驾驶员的视线前方，驾驶员无需低头查看仪表等，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，从而能保证驾驶安全。

驾驶员在驾驶交通工具时，观察到的实际路况，如前方的车辆、行人、道路标志物等，与车辆的距离各不相同，且随着交通工具本身的运动，距离也在不断变化；而现有HUD所成图像的成像距离一般是不可调节的，这就使得图像的成像位置与驾驶员的眼睛聚焦的位置常常不一致，例如当驾驶员注视远方的路面时，需要从远处路面的调节到近处来观察HUD形成的图像，产生视觉辐辏冲突，会导致驾驶员产生疲劳、恶心等不良状况。

实用新型内容

为了克服上述问题，本申请提供一种成像距离可变的抬头显示装置及抬头显示系统。

本申请的至少一实施例提供一种成像距离可变的抬头显示装置，该抬头显示装置包括：被配置为出射投影光线的投影部，所述投影部包括：被配置为发出光线的光源、被配置为将所述光源发出的光线转化为图像光线的图像生成部、以及被配置为将所述图像光线转化为投影光线的透镜部，所述投影光线在第一位置聚集；被配置为接收所述投影光线来形成实像的成像部，所述成像部设置在第一位置，所述实像所形成的成像光线经由所述成像部出射；被配置为将入射至其的成像光线反射至外部成像装置的反射元件，经所述反射元件反射后的成像光线经所述外部成像装置反射并形成虚像；以及被配置为改变所述实像的位置的调节装置，以调节所述虚像成像位置与所述外部成像装置之间的距离。

例如，在本申请的实施例中，所述调节装置被配置为：改变所述透镜部的光焦度，以改变所述第一位置；以及，改变所述成像部与所述反射元件之间的距离，使得所述成像部与改变后的所述第一位置重合。

例如，在本申请的实施例中，所述反射元件包括至少一个曲面反射镜。

例如，在本申请的实施例中，所述成像部与所述反射元件之间的距离，小于或等于所述反射元件的焦距。

本申请至少一实施例还提供一种成像距离可变的抬头显示系统，该抬头显示系统包括上述任一项所述的抬头显示装置；以及外部成像装置；其中，所述外部成像装置被配置为反射所述成像光线，并在所述外部成像装置远离所述抬头显示装置的一侧形成虚像。

例如，在本申请的实施例中，所述投影部包括第一投影部及第二投影部，分别出射第一投影光线及第二投影光线；所述第一投影光线出射至所述成像部并形成第一实像，所述第二投影光线出射至所述成像部并形成第二实像，且所述第一实像与所述第二实像被配置为具有不同的显示内容。

例如，在本申请的实施例中，还包括：辅助成像设备；所述辅助成像设备被配置为具有第一观看部及第二观看部；所述第一观看部被配置为通过所述第一实像发出的第一成像光线，且阻隔所述第二实像发出的第二成像光线；所述第二观看部被配置为通过所述第二实像发出的第二成像光线，且阻隔所述第一实像发出的第一成像光线。

例如，在本申请的实施例中，所述第一投影光线包括第一偏振态的光线，所述第二投影光线包括第二偏振态的光线；且所述第一偏振态与所述第二偏振态垂直。

例如，在本申请的实施例中，所述第一投影光线包括第一特定波段的光线，所述第二投影光线包括第二特定波段的光线；所述第一特定波段的光线包括第一红色波段、第一绿色波段和第一蓝色波段中的至少一个波段；所述第二特定波段的光线包括第二红色波段、第二绿色波段和第二蓝色波段中的至少一个波段；且所述第一特定波段与所述第二特定波段不重合。

例如，在本申请的实施例中，还包括：相位延迟元件，所述相位延迟元件贴合设置在所述外部成像装置远离所述虚像的一侧；所述成像光线包括第一线偏振态的光线，所述相位延迟元件被配置为将第一线偏振态的光线转化为第二线偏振态光线、圆偏振态光线或椭圆偏振态光线中的至少一种。

例如，在本申请的实施例中，还包括：选择性透反膜，所述选择性透反膜贴合设置在所述外部成像装置远离所述虚像的一侧；所述选择性反射膜被配置为对所述成像光线所在波段的光线具有第一反射率，对所述成像光线以外波段的光线具有第二反射率；且所述第一反射率大于所述第二反射率。

本申请实施例提供的上述方案中，通过调节抬头显示装置投影部所成实像的成像位置，改变抬头显示装置所成图像的成像距离，抬头显示装置可在不同距离处成像，不同距离的成像可与当前用户如驾驶员视线聚焦的位置匹配，避免驾驶员的实现在固定距离的图像和不同距离的实景之间来回切换，避免驾驶员产生不适，进而提升了抬头显示装置的使用体验和驾驶安全性。

为使本申请的上述目的、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显示了本申请一个实施例成像距离可变的抬头显示装置的结构示意图一；

图2a显示了本申请一个实施例成像距离可变的抬头显示装置中投影部和成像部的结构示意图一；

图2b显示了本申请一个实施例成像距离可变的抬头显示装置中投影部和成像部的结构示意图二；

图3a显示了本申请一个实施例成像距离可变的抬头显示装置中实像和成像部的示意图一；

图3b显示了本申请一个实施例成像距离可变的抬头显示装置中实像和成像部的示意图二；

图4显示了本申请一个实施例成像距离可变的抬头显示装置的结构示意图二；

图5显示了本申请一个实施例成像距离可变的抬头显示系统的结构示意图一；

图6显示了本申请一个实施例成像距离可变的抬头显示装置的结构示意图三；

图7显示了本申请一个实施例成像距离可变的抬头显示装置中实像和成像部的示意图三；

图8显示了本申请一个实施例成像距离可变的抬头显示系统的结构示意图二。

标号说明：10-投影部；11-光源；12-图像生成部；13-透镜部；14-反射部；20-成像部；30-反射元件；31-曲面反射镜；32-平面反射镜；40-调节装置；50-封装壳体；51-出光口；52-防尘膜；53-防眩光罩；200-外部成像装置；300-辅助成像设备；301-第一观看部；302-第二观看部。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例作更进一步地说明。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，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申请的其他优点与功效。本申请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，在没有背离本申请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申请的基本构想，遂图式中仅显示与本申请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申请的方案进行阐述。实施方式中大量的细节仅用于帮助理解本申请的方案。但是很明显，本申请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申请的方案，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。

本申请实施例提供一种成像距离可变的抬头显示装置，参见图1及图2所示，包括：被配置为出射投影光线的投影部10，投影部包括：被配置为发出光线的光源11、被配置为将光源11发出的光线转化为图像光线的图像生成部12、以及被配置为将图像光线转化为投影光线的透镜部13，投影光线在第一位置P1聚集；被配置为接收投影光线来形成实像的成像部20，成像部20设置在第一位置P1，实像所形成的成像光线经由成像部20出射；被配置为将入射至其的成像光线反射至外部成像装置的反射元件30，经反射元件30反射后的成像光线经外部成像装置反射并形成虚像；以及被配置为改变实像的位置的调节装置40，以调节虚像与外部成像装置之间的距离。

本实施例中，投影部10包括光源11，光源11出射光线；图2a及图2b中以光线A示意光源11出射的光线。光源11可以为点光源、线光源或面光源，光源11的数量可以为一个或多个，对此不做限制；具体的，光源11包括一个或多个发光元件，包括但不限于发光二极管(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 CathodeFluorescent Lamp，CCFL)、LED冷光源(Cold LED Light，CLL)、电激发光(ElectroLuminescent，EL)、电子发射(Field Emission Display，FED)或量子点光源(Quantum Dot,QD)等。

本实施例中，投影部10还包括图像生成部12，图像生成部12将光源11发出的光线转化为图像光线，图像光线具体是指包含图像信息的光线，可直接或经反射、折射等作用后显示图像，图2a及图2b中以光线B示意图像光线。图像生成部12可以是液晶显示层，光线A经过液晶显示层透射或反射后后显示图像，液晶显示层出射包含图像信息的图像光线B；也可以是数字微镜器件(Digital Micromirror Device,DMD)、阴极射线显像器件(Cathode RayTube,CRT)或硅基液晶显示器件(Liquid Crystal on Silicon,LCoS)中的至少一种，光源11出射的光线A经DMD，CRT或LCoS等显示器件反射或透射，转化为包含图像信息的图像光线B。

本实施例中，投影部10还包括透镜部13，透镜部13将图像光线转化为投影光线，投影光线是指经投影镜头(如本实施例中的透镜部13)出射的光线，投影光线投射至幕布(如本实施例中的成像部20)后，会通过光扩散作用(如漫透射或漫反射)成像，图2a及图2b中以光线C示意投影光线。透镜部13包括凸透镜、菲涅尔透镜或凹透镜中的至少一种，图2a及图2b中以凸透镜为例进行示意；在具体实施过程中，为避免单个透镜带来的像差、色散等问题，透镜部13往往包括多块透镜的组合，如上述凸透镜、凹透镜和菲涅尔透镜的组合，透镜组合整体起到类似图2a及图2b中凸透镜的作用。图像光线B经过透镜部13后会转化为投影光线C，投影光线C相较于图像光线B，会在特定位置，如第一位置P1聚集，如图2a及图2b所示；具体地，投影光线C在第一位置P1处聚集，可以认为是图像生成部12上每一个发出光线的点(例如，像素)发出的投影光线C均在第一位置P1处聚集，也即图像生成部12整体发出的投影光线C经过透镜部13后，全部或几乎全部聚集在第一位置P1处。本领域技术人员可以理解，第一位置P1可以是平面或者曲面，具体可以是图像生成部12发出的光线通过透镜部13成像，所成虚像或实像所在的像面，第一位置P1与透镜部13之间的距离(也即像距u)，与图像生成部12与透镜部13之间的距离(也即物距v)以及透镜部13的焦距(也即焦距f)有关，例如，图像生成部12与透镜部13之间的距离处于透镜部13的一倍焦距和二倍焦距之间，则第一位置P1位于透镜部13另一侧(相对于图像生成部12而言)的二倍焦距之外，此时，图2a及图2b中，图像生成部12处箭头朝下的线条代表图像生成部12所成的图像，第一位置P1处箭头朝上的线条代表第一位置P1(也即像面)处所成的实像，也即图像生成部12与透镜部13之间的距离处于透镜部13的一倍焦距和二倍焦距之间时，经过透镜部13所成的图像为倒立放大的实像。具体地，第一位置P1与透镜部13之间的距离u、图像生成部12与透镜部13之间的距离v以及透镜部13的焦距f之间存在如下关系：1/v+1/u＝1/f；当透镜部13为透镜组合时，焦距f具体可以是透镜组合的等效焦距。

本实施例中，如图3所示，成像部20接收投影光线并形成实像R，成像部20具体可以是透射式的光扩散元件，投影光线以背投的方式透过成像部20，通过光线散射作用(如漫透射作用)在成像部20处形成实像R，实像R形成的成像光线D经成像部20出射，如图2a所示；成像部20也可以是反射式的光扩散元件，如与正投投影幕布类似的结构与材质，投影光线出射至成像部20，并通过光线散射作用(如漫反射作用)在成像部20处形成实像R，实像R形成的成像光线D经成像部20以反射光线的形式出射，如图2b所示，本实施例对此不做限定。

本领域技术人员可以理解，成像部20设置在第一位置P1处，才可接受几乎所有的投影光线C，这样成像部20处形成的实像R才是完整并且清晰的，出射的图像光线D才能包括所有的图像信息，也即不会影响图像的完整性；在图2a及图2b所示的侧视图中，因第一位置P1与成像部20位置重合，因此图2a及图2b中第一位置P1与成像部20的标号位置重合。

图3示出了成像部20另一个视角的视图，例如，正视图；图3中的ABC标识代表形成在成像部20处的实像R的显示内容。如图3a所示，实像R的尺寸与成像部20的尺寸一致并完全重合，这样可以保证成像部20几乎可以完全接收第一位置P1(也即像面)处所有的成像光线；当然，成像部20的尺寸也可以大于实像R的尺寸，如图3b所示，也即第这样也可以保证成像部20几乎可以完全接收第一位置P1(也即像面)处所有的成像光线，确保实像R的完整性。

本实施例中，投影部10利用光源11、图像生成部12和透镜部13生成投影光线，并在投影光线聚集的第一位置P1处设置成像部20，在成像部20处形成实像R，实像出射R成像光线D；也即在本实施例中，抬头显示装置的图像源为实像R，也即图像源可以认为是投影部10与成像部20的组合，由成像部20处的实像R出射可用于抬头显示装置成像的成像光线。在另一些实施方式中，成像部20出射的成像光线还可以再经过具有折射和/或反射功能的光学元件，如透镜、反射镜等，成像光线经过上述光学元件的一次或多次折射或反射后，所成的实像或虚像也都可以作抬头显示装置的图像源，本实施例对此不做限定。

本实施例中，反射元件30将入射至其的成像光线反射至外部成像装置；反射元件30具体可以是曲面反射镜31，具体是曲面反射镜31的凹面朝向成像部20，如图1及图4所示；可选地，曲面反射镜31可以为自由曲面镜，自由曲面镜的反射面不具有旋转对称特性，可以提升抬头显示装置的成像质量。

进一步地，反射元件30还包括至少一个平面反射镜32，至少一个平面反射镜32设置在曲面反射镜31与成像部20之间，如图4中以抬头显示装置包括一个平面反射镜32为例进行解释说明。平面反射镜32可以改变成像光线的传播方向，可以压缩抬头显示装置的体积，进一步提升抬头显示装置的实用性。

本实施例中，通过调节装置40改变实像R的位置，以调节虚像成像位置与外部成像装置之间的距离，如图1、图4及图5所示；具体的，调节装置40通过电连接或机械连接中的至少一种与投影部10和成像部20连接。根据抬头显示装置的成像原理可知，成像部20处所成的实像R发出成像光线，成像光线经曲面反射镜31反射后，出射至外部成像装置200，再经外部成像装置200反射后，在外部成像装置200远离抬头显示装置的一侧形成虚像V，如图5所示；一般情况下，外部成像装置200如挡风玻璃，对光线的反射接近于镜面反射，因此外部成像装置对虚像的成像距离影响较小，虚像的成像距离主要由曲面反射镜31决定；根据凹面反射镜的反射成像性质可知，在待成像物体与凹面反射镜之间的光学距离小于曲面反射镜的焦距情况下(也即，待成像物体位于凹面反射镜的一倍焦距以内)，凹面反射镜的像距随物距的增大而增大，也即待成像物体与凹面反射镜之间的光学距离越大，则成像距离越大，也即光线再经外部成像装置200反射后所成的虚像距离越大。

具体的，光学距离可以认为是成像光线自发出后传播至反射元件之间的光学传播距离，具体可以是光线传播的几何距离与传播介质(如空气)的折射率之间的乘积；如本申请附图中以成像光线的主轴光线传播为例进行说明，主轴光线可以认为是实像R中心点与曲面反射镜31中心点(如曲面反射镜31的四个顶点所围成面的几何中心)之间连线方向相同或接近的光线，主轴光线的方向代表了大多数成像光线传播的主要方向。

根据上述对投影部10及成像部20的解释说明可知，抬头显示装置的图像源为投影部10与成像部20的结合，由成像部20处的实像R出射可用于抬头显示装置成像的成像光线，因此实像R与曲面反射镜31之间的光学距离决定了抬头显示装置所成虚像的成像距离，具体是实像R与曲面反射镜31之间的光学距离越大，抬头显示装置所成虚像的成像距离也越大，也即可以通过调节实像R与曲面反射镜31之间的光学距离来调节抬头显示装置所成虚像V的成像距离，也即调节虚像成像位置与外部成像装置200之间的距离。可选地，抬头显示装置所成虚像V的成像距离，也可以认为是虚像成像位置与用户双眼所在的观察区域(如眼盒区域)之间的距离，因观察区域与外部成像装置200之间的距离一般为固定距离，因此在这种情况下，仍是通过调节实像R与曲面反射镜31之间的光学距离来调节抬头显示装置所成虚像V的成像距离；在包括平面反射镜32的情况下，实像R与曲面反射镜31之间的光学距离，具体是指成像光线出射至平面反射镜、再经平面反射镜反射至曲面反射镜的光学距离之和。

因曲面反射镜31体积较大，因此在安装设置后，曲面反射镜31的位置往往难以调节，因此一般通过调节投影部10在成像部20处所成实像R的位置，来改变实像R与曲面反射镜31之间的距离，进而调节抬头显示装置所成虚像V的成像位置。

具体的，如上述对投影部10的解释可知，实像R的位置与上述透镜部13的焦距f及图像生成部12与透镜部之间的距离v有关，具体是通过改变距离v和/或者焦距f来实现对光线聚集的第一位置P1所在位置的改变；并且同步需要调整成像部20的位置使其与第一位置P1重合，使得聚集在第一位置P1处的投影光线D在成像部20处通过漫透射或漫反射作用形成实像R。一般而言，投影部10中光源11、图像生成部12及透镜部13是集成为一体装置，如液晶投影装置、DLP投影装置或CRT投影装置，因此图像生成部12与透镜部13之间的距离v往往难以调节，而透镜部13的焦距f是相对易于调节的，如透镜部13可采用光学变焦(opticalzoom)镜头、数码变焦(digital zoom)镜头或和双摄变焦(Hybrid zoom)镜头等来调节透镜的光焦度，实现对焦距f的改变；本领域技术人员可以理解，光焦度φ＝1/f，也即调节透镜部13的光焦度φ就可实现对焦距f的调节。因此，在本实施例一个优选的实施方式中，调节装置40具体是通过调节透镜部13的光焦度来改变第一位置P1，同时改变成像部20的位置使其与第一位置P1重合，进而实现对实像R位置的改变；具体的，成像部20是沿上述成像光线的主轴光线的方向移动，进一步保证接收到尽量多的投影光线。

可选地，调节装置40包括可变焦透镜组13的变焦调节装置，与透镜部13电连接或机械连接，具体可以是透镜部13光焦度的调节光圈；调节装置40还包括改变成像部20位置的装置，具体是使得成像部20与改变后的第一位置P1重合。

本实施例中，通过设置投影部10、成像部20、反射元件30和调节装置40，可通过调节投影部10中透镜部13的光焦度，以及成像部20的位置，实现对实像R位置的调节；进而实现对抬头显示装置经外部成像装置200反射所成虚像V的成像位置的调节，实现抬头显示装置在不同距离处成像，可以与不同距离处的实景如行人、车辆或建筑物等匹配，用户如驾驶员的视线无需在实景与虚像之间来回切换，避免了视觉辐辏冲突，提升了抬头显示装置的使用体验。

在本申请上述实施例的基础上，调节装置40与成像部20机械连接。在本实施例一个实施方式中，调节装置40包括驱动件及齿轮，成像部20包括沿移动方向延伸的齿条，齿条与上述齿轮啮合；齿轮的中心与驱动件连接，驱动件如马达带动齿轮转动，齿轮带动齿条来回移动，就实现了对成像部20位置的调节。

在本实施例又一种实施方式中，调节装置40包括驱动件、对设的齿轮组合及与上述齿轮组合啮合传动的履带，成像部20与履带固定连接；驱动件与齿轮组连接，驱动件如马达带动齿轮组转动，齿轮组驱动履带传送，进而带动成像部20移动，实现了对成像部20位置的调节。

在本实施例的再一种实施方式中，调节装置40包括驱动件、滑轨及配套的滑块，上述滑块与成像部20连接；驱动件驱动滑块沿滑轨来回移动，进而带动成像部20移动，实现了对成像部20位置的调节。

在本申请上述实施例的基础上，成像部20与反射元件30之间的距离，小于或等于反射元件30的焦距。具体是，成像部20与曲面反射镜31之间的距离，小于或等于曲面反射镜31的焦距。如上述对曲面反射镜31成像原理的解释，成像部20与曲面反射镜31之间的距离小于或等于曲面反射镜31的焦距时，也即实像R与曲面反射镜31之间的距离小于或等于曲面反射镜31的焦距可成正立放大的虚像，再经外部成像装置200反射后就可形成放大的虚像，供当前用户如驾驶员观察；并且，成像部20越接近焦平面(也即之间的距离约接近焦距)，最终虚像V的成像距离越远，当成像部20非常接近焦平面，如与焦平面之间的距离为0.1％、0.5％、1％或5％焦距时，或成像部20设置在焦平面处时，此时虚像V的成像距离很远，甚至可以认为是设置在无限远处，远距离的虚像V适合与车外物体进行增强显示融合，可进一步提升抬头显示装置的使用体验。

在本申请上述实施例的基础上，如图6所示，抬头显示装置还包括封装壳体50，投影部10、成像部20、反射元件30及调节装置40均安装设置在封装壳体50内；封装壳体包括用于出射光线的出光口51，反射元件30反射后的成像光线经过出光口51出射至外部成像装置20，发生反射并形成虚像V。具体地，本申请抬头显示装置在应用于车辆时，封装壳体50安装设置在车辆仪表台内部，出光口51则设置在仪表台表面。

可选地，封装壳体50还包括防尘膜52及防眩光罩53，防尘膜52具体是设置在出光口51处，因此图6中出光口51和防尘膜52的标记位置重合。防尘膜52可以避免灰尘、杂物和水气等进入封装壳体50的内部，避免上述杂物对抬头显示装置的元件造成影响和损坏；同时，防尘膜52不能阻挡成像光线的出射，因此防尘膜52采用透明的材料制作而成，如透明高分子材料制作而成的薄膜，通过粘接、夹设等方式设置在出光口51处。

透明材质的防尘膜52虽然可以对外界杂物起到阻挡作用，但同时外部光线会在防尘膜52的表面发生反射；当外部光线强度较大时，如太阳光在防尘膜52的表面反生反射时，会造成强烈的眩光，眩光会对当前用户如驾驶员的正常行驶造成严重的干扰。可选地，防尘膜52的外侧还设置有防眩光罩53，防眩光罩53可以为倾斜设置的斜面，用于防止外界光线在防尘膜52处发生眩光，进而进入用户的眼睛。如图6，防眩光罩53可至少部分阻挡外界光线，如太阳光；且不会阻挡成像光线的传播。防眩光罩53可以采用与封装壳体50相同的材料且一体成型，也可单独安装设置在封装壳体50上，本实施例对此不做限定。

本实施例中，通过设置封装壳体50将抬头显示装置的元件安装设置，便于抬头显示装置整体的拆卸安装；同时，通过设置防尘膜52和防眩光罩53，可防止灰尘等异物进入装置内部影响正常使用，还可避免眩光对驾驶员造成的影响，进一步提升抬头显示装置的使用体验。

本申请实施例还提供一种成像距离可变的抬头显示系统，如图5所示，包括上述实施例提供的抬头显示装置，以及外部成像装置200；其中，外部成像装置200被配置为反射成像光线，并在外部成像装置200远离抬头显示装置的一侧形成虚像V。

本实施例中，抬头显示装置出射的成像光线，经外部成像装置200反射后，大部分反射光线聚集在观察区域EB内，使得双眼位于观察区域EB的用户，如驾驶员可以观看到外部成像装置200反射形成的虚像V；外部成像装置200在反射成像光线的同时，且透射外部光线，使得用户可以接收到外部光线，也即不影响对外界环境的观察。具体地，观察区域EB可为眼盒(eyebox)区域，眼盒区域是指用户双眼所在的、可以看到抬头显示装置所成虚像的区域；用户的双眼相对于眼盒区域的中心偏离一定距离，如上下、左右移动一定距离时，只要用户双眼仍处于眼盒区域内，用户仍然可以看到抬头显示装置所成的虚像V。

本实施例中，外部成像装置200可为交通工具的挡风玻璃，或单独设置的成像窗，分别对应风挡式抬头显示装置(Windshield-HUD)和组合式抬头显示装置(Combiner-HUD)；外部成像装置200包括平面面形或曲面面形，外部成像装置200为曲面面形的情况下，因在不同的位置观察，虚像V的位置是变化的，因此上述虚像V的成像位置，是指当前用户如驾驶员双眼位于眼盒区域内时观察到的虚像V的成像位置。

本实施例中，虚像V的成像位置可进行调节，在需要的位置成像；在一些较优选的实施方式中，虚像V可为近景画面、中景画面或远景画面，近景画面是指虚像V成像位置与观察区域EB之间的距离为2～4米，中景画面是指虚像V成像位置与观察区域EB之间的距离为7～14米，远景画面是指虚像V成像位置与观察区域EB之间的距离为20～50米。具体地，近景画面可以显示车辆仪表等关键驾驶数据，例如，显示车速、油量或转向等参数；中景画面可以显示车道画面，例如，画面相对于地面为倾斜状态时与实际车道匹配融合效果更好，从而用户可以看到车道被图像融合标记，指引用户走这条车道；远景画面可以与远处景物配合，例如远景画面可以包括银行的标志，银行的标志图像可以和银行实景的位置匹配融合，从而用户可以看到远处建筑物，例如银行时，远景画面中标识了银行的标志。

在本申请上述实施例的基础上，投影部10包括第一投影部及第二投影部，分别出射第一投影光线及第二投影光线；第一投影光线出射至成像部20并形成第一实像R1，第二投影光线出射至成像部20并形成第二实像R2，且第一实像R1与第二实像R2被配置为具有不同的显示内容，如图7所示；图7示出了本实施例中成像部20的正视图，以颜色不同的ABC标识分别代表具有不同显示内容的第一实像R1和第二实像R2。

具体地，第一实像R1与第二实像R2的显示内容不同，可以认为是第一实像R1和第二实像R2分别显示同一物体对应不同视角的显示内容；例如，第一实像R1显示对应当前用户左眼的显示内容，第二实像R2显示对应当前用户右眼的显示内容，第一实像R1和第二实像R2可合成为立体视觉的实像。第一实像R1和第二实像R2出射各自对应的第一成像光线和第二成像光线，依次经反射元件30、外部成像装置200反射，使得双眼位于观察区域EB的用户可以同时观察到第一实像R1和第二实像R2分别形成的第一虚像V1和第二虚像V2。

在本申请上述实施例的基础上，双眼位于观察区域EB的用户可以同时观察到第一实像R1和第二实像R2分别形成的第一虚像V1和第二虚像V2，但用户的左眼和右眼均可同时接收到第一虚像V1和第二虚像V2，无法进行区分，因此无法产生立体视觉，用户看到的是两个交叠的画面。

本实施例中，在抬头显示系统中设置辅助成像设备300，辅助成像设备300被配置为具有第一观看部301及第二观看部302，第一观看部301被配置为通过第一实像R1发出的第一成像光线，且阻隔第二实像R2发出的第二成像光线；第二观看部被配置为通过第二实像R2发出的第二成像光线，且阻隔第一实像R1发出的第一成像光线，如图8所示。辅助成像设备300设置在外部成像装置200与当前用户双眼之间反射成像光线的光路上，具体可设置在观察区域EB处；第一观看部301和第二观看部302分别对应当前用户的左眼及右眼，用于通过吸收或反射作用，分别阻拦对应右眼和左眼的成像光线，使得当前用户的左眼只接收到对应第一实像R1的第一成像光线，右眼只接收到对应第二实像R2的第二成像光线，也即左眼只能观察到第一实像R1反射形成的第一虚像V1，右眼只能观察到第二实像R2反射形成的第二虚像R2。

如图8所示，示出了当前用户视角下抬头显示系统的示意图；辅助成像设备300设置在当前用户双眼与外部成像装置200之间反射光线的光路上，黑色的ABC标识代表第一实像R1经反射后形成的第一虚像V1，灰色的ABC标识代表第二实像R1经反射后形成的第二虚像V2；第一观看部301对应左眼，通过对应第一虚像V1的反射光线(图中以虚线线光线标识)，并阻隔对应第二虚像V2的反射光线(图中以实线光线标识)；第二观看部302对应右眼，通过对应第二虚像V2的反射光线，并阻隔对应第一虚像V1的反射光线，从而实现用户的左眼和右眼分别只看到对应的虚像，从而实现立体视觉观感，用户可看到立体视觉的虚像。应当理解，图8中的第一虚像V1和第二虚像V2是形成在外部成像装置200远离用户的外侧，而非形成在外部成像装置200的表面。

本实施例中，具体是通过第一投影光线和第二投影光线的性质，以及辅助成像设备300的性质实现左右眼图像的区分。具体地，投影光线与成像光线相比，区别在于投影光线经过成像部20后，通过漫反射或漫透射性质形成实像，实像发出成像光线，光线的性质如偏振态、波长分布等几乎不会发生变化；因此，通过控制第一投影光线和第二投影的光线的性质，就可控制第一成像光线和第二成像光线的性质，可以认为投影光线的性质与成像光线的性质相同。

在本实施例的一种实施方式中，第一投影光线包括第一偏振态的光线，第二投影光线包括第二偏振态的光线；且第一偏振态与所述第二偏振态垂直；此时，第一观看部301透过第一偏振态的光线，且反射和/或吸收第二偏振态的光线；第二观看部302透过第二偏振态的光线，且反射和/或吸收第一偏振态的光线。

例如，第一偏振态光线和第二偏振态光线之一包括S偏振态的光线，另一个包括P偏振态的光线；第一偏振态光线和第二偏振态光线还可以是非S偏振光或非P偏振光，只要第一偏振态光线和第二偏振态光线的偏振方向垂直即可，如第一偏振态光线和第二偏振态光线可以是偏振方向互相垂直的两种线偏振光，或者偏振方向互相垂直的两种圆偏振光，或者偏振方向互相垂直的两种椭圆偏振光等。

例如，第一观看部301对第一偏振态光线的透射率可以为70％、80％、90％、95％或其它适用的数值，对第二偏振态光线的阻隔率(反射率与吸收率之和)可以为70％、80％、90％、95％或其它适用的数值，可以使得尽量多的对应第一虚像V1的第一成像光线透射；第二观看部302对第二偏振态光线的透射率可以为70％、80％、90％、95％或其它适用的数值，对第一偏振态光线的阻隔率(反射率与吸收率之和)可以为70％、80％、90％、95％或其它适用的数值，可以使得尽量多的对应第二虚像V2的第二成像光线透射，可以提高所成立体视觉虚像的亮度。

例如，第一投影部和第二投影部可以为发出偏振投影光线的显示设备，如液晶投影仪，也即图像生成部12为液晶显示层；例如，辅助成像设备300可以是偏振式立体眼镜。

在本实施例的另一种实施方式中，第一投影光线包括第一特定波段的光线，第二投影光线包括第二特定波段的光线，第一特定波段的光线包括第一红色波段、第一绿色波段和第一蓝色波段中的至少一个波段；第二特定波段的光线包括第二红色波段、第二绿色波段和第二蓝色波段中的至少一个波段；且第一特定波段与第二特定波段不重合；此时，第一观看部301透过第一特定波段的光线，且反射和/或吸收第二特定波段的光线；第二观看部302透过第二特定波段的光线，且反射和/或吸收第一特定波段的光线。

例如，第一特定波段和第二特定波段中，R(红色)G(绿色)B(蓝色)每个波段的半高宽不大于50nm，蓝色波段的峰值位置位于410nm～480nm区间范围内，绿色波段的峰值位置位于500nm～580nm区间范围内，红色波段的峰值位置位于590nm～690nm区间范围内，只要保证第一特定波段与第二特定波段不重合即可，也即第一红色波段与第二红色波段不重合，第一绿色波段与第二绿色波段不重合，第一蓝色波段与第二蓝色波段不重合。

例如，第一特定波段中，第一红色波段为650nm红光，第一绿色波段为540nm，第一蓝色波段为430nm蓝光；第二特定波段中，第二红色波段为620nm红光，第二绿色波段为550nm绿光，第二蓝色波段为420nm蓝光。

例如，第一观看部301对第一特定波段光线的透射率可以为70％、80％、90％、95％或其它适用的数值，对第二特定波段光线的阻隔率(反射率与吸收率之和)可以为70％、80％、90％、95％或其它适用的数值，可以使得尽量多的对应第一虚像V1的第一成像光线透射；第二观看部302对第二特定波段光线的透射率可以为70％、80％、90％、95％或其它适用的数值，对第一特定波段光线的阻隔率(反射率与吸收率之和)可以为70％、80％、90％、95％或其它适用的数值，可以使得尽量多的对应第二虚像V2的第二成像光线透射，可以提高所成立体视觉虚像的亮度。

例如，第一投影部和第二投影部可以为发出RGB混合投影光线的显示设备，如液晶投影仪、CRT投影仪或DLP投影仪等；例如，辅助成像设备300可以是色差式立体眼镜。

例如，上述色差式立体眼镜的镜片，可以包括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。这里的“不同折射率”指的是膜层在xyz三个方向上至少有一个方向上的折射率不同。例如，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。例如，对于采用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。例如，对于采用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。例如，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。例如，上述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。例如，上述热塑性聚合物可以为不同聚合程度的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)及其衍生物、不同聚合程度的聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)及其衍生物、不同聚合程度的聚对苯二酸丁二酯(PBT)及其衍生物等。

本实施例中，通过设置第一投影部、第二投影部和辅助成像设备300，可使得当前用户的左眼和右眼分别只接收到对应左眼视角的第一虚像V1的第一成像光线和对应右眼视角的第二虚像V2的第二成像光线，使得用户可以观察到形成在外部成像装置200外侧的、具有立体视觉的虚像，立体视觉的虚像不仅可以提供更加丰富的使用体验，并且因为车外的实景大部分为三维立体结构，因此抬头显示装置形成立体视觉的虚像，相较于普通的二维平面虚像，与车外真实三维实景的匹配效果更好，可以进一步提升抬头显示装置的使用体验。

在本申请上述实施例的基础上，外部成像装置200如挡风玻璃，往往具有一定的厚度；因此成像光线在靠近观察者一侧的表面反射会形成主虚像，而透射的成像光线在远离观察者一侧的内表面会再次反射形成副虚像，也即抬头显示系统在使用时，会同时看到主虚像和副虚像，也即会有重影产生。

在本实施例一种实施方式中，外部成像装置200包括双层玻璃结构的挡风玻璃，双层玻璃结构之间还设有楔形膜，楔形膜具有变化的厚度，具体是较厚的一端朝上；设置楔形膜后，使得外部成像装置200反射形成虚像时，玻璃内外表面反射所形成的主虚像和副虚像重合，由此使得抬头显示系统具有消除重影的功能，提升使用体验。具体地，楔形膜包括聚乙烯醇缩丁醛酯(PVB)膜。

在本实施例另一种实施方式中，外部成像装置200远离虚像的一侧表面贴合设置相位延迟元件消除重影。例如，抬头显示装置出射的光线包括第一线偏振态的光线，相位延迟元件可将射入其的第一线偏振态的光线转换为第二线偏振态的光线、圆偏振态光线或椭圆偏振态光线中的至少一种。具体地，抬头显示装置出射的光线包括S偏振态的光线，相位延迟元件可将射入其的S偏振态的光线转换为非S偏振态的光线，例如P偏振态的光线、圆偏振光或椭圆偏振光，而非S偏振态的光线在外部成像装置200外侧内表面的反射率很低，基本都会透射出玻璃外部，进而消除重影，提升使用体验；具体的，相位延迟元件可以为1/4波片或1/2波片。

在本实施例又一种实施方式中，外部成像装置200远离虚像的一侧表面贴合设置选择反射膜消除重影。例如，选择反射膜被配置为对成像光线具有第一反射率，对成像光线波段以外的光线具有第二反射率，且第一反射率大于第二反射率。例如，选择反射膜对成像光线所在波段的光线的第一反射率可以大于80％、90％、95％、99.5％或其它适用的数值，对除成像光线所在波段以外波段的光线的第二反射率可以小于30％、20％、10％、5％、1％、0.5％或其它适用的数值；如成像光线包括红绿蓝(RGB)三个子波段的光线，则选择反射膜只反射RGB三个子波段的光线并透过其他波段的光线。由此，成像光线就不会在外部成像装置200远离用户一侧的内表面发生二次反射，进而消除重影。

在本实施例的再一种实施方式中，外部成像装置200远离虚像的一侧表面贴合设置P偏振光反射膜，抬头显示装置出射的成像光线包括P偏振态的光线，因玻璃对P偏振光的透射率较高，反射率较低，因此除被P偏振光反射膜反射的P偏振光外，透射过玻璃的P偏振光大部分会透射出玻璃外部，被外部成像装置200远离用户一侧的内表面反射的光线亮度很低，进而可以消除重影。

本申请实施例中，通过在外部成像装置200处增设楔形膜、相位延迟元件、选择反射膜或P偏振光反射膜等，均可以有效消除重影，提升抬头显示系统的使用体验。

在本申请上述实施例的基础上，当外部成像装置200为挡风玻璃时，因挡风玻璃对S偏振态的光线(S偏振光)的反射率较高，因此抬头显示装置出射的成像光线一般包括S偏振光，此时，若用户如驾驶员佩戴墨镜时，墨镜是过滤S偏振光的，因此驾驶员佩戴墨镜时就无法看到抬头显示装置的图像。

在本实施例的一种实施方式中，外部成像装置200远离虚像的一侧表面贴合设置P偏振光反射膜，且抬头显示装置出射的图像光线包括P偏振态的光线，外部成像装置200可以将P偏振态的图像光线反射至观察区域EB，以使双眼位于观察区域EB的戴墨镜的用户依然可以看到图像，从而提高用户的使用体验。

在本实施例的另一种实施方式中，还可在抬头显示装置和外部成像装置200之间设置转换元件来实现墨镜可见功能；具体的，转换元件包括四分之一波片，抬头显示装置出射的图像光线包括S偏振态的光线，转换元件将入射至其的S偏振态的光线转换为圆偏振态的光线(圆偏振光)或椭圆偏振态的光线(椭圆偏振光)，圆偏振光或椭圆偏振光被外部成像装置200反射后射向观察区域EB，因圆偏振光或椭圆偏振光包括P偏振分量，经过墨镜过滤后，P偏振态的光线使双眼位于观察区域EB的戴墨镜的用户依然可以看到抬头显示装置显示的图像，从而提高用户的使用体验；具体的，转换元件可以设置在出光口51位置处；例如，还可与防尘膜52集成设置为一体式元件。

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

Claims (11)

1.一种成像距离可变的抬头显示装置，其特征在于，包括：

被配置为出射投影光线的投影部，所述投影部包括：被配置为发出光线的光源、被配置为将所述光源发出的光线转化为图像光线的图像生成部、以及被配置为将所述图像光线转化为投影光线的透镜部，所述投影光线在第一位置聚集；

被配置为接收所述投影光线来形成实像的成像部，所述成像部设置在第一位置，所述实像所形成的成像光线经由所述成像部出射；

被配置为将入射至其的成像光线反射至外部成像装置的反射元件，经所述反射元件反射后的成像光线经所述外部成像装置反射并形成虚像；

以及被配置为改变所述实像的位置的调节装置，以调节所述虚像成像位置与所述外部成像装置之间的距离。

2.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述调节装置被配置为：

改变所述透镜部的光焦度，以改变所述第一位置；

以及，改变所述成像部与所述反射元件之间的距离，使得所述成像部与改变后的所述第一位置重合。

3.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述反射元件包括至少一个曲面反射镜。

4.根据权利要求3所述的抬头显示装置，其特征在于，所述成像部与所述反射元件之间的距离，小于或等于所述反射元件的焦距。

5.一种成像距离可变的抬头显示系统，其特征在于，包括：

如权利要求1-4任一项所述的抬头显示装置；以及

外部成像装置；

其中，所述外部成像装置被配置为反射所述成像光线，并在所述外部成像装置远离所述抬头显示装置的一侧形成虚像。

6.根据权利要求5所述的抬头显示系统，其特征在于，所述投影部包括第一投影部及第二投影部，分别出射第一投影光线及第二投影光线；

所述第一投影光线出射至所述成像部并形成第一实像，所述第二投影光线出射至所述成像部并形成第二实像，且所述第一实像与所述第二实像被配置为具有不同的显示内容。

7.根据权利要求6所述的抬头显示系统，其特征在于，还包括：辅助成像设备；所述辅助成像设备被配置为具有第一观看部及第二观看部；

所述第一观看部被配置为通过所述第一实像发出的第一成像光线，且阻隔所述第二实像发出的第二成像光线；

所述第二观看部被配置为通过所述第二实像发出的第二成像光线，且阻隔所述第一实像发出的第一成像光线。

8.根据权利要求7所述的抬头显示系统，其特征在于，所述第一投影光线包括第一偏振态的光线，所述第二投影光线包括第二偏振态的光线；且所述第一偏振态与所述第二偏振态垂直。

9.根据权利要求7所述的抬头显示系统，其特征在于，所述第一投影光线包括第一特定波段的光线，所述第二投影光线包括第二特定波段的光线；

所述第一特定波段的光线包括第一红色波段、第一绿色波段和第一蓝色波段中的至少一个波段；

所述第二特定波段的光线包括第二红色波段、第二绿色波段和第二蓝色波段中的至少一个波段；

且所述第一特定波段与所述第二特定波段不重合。

10.根据权利要求5所述的抬头显示系统，其特征在于，还包括：相位延迟元件，所述相位延迟元件贴合设置在所述外部成像装置远离所述虚像的一侧；

所述成像光线包括第一线偏振态的光线，所述相位延迟元件被配置为将第一线偏振态的光线转化为第二线偏振态光线、圆偏振态光线或椭圆偏振态光线中的至少一种。

11.根据权利要求5所述的抬头显示系统，其特征在于，还包括：选择反射膜，所述选择反射膜贴合设置在所述外部成像装置远离所述虚像的一侧；

所述选择反射膜被配置为对所述成像光线所在波段的光线具有第一反射率，对所述成像光线以外波段的光线具有第二反射率；

且所述第一反射率大于所述第二反射率。

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