CN213042062U - 一种基于微结构的波导型抬头显示系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种基于微结构的波导型抬头显示系统，包括依次设置的图像源、目镜系统、水平扩展波导和垂直扩展波导，目镜系统用于对图像源发出的光线进行准直形成不同视场的平行光，水平扩展波导用于对目镜系统发出的平行光进行水平方向的出瞳扩展，垂直扩展波导用于对水平扩展波导的出射光进行垂直方向的出瞳扩展；水平扩展波导内置有第一半透半反膜和第一微结构，垂直扩展波导内置有第二半透半反膜和第二微结构。本实用新型利用微结构与波导结构相结合，实现大出瞳的同时，大大降低了系统的体积，同时加工难度低，也没有衍射效应，不会出现严重的色散问题，且能够很好的实现全彩显示。

Description

一种基于微结构的波导型抬头显示系统

技术领域

本实用新型属于光学系统和器件设计领域，尤其是一种基于微结构的波导型抬头显示系统。

背景技术

抬头显示器是一种新型车载显示技术，同时也是一种增强显示技术，可以直接让信息叠加到驾驶员所看到的真实场景中，让驾驶员在驾驶的过程中不用低头看仪表盘，从而提升驾驶的安全性。传统的座舱显示通常可以理解为下显示器，包括中控台、仪表盘等。这些显示器都需要让驾驶员低头并注视在显示器上才能看清信息。抬头显示器作为一种无需改变头部姿势的同时，可以给驾驶员传递信息。抬头显示系统是利用光学系统将驾驶员需要观察的内容投射到前挡风玻璃上，人眼透过挡风玻璃观察外界景象的同时，可以平视观察到HUD投影的虚像，其与外界环境能够很好的融合，不会干扰驾驶员的正常驾驶。目前主要被应用于汽车和飞机领域，用于辅助驾驶员安全驾驶。

现有的车载抬头显示系统主要是利用离轴折反中继结构来设计的，王东平在《车载抬头显示系统的研究》中指出，利用组合镜和中继系统的结合，图像源显示的图像经过离轴反射镜系统使光束投射到挡风玻璃上，再反射成虚像投射到驾驶员眼中。离轴折反中继结构的使用能获得了大的出瞳，离轴反射组合镜的使用增大了系统离轴像差的矫正难度，且传统的抬头显示系统需要配备多个反射镜，整个系统的体积和重量都是相当大的，为了实现较大的eyebox和视场角，其体积很难减小，而车体仪表盘下方的可用空间非常有限，这将不利于抬头显示系统的车内安装。

机载抬头显示系统则是利用全息波导来实现光束的扩展要求，李玉润在《基于平板光波导的微投影光学系统研究》中指出，将衍射光栅组合使用实现光束的耦合输入和耦合输出的，对经过目镜系统准直的光束进行扩展而获得大的出瞳，通过改变衍射光栅不同位置的衍射效率，使光束在波导内多次传播、多次反射及出射，以此来扩展光束的宽度，同时通过调整衍射光栅的衍射效率，可以保证扩展光束各处能量均匀，以此来实现成像要求。但是其系统光能利用率低、加工难度大、由于衍射引起的杂光和色散非常严重且矫正方法复杂，同时很难实现全彩显示。目前的机载抬头显示系统利用波导结构代替离轴折反中继结构，不需要多个反射镜成像，大大减小了抬头显示系统的体积，但由于体光栅具有波长及角度选择性，在大视场及全彩显示方面具有很强的局限性。

实用新型内容

本实用新型所解决的技术问题在于提供一种基于微结构的波导型抬头显示系统，利用微结构与波导结构相结合，实现大出瞳的同时，大大降低了系统的体积，同时加工难度低，也没有衍射效应，不会出现严重的色散问题，且能够很好的实现全彩显示。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：

一种基于微结构的波导型抬头显示系统，包括依次设置的图像源、目镜系统、水平扩展波导和垂直扩展波导，目镜系统用于对图像源发出的光线进行准直形成不同视场的平行光，水平扩展波导用于对目镜系统发出的平行光进行水平方向的出瞳扩展，垂直扩展波导用于对水平扩展波导的出射光进行垂直方向的出瞳扩展；水平扩展波导内置有第一半透半反膜和第一微结构，其中，第一半透半反膜倾斜设置在水平扩展波导内的一端，用于将各视场的平行光束耦合进入水平扩展波导内，并将一部分光束透射出水平扩展波导、将另一部分光束在水平扩展波导内全反射传播；第一微结构水平设置在水平扩展波导的底面，用于将光束从水平扩展波导内反射出去，且第一微结构与第一半透半反膜在水平扩展波导底面的投影不重合；第一微结构包括若干个平行排列的直角三棱柱结构，直角三棱柱的底面一直角边所在的侧面与水平扩展波导的底面重合，且直角三棱柱的侧棱均与第一半透半反膜平行；垂直扩展波导内置有第二半透半反膜和第二微结构，其中，第二半透半反膜倾斜设置在垂直扩展波导内的一端，且第二半透半反膜在垂直扩展波导底面的投影对应水平扩展波导的光出射面，用于将水平扩展波导的出射光束耦合进入垂直扩展波导内，并将一部分光束透射出垂直扩展波导、将另一部分光束在垂直扩展波导内全反射传播；第二微结构水平设置在垂直扩展波导的底面，用于将光束从垂直扩展波导内反射出去，且第二微结构与第二半透半反膜在垂直扩展波导底面的投影不重合；第二微结构包括若干个平行排列的直角三棱柱结构，直角三棱柱的底面一直角边所在的侧面与垂直扩展波导的底面重合，且直角三棱柱的侧棱均与第二半透半反膜平行。

进一步的，本实用新型的基于微结构的波导型抬头显示系统，第二半透半反膜的水平夹角与第一半透半反膜的水平夹角相同。

进一步的，本实用新型的基于微结构的波导型抬头显示系统，第一半透半反膜与第一微结构的直角三棱柱一侧面平行，第二半透半反膜与第二微结构的直角三棱柱一侧面平行。

进一步的，本实用新型的基于微结构的波导型抬头显示系统，第一微结构和第二微结构中每一个直角三棱柱的反射率按照光束传播方向依次为：1/N、1/(N-1)、...、1，其中，N为实现扩展所需的直角三棱柱个数。

进一步的，本实用新型的基于微结构的波导型抬头显示系统，第一半透半反膜和第二半透半反膜的反射率为：

其中，L为光束原有的宽度，XL为光束经过第一半透半反膜或第二半透半反膜后在波导下表面的投影的宽度，N为实现扩展所需的直角三棱柱个数，Q为光束总能量。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本实用新型的基于微结构的波导型抬头显示系统采用半透半反膜在满足使平行光束在波导内进行全反射传播的同时使一部分光透射出去，使其同时参与实现光束的的扩展，将波导耦合部分利用了起来，大大减小了波导的体积。

2、本实用新型的基于微结构的波导型抬头显示系统采用微结构将光束耦合出，不会因为衍射效应出现严重色散问题，且能够很好的实现全彩显示。

3、本实用新型的基于微结构的波导型抬头显示系统实现大出瞳的同时，大大降低了系统的体积，同时加工难度低。

附图说明

图1是本实用新型的基于微结构的波导型抬头显示系统的水平扩展波导和垂直扩展波导结构示意图。

图2是本实用新型的基于微结构的波导型抬头显示系统的水平扩展波导示意图。

图3是本实用新型的基于微结构的波导型抬头显示系统的微结构示意图。

附图标记含义：1、水平扩展波导，2、第一半透半反膜，3、第一微结构区域，4、垂直扩展波导，5、第二半透半反膜，6、第二微结构区域。

具体实施方式

过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

一种基于微结构的波导型抬头显示系统，利用微结构与波导结合，包括图像源、目镜系统、水平扩展波导和垂直扩展波导。水平扩展波导和垂直扩展波导中按照成像需求分布着半透半反膜及微结构。图像源发出的光线经过目镜系统准之后形成不同视场的平行光，平行光经过垂直扩展波导和水平扩展波导后就可以实现垂直方向和水平方向的出瞳扩展，当人眼在系统的出瞳平面上，且在eyebox范围内，就可以获得图像源的图像。

波导利用半透半反膜将各视场平行光束耦合进入波导内，可以在满足使平行光束能够在波导内进行全反射传播的条件下，使一部分光透射出去，使其同时参与实现光束的的扩展，将波导耦合部分利用了起来，大大减小了波导的体积。

波导利用半透半反膜将各视场的平行光束耦合进入波导当中，通过调整半透半反膜的角度，可以使扩展光束之间无间隔，保证了观察时图像不丢失。

波导利用微结构将光束从波导内反射出，首先微结构类型为直角三棱柱结构，其顶角的角度与半透半反膜的倾角相同，保证光束入射角度与出射角度相同。为了实现光束能量的均匀分布，通过调整不同微结构区域中直角三棱柱的之间的间隔来改变微结构区域的反射率，以此来实现能量的均匀分布，同时利用微结构将光束耦合出，不会因为衍射效应出现严重色散问题。

实施例1

一种基于微结构的波导型抬头显示系统，包括依次设置的图像源、目镜系统、水平扩展波导1和垂直扩展波导4，目镜系统用于对图像源发出的光线进行准直形成不同视场的平行光，如图1所示，水平扩展波导1用于对目镜系统发出的平行光进行水平方向的出瞳扩展，垂直扩展波导4用于对水平扩展波导1的出射光进行垂直方向的出瞳扩展。

如图2、图3所示，水平扩展波导1内置有第一半透半反膜2和第一微结构3。其中，第一半透半反膜2倾斜设置在水平扩展波导1内的一端，用于将各视场的平行光束耦合进入水平扩展波导1内，并将一部分光束透射出水平扩展波导1、将另一部分光束在水平扩展波导1内全反射传播。第一微结构3水平设置在水平扩展波导1的底面，用于将光束从水平扩展波导1内反射出去，且第一微结构3与第一半透半反膜2在水平扩展波导1底面的投影不重合。第一微结构3包括若干个平行排列的直角三棱柱结构，直角三棱柱的底面一直角边所在的侧面与水平扩展波导1的底面重合，且直角三棱柱的侧棱均与第一半透半反膜2平行。第一半透半反膜2与第一微结构3的直角三棱柱一侧面平行。

垂直扩展波导4内置有第二半透半反膜5和第二微结构6，第二半透半反膜5的水平夹角与第一半透半反膜2的水平夹角相同。其中，第二半透半反膜5倾斜设置在垂直扩展波导4内的一端，且第二半透半反膜5在垂直扩展波导4底面的投影对应水平扩展波导1的光出射面，用于将水平扩展波导1的出射光束耦合进入垂直扩展波导4内，并将一部分光束透射出垂直扩展波导4、将另一部分光束在垂直扩展波导4内全反射传播。第二微结构6水平设置在垂直扩展波导4的底面，用于将光束从垂直扩展波导4内反射出去，且第二微结构6与第二半透半反膜5在垂直扩展波导4底面的投影不重合。第二微结构6包括若干个平行排列的直角三棱柱结构，直角三棱柱的底面一直角边所在的侧面与垂直扩展波导4的底面重合，且直角三棱柱的侧棱均与第二半透半反膜5平行。第二半透半反膜5与第二微结构6的直角三棱柱一侧面平行。

具体光束传播过程如下：

如图2所示，经过目镜系统准直后的平行光首先进入水平扩展波导当中，经过半透半反膜时，通过调整其反射率，使一部分光透射出去，另一部分光则在波导内依靠全反射继续传播，在微结构区域被反射出，通过改变微结构区域中直角三棱柱之间的间隔来调整微结构区域反射率的大小，使光束在波导内尽可能多的传播，以此来实现光束在水平方向的出瞳扩展。

光束从水平波导内反射出后，经过垂直波导中半透半反膜，一部分光透射出去，另一部分光则在波导内依靠全反射继续传播，在微结构区域被反射出，同样可以通过改变沿光束传播方向微结构区域中棱锥之间的间隔来调整微结构区域反射率的大小，使光束在波导内尽可能多的传播，以此来实现光束在垂直方向的出瞳扩展。

最终实现光束在水平方向和垂直方向的出瞳扩展，在整个过程当中，为了确保到达目标面的光束能量均匀分布，需要适当调整半透半反膜的反射率及微结构的反射率，同时为了保证光束入射时的角度和出射时的角度保持一致，如：垂直入射垂直出射，半透半反膜的倾角应该与微结构中直角三棱柱的顶角角度相同，其结构示意图如附图2所示。

首先，我们根据需要实现的扩展范围设置图像源的尺寸，通过计算光束经过半透半反膜反射后在波导下表面投影宽度的变化，确定需要的微结构数量、尺寸、反射率以及半透半反膜的折射率。若光束原有的宽度为L，光束经过半透半反膜后在波导下表面的投影的宽度扩展为光束原来宽度的X倍，实现扩展目标需要N个微结构。

设光束总能量为Q，则半透半反膜的的反射率为：

微结构的宽度为XL，其反射率按照光束传播方向依次为：1/N、1/(N-1)、...、1，每一个微结构反射能量的能量密度和半透半反膜透射能量的能量密度都为Q/[(1+N×X)×L]。

微结构区域的反射率是通过改变光束传播方向上直角三棱柱之间的间隔来实现的，如：若要实现反射率为1/2，直角三棱柱之间的间隔应该为自身尺寸的一倍。

以上所述仅是本实用新型的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于微结构的波导型抬头显示系统，其特征在于，包括依次设置的图像源、目镜系统、水平扩展波导(1)和垂直扩展波导(4)，目镜系统用于对图像源发出的光线进行准直形成不同视场的平行光，水平扩展波导(1)用于对目镜系统发出的平行光进行水平方向的出瞳扩展，垂直扩展波导(4)用于对水平扩展波导(1)的出射光进行垂直方向的出瞳扩展；

水平扩展波导(1)内置有第一半透半反膜(2)和第一微结构(3)，其中，第一半透半反膜(2)倾斜设置在水平扩展波导(1)内的一端，用于将各视场的平行光束耦合进入水平扩展波导(1)内，并将一部分光束透射出水平扩展波导(1)、将另一部分光束在水平扩展波导(1)内全反射传播；第一微结构(3)水平设置在水平扩展波导(1)的底面，用于将光束从水平扩展波导(1)内反射出去，且第一微结构(3)与第一半透半反膜(2)在水平扩展波导(1)底面的投影不重合；第一微结构(3)包括若干个平行排列的直角三棱柱结构，直角三棱柱的底面一直角边所在的侧面与水平扩展波导(1)的底面重合，且直角三棱柱的侧棱均与第一半透半反膜(2)平行；

垂直扩展波导(4)内置有第二半透半反膜(5)和第二微结构(6)，其中，第二半透半反膜(5)倾斜设置在垂直扩展波导(4)内的一端，且第二半透半反膜(5)在垂直扩展波导(4)底面的投影对应水平扩展波导(1)的光出射面，用于将水平扩展波导(1)的出射光束耦合进入垂直扩展波导(4)内，并将一部分光束透射出垂直扩展波导(4)、将另一部分光束在垂直扩展波导(4)内全反射传播；第二微结构(6)水平设置在垂直扩展波导(4)的底面，用于将光束从垂直扩展波导(4)内反射出去，且第二微结构(6)与第二半透半反膜(5)在垂直扩展波导(4)底面的投影不重合；第二微结构(6)包括若干个平行排列的直角三棱柱结构，直角三棱柱的底面一直角边所在的侧面与垂直扩展波导(4)的底面重合，且直角三棱柱的侧棱均与第二半透半反膜(5)平行。

2.根据权利要求1所述的基于微结构的波导型抬头显示系统，其特征在于，第二半透半反膜(5)的水平夹角与第一半透半反膜(2)的水平夹角相同。

3.根据权利要求1或2所述的基于微结构的波导型抬头显示系统，其特征在于，第一半透半反膜(2)与第一微结构(3)的直角三棱柱一侧面平行，第二半透半反膜(5)与第二微结构(6)的直角三棱柱一侧面平行。

4.根据权利要求1所述的基于微结构的波导型抬头显示系统，其特征在于，第一微结构(3)和第二微结构(6)中每一个直角三棱柱的反射率按照光束传播方向依次为：1/N、1/(N-1)、...、1，其中，N为实现扩展所需的直角三棱柱个数。

5.根据权利要求1所述的基于微结构的波导型抬头显示系统，其特征在于，第一半透半反膜(2)和第二半透半反膜(5)的反射率为：

其中，L为光束原有的宽度，XL为光束经过第一半透半反膜(2)或第二半透半反膜(5)后在波导下表面的投影的宽度，N为实现扩展所需的直角三棱柱个数，Q为光束总能量。

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