CN213092010U - 一种抬头显示装置及机动车 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种抬头显示装置和机动车，该抬头显示装置包括光源、第一光线聚集元件、光扩散元件、液晶面板和第二光线聚集元件；光源出射光线，导光元件包括出光面，出光面朝向第一光线聚集元件，光线经导光元件内部传输，从出光面出射至第一光线聚集元件；第一光线聚集元件将光线聚集，并传输至液晶面板；液晶面板将光线转化为图像光线；第二光线聚集元件将图像光线聚集，并将图像光线反射至第一预定区域；光扩散元件将聚集至第一预定区域的光线扩散至第二预定区域；导光元件、第一光线聚集元件及液晶面板依次设置在光源与第二光线聚集元件之间，抬头显示装置可在提升图像亮度的同时降低功耗。

Description

一种抬头显示装置及机动车

技术领域

本实用新型属于光学显示技术领域，具体涉及一种抬头显示装置，以及包括该抬头显示装置的机动车。

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，由于成像窗本身是透明的，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。

现有HUD的像源多数为液晶显示器(liquid crystal display，LCD)。若HUD采用传统的LCD像源，HUD通过成像窗上显示成像的亮度较低，一般通过提高LCD图像源的亮度来保证HUD在成像窗上显示成像的亮度。但现有图像源一般只是在背光光源的出光方向上设置简单的聚光装置如反光杯，仅依靠反光杯对光源发出的光线进行控制，但反光杯对光的控制效果较差，部分光线的出射角度较大，从而导致部分光线无法到达驾驶员的眼睛，而不能被有效利用，导致现有HUD装置的光线利用率低，整体光效较低，画面亮度不足，而要获得足够的画面的亮度就会产生较高的电功耗，这些都限制了HUD的进一步推广应用。

实用新型内容

为了克服现有技术中抬头显示装置光线利用率低的问题，本实用新型提供一种抬头显示装置，包括：光源、导光元件、第一光线聚集元件、光扩散元件、液晶面板和第二光线聚集元件；所述光源出射光线；所述导光元件包括出光面，所述出光面朝向所述第一光线聚集元件，光线经所述导光元件内部传输，从所述出光面出射至所述第一光线聚集元件；所述第一光线聚集元件将光线聚集，并传输至所述液晶面板；所述液晶面板将光线转化为图像光线；所述第二光线聚集元件将所述图像光线聚集，并将所述图像光线反射至第一预定区域；所述光扩散元件将聚集至所述第一预定区域的光线扩散至第二预定区域；所述导光元件、所述第一光线聚集元件及所述液晶面板依次设置在所述光源与所述第二光线聚集元件之间。

根据本实用新型的一些实施例提供的抬头显示装置，所述抬头显示装置还包括：透反元件；所述透反元件设置在所述第二光线聚集元件与所述第一预定区域之间；所述第二光线聚集元件聚集并反射的图像光线，经所述透反元件反射至所述第一预定区域。

根据本实用新型的一些实施例提供的抬头显示装置，所述光扩散元件设置在所述第一光线聚集元件与所述液晶面板之间。

根据本实用新型的一些实施例提供的抬头显示装置，所述光扩散元件贴合设置在所述液晶面板靠近所述第二光线聚集元件的一侧。

根据本实用新型的一些实施例提供的抬头显示装置，所述抬头显示装置还包括：反射元件；所述反射元件设置在所述第二光线聚集元件与所述透反元件之间；或所述反射元件设置在所述液晶面板与所述第二光线聚集元件之间。

根据本实用新型的一些实施例提供的抬头显示装置，所述导光元件包括实心透明部件；所述实心透明部件包括设置所述光源的端部，所述实心透明部件的折射率大于1；所述光源发出的第一光线在所述实心透明部件的内反射面上发生全反射并传输至所述出光面，出射至第一光线聚集元件；所述光源发出的第二光线在所述实心透明部件内传输至所述出光面，出射至第一光线聚集元件。

根据本实用新型的一些实施例提供的抬头显示装置，所述抬头显示装置还包括：准直元件；所述准直元件设置在所述光源与所述第一光线聚集元件之间，所述准直元件将所述光源发出的光线调整为平行光线。

根据本实用新型的一些实施例提供的抬头显示装置，所述准直元件贴合设置在所述实心透明部件的出光面外侧。

根据本实用新型的一些实施例提供的抬头显示装置，所述实心透明部件设置所述光源的端部设有空腔，所述准直元件设置在所述空腔靠近所述出光面的一面。

根据本实用新型的一些实施例提供的抬头显示装置，所述实心透明部件设置所述光源的端部设有空腔，且所述实心透明部件的出光面设有向端部延伸的开孔，所述准直元件设置在所述开孔靠近所述端部的底面。

根据本实用新型的一些实施例提供的抬头显示装置，所述第一光线聚集元件包括凸透镜、凹透镜、菲涅尔透镜或以上几种透镜组合中的至少一种。

根据本实用新型的一些实施例提供的抬头显示装置，所述第二光线聚集元件包括至少一个曲面反射镜；且所述图像光线在所述曲面反射镜的凹面上聚集并反射。

根据本实用新型的一些实施例提供的抬头显示装置，所述反射元件包括至少一个平面反射镜。

根据本实用新型的一些实施例提供的抬头显示装置，所述光扩散元件包括衍射光学元件和散射光学元件中的至少一种。

本实用新型实施例还提供一种机动车，包括上述任一抬头显示装置。

本实用新型实施例提供的上述方案中，通过导光元件200、第一光线聚集元件300和第二光线聚集元件600等将光源100发出的光线聚集在第一预定区域A1内，使光线尽量都集中在观察区域内，提高光线的利用率和画面亮度；同时设置光扩散元件400，将聚集在较小区域内的光线扩散到较大的区域，使得双眼位置在第二预定区域A2内的观察者如驾驶员或乘客，在一定的范围内都可以观察到抬头显示装置的图像，可以避免光束到达到不需要到达的位置，以增大成像的亮度和/或降低光源的功耗。

本公开的实施例还提供一种机动车，包括上述任一抬头显示装置，可以使驾驶员在驾驶过程中无需低头看仪表盘就可以直接看到更加丰富的信息，比如导航地图、复杂的安全信息等，并且因在抬头显示装置中设置了第一光线聚集元件300、第二光线聚集元件600和光扩散元件400，使得显示装置具有低功耗，且第二预定区域A2的显示具有高亮度，可以较好的满足驾驶员掌控车辆行驶中各类信息的需求。

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抬头显示装置的结构示意图一；

图2显示了本实用新型一个实施例抬头显示装置的结构示意图二；

图3显示了本实用新型一个实施例抬头显示装置的结构示意图三；

图4显示了本实用新型一个实施例抬头显示装置的结构示意图四；

图5显示了本实用新型一个实施例抬头显示装置中的第一光线聚集元件的示意图；

图6显示了本实用新型一个实施例抬头显示装置中的光扩散元件的示意图一；

图7显示了本实用新型一个实施例抬头显示装置中的光扩散元件的示意图二；

图8显示了本实用新型一个实施例抬头显示装置中具有准直元件的示意图一；

图9显示了本实用新型一个实施例抬头显示装置中具有准直元件的示意图二；

图10显示了本实用新型一个实施例抬头显示装置中具有准直元件的示意图三；

图11显示了本实用新型一个实施例抬头显示装置中的液晶面板的示意图。

标号说明：100-光源；200-导光元件；300-第一光线聚集元件；400-光扩散元件；500-液晶面板；600-第二光线聚集元件；700-透反元件；800-反射元件；900-准直元件；201-实心透明部件；2001-出光面；2011-实心透明部件端部；2012-实心透明部件空腔；2013-实心透明部件开孔。

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。

本实施例提供一种抬头显示装置，参见图1所示，图1为本实用新型实施例提供的一种抬头显示装置的示意图，抬头显示装置包括光源100、导光元件200、第一光线聚集元件300、光扩散元件400、液晶面板500和第二光线聚集元件600。如图1，所述光源出射光线，导光元件200包括出光面2001，出光面2001朝向第一光线聚集元件300，光线经导光元件200内部传输，从出光面2001出射至第一光线聚集元件300；第一光线聚集元件300将光线聚集，并传输至液晶面板500，液晶面板500将光线转化为图像光线；第二光线聚集元件600将图像光线聚集，并将图像光线反射至第一预定区域A1；光扩散元件400将聚集至第一预定区域A1的光线扩散至第二预定区域A2，导光元件200、第一光线聚集元件300及液晶面板500依次设置在光源100与第二光线聚集元件600之间。

本实施例中，光源100出射光线，光源100可以为点光源、线光源或面光源，光源100的数量可以为一个或多个，对此不做限制；光源100包括至少一个电致发光元件，电致发光元件通过电场激发产生光线，包括但不限于包括但不限于发光二极管(Light EmittingDiode,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 FluorescentLamp，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。

如图1所示，导光元件200包括出光面2001，出光面2001朝向第一光线聚集元件300，光线经导光元件200内传输，从出光面2001出射至第一光线聚集元件300。光源100发出的光线一般具有一定的发散角，如LED发出的光线具有60°、90°或120°的发散角，而发散角度较大的光线难以被液晶面板500利用成像。因此，光源100发出的具有一定发散角度的光线，如60°的发散光线会出射至导光元件，导光元件200会将光源100发出的大发散角度的光线聚拢，聚拢后的光线出射至第一光线聚集元件300。可以理解，通过导光元件传输的光线，可以是光源100直接发出的光线，如图1所示；也可以是光源100间接发出的光线，即光源100发出的光线经过其他元件再到达导光元件200，本实施例对此不做限定。通过设置导光元件300，可将光源100发出的具有一定发散角度的光线聚拢，使得尽可能多的光线被利用成像，提高光线利用率。

如图1所示，第一光线聚集元件300将光线聚集，从出光面2001出射的光线经过第一光线聚集元件300后聚集，以使得更多的光线最终可以到达第一预定区域A1，提高光的利用率。第一光线聚集元件300具体是通过改变光束的光轴，以使得多条光线汇聚，使得光线的传播方向可控，以使得更多的光线最终可到达第一预定区域A1。例如，第一光线聚集元件300包括可以聚焦光线的光学元件，使得多条光线可以聚焦到一点或一个很小的区域，但不限于此。

如图1所示，液晶面板500将光线转化为图像光线并出射。本领域技术人员可以理解，光线经过液晶面板500后，会转变为包括图像信息的图像光线。因液晶面板500不改变光束的主光轴方向，因此光线经过液晶面板500后，传播方向不变。

如图1所示，图像光线出射至第二光线聚集元件600，第二光线聚集元件600将图像光线聚集，并将图像光线反射至第一预定区域A1。可选的，第二光线聚集元件600包括至少一个曲面反射镜，如图1中以曲面反射镜为例进行说明；进一步地，当第二光线聚集元件600为曲面反射镜时，图像光线是通过曲面反射镜的凹面聚集并反射。设置曲面反射镜，目的是将光线进一步聚集，使光线最终尽量都聚集到第一预定区域A1内，提高光线利用率。

如图1所示，光扩散元件400将聚集至第一预定区域A1的光线扩散至第二预定区域A2，光扩散元件400具体是扩散经过光扩散元件400的光但不改变光轴。图1中以虚线标识光线的光轴，可以看出，经过光扩散元件400的光沿其光轴扩散，扩散后的光线最终聚集在第二预定区域A2。具体的，光扩散元件400扩散第一光线聚集元件300聚集的光线，以可以扩展观察区域的范围；经过光扩散元件400的光束中的光线向四外分散，但光束的光轴不变，也即传播方向不变。例如，入射到光扩散元件400的光束的截面的面积小于经过光扩散元件400后的光束的截面。例如，在本公开的实施例中，“光轴”指光束的中心线，可指光的主要的传播方向。或者可以说，本实施例抬头显示装置仅去除光扩散元件400，保留光源100、导光元件200、第一光线聚集元件300、液晶面板500及第二光线聚集元件600等的情况下，光源100出射的光最终会聚集到第一预定区域A1内，图1中以虚线表示。设置光扩散元件400，光线会沿光轴扩散，因此扩散后的光线最终会聚集在第二预定区域A2，且第二预定区域A2的面积大于第一预定区域A1的面积。

如果不设置光扩散元件400，光源100出射的光最终会聚集并落入第一预定区域A1。此情况下，虽然对光进行了高效利用，但此时只有在第一预定区域A1这个很小的区域内，才能观察到图像。光扩散元件400可将光线进行精准的扩散，扩散后的光可覆盖第二预定区域A2，实现高光效的同时也不会影响正常的观察。也就是说，在导光元件200、第一光线聚集元件300和第二光线聚集元件600等对光束进行聚集和光扩散元件400对线进行扩散的共同作用下，能够将光线分布在第二预定区域A2，从而能够提高光的利用率以及提高光效。如图1所示，图1中的虚线代表未设置光扩散元件400时的光线光轴，也可认为是未设置光扩散元件400时光线原本的传播方向，可以看出光线均汇聚在第一预定区域A1，设置光扩散元件400后，光线则覆盖第二预定区域A2。可以理解，扩散的光束可大于第二预定区域A2，只要完全覆盖第二预定区域A2即可。例如，设置光扩散元件400后，扩散的光束恰好覆盖第二预定区域A2，此时抬头显示装置的光效最高。

如图1所示，导光元件200、第一光线聚集元件300及液晶面板500依次设置在光源100与第二光线聚集元件600之间。光源100出射光线，光线经过导光元件200后，大发散角度的光线聚拢，光线传播至第一光线聚集元件300；光线经过第一光线控制元件300后进一步聚集，聚集后的光线传输至液晶面板500，液晶面板500将光线转化为图像光线，第二光线聚集元件600将图像光线聚集并反射至第一预定区域A1。可选的，在一些实施例中，例如，第一光线聚集元件300与光扩散元件400贴合，光扩散元件400与液晶面板500贴合，但不限于此；在另外一些实施例中，第一光线聚集元件300、光扩散元件400和液晶面板500也可以贴合设置或一体形成。

具体的，上述“第一预定区域”指一平面观察区域，从光源100出射的光经过上述除光扩散元件400外的一系列元件后，光线到达第一预定区域所在的平面，该平面中的第一预定区域A1内聚集了除杂散光以外的大部分光，且聚集在第一预定区域A1的光遍布于第二预定区域A2，被聚集的光线的光轴基本都均聚集在上述第一预定区域A1中，其他角度的光(例如杂散光)可能不会聚集到第一预定区域A1；上述“第二预定区域”是指从光源100出射的光经过了上述所有光学元件后到达上述第二预定区域所在的平面，该平面中的第二预定区域A2内聚集了大部分光(例如入射到第二预定区域A2所在的平面的光束中的90％以上光强的光聚集在了第二预定区域A2，入射到第二预定区域A2所在的平面的光束中的80％以上光强的光聚集在了第二预定区域A2，或者入射到第二预定区域A2所在的平面的光束中的60％以上光强的光聚集在了第二预定区域A2)，且入射到第二预定区域A2的光遍布于第二预定区域A2。例如，第一预定区域A1可以为面积很小的区域，如可能为一个点；例如，第二预定区域A2的面积与第一预定区域A1的面积之比可以大于4。例如，第二预定区域A2的面积与第一预定区域A1的面积之比可以为5～100。例如，第二预定区域A2的面积与第一预定区域A1的面积之比可以为20～200。第二预定区域A2的面积与第一预定区域A1的面积之比越大，越可以在保证画面的亮度的同时降低功耗。由此，光源100出射的光可以被精确地聚集到第一预定区域，再将光线扩散，将第一预定区域A1扩大为第二预定区域A2，例如在上述光扩散元件400具有精确可控的扩散功能时，上述第二预定区域A2也是对第一预定区域进行精确可控的扩散而得到的区域，从而可以避免光束投射到不需要投射的位置，在节省功耗的同时还可以增大可视范围。

可以理解，抬头显示装置在使用时，还会配合可反射成像的元件，如挡风玻璃或成像窗，抬头显示装置出射的光线在挡风玻璃或成像窗上发生反射，驾驶员或乘客就可以看到虚像。参见图2所示，图2为本实用新型另一实施例提供的一种抬头显示装置的示意图。与图1相比，图2中的抬头显示装置设置了透反元件700。也即，“第二光线聚集元件600将图像光线聚集，并将图像光线反射至第一预定区域A1”可以指从第二光线聚集元件600聚集并反射后可直接到达第一预定区域A1(如图1所示)，也可以经过其他光学元件的作用后再到达第一预定区域A1(如图2所示)，本实用新型实施例在设置透反元件700或未设置透反元件700的情况下均可实施。例如，透反元件700可为挡风玻璃或成像窗，外部环境的光线也可以经过透反元件700透射至第一预定区域A1和第二预定区域A2。例如，透反元件700可以为交通工具的挡风玻璃，外部环境可以为交通工具挡风玻璃外侧的环境，观察区域可以为交通工具挡风玻璃内侧的观察者，如乘客或驾驶员的观察区域，观察者可以看到反射所成的虚像，同时还可观察到交通工具外部的情况，不影响正常驾驶。可选的，通过挡风玻璃成像即为W-HUD(windshield-HUD)，通过成像窗成像即为C-HUD(Combiner-HUD),成像窗一般为透明材料制成、带有一定曲率的曲面成像板。因挡风玻璃为曲面面形，光线在挡风玻璃或带有曲率的成像窗上反射时，光线也会聚集，即透反元件700也会进一步控制光线，促使反射光线向第一预定区域A1聚集。可选的，透反元件700为挡风玻璃时，可增设楔形膜，楔形膜设置在挡风玻璃的夹层内，楔形膜可消除重影。

如图2所示，第二光线聚集元件600出射的光线在到达第二预定区域A2之前，会被透反元件700反射，反射后的光线聚集至第二预定区域A2。可以理解，图2对应的实施例中的第一预定区域A1和第二预定区域A2所在的位置，是图1对应的实施例中的第一预定区域A1和第二预定区域A2各自相对于透反元件700的镜像位置；也即，图2对应的实施例中的第一预定区域A1和第二预定区域A2相对于透反元件700所成的虚像的位置，是图1对应的实施例中的第一预定区域A1和第二预定区域A2各自的位置。例如，可以根据实际需求预设观察者需要观看成像的区域，如眼盒区域(eyebox)，眼盒区域是指观察者双眼所在的、可以看到显示装置显示的图像的平面区域；例如，第二预定区域A2可以包括眼盒区域，第一预定区域A1可以包括眼盒区域的中心。例如，观察者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，只要观察者双眼仍处于眼盒区域内，观察者仍然可以看到显示装置显示的图像。例如，以眼盒区域内的不同位置作为观察点，如眼盒中心或眼盒边缘作为观察点，观看到的虚像位置也是不同的，但差异较小，可以忽略，可以认为在眼盒区域内观察图像，虚像的位置是基本固定的，光线在透反元件700上发生反射的位置也是基本固定的。

本实用新型实施例提供的抬头显示装置，通过导光元件200、第一光线聚集元件300和第二光线聚集元件600等将光源100发出的光线聚集在第一预定区域A1内，使光线尽量都集中在观察区域内，提高光线的利用率和画面亮度；同时设置光扩散元件400，将聚集在较小区域内的光线扩散到较大的区域，使得双眼位置在第二预定区域内的观察者如驾驶员或乘客，在一定的范围内都可以观察到抬头显示装置的图像，可以避免光束到达到不需要到达的位置，以增大成像的亮度和/或降低光源的功耗。例如，本公开的实施例提供的显示装置的显示装置的成像亮度可达12000尼特，成像亮度具体为眼盒区域内看到的经透反元件700反射后的成像的亮度。例如，以上实验条件为FOV大小为5°×2.3°，光源的功耗为1W。5°×2.3°表示水平FOV为5°，垂直FOV为2.3°。

在本实用新型上述实施例的基础上，可选的，光扩散元件400可位于第一光线聚集元件300和液晶面板500之间，如图1和图2所示；但不限于此，在其他的实施例中，可以调整光扩散元件300的位置，例如，在一些实施例中，光扩散元件400位于液晶面板500的远离第一光线聚集元件300的一侧，如图3所示；需要注意的是，在这种实施方式中，光扩散元件400需要贴合设置在液晶面板500远离第一光线聚集元件300的一侧，如果不贴合设置，图像光线经过扩散后最终的成像会变得模糊不清，贴合设置则可以避免此问题。在另一些实施例中，可以在第一光线聚集元件300和液晶面板500之间以及液晶面板500的远离第一光线聚集元件300的一侧均设置光扩散元件400，以更好地扩散光线，进一步提升光线分布的均匀度。

在本实用新型上述实施例的基础上，可选的，抬头显示装置还包括反射元件800，反射元件800设置在第二光线聚集元件600与透反元件700之间，或反射元件800设置在液晶面板500与第二光线聚集元件600之间，如图4所示。图4中为方便描述，仅在图中绘出了液晶面板500，但应当理解，图4对应的实施例中，抬头显示装置包括光源100、导光元件200、第一光线聚集元件300和光扩散元件400等。图4以液晶面板500上一个像素点出射的图像光线为例进行说明，图像光线在反射元件800上发生反射，反射后的图像光线再到达第二光线聚集元件600，进而聚集和反射，图像光线再经透反元件700反射到达第二预定区域A2，或直接到达第二预定区域A2；或者，反射元件800也可以设置在第二光线聚集元件600和透反元件700之间，第二光线聚集元件600聚集和反射后的图像光线在反射元件800上发生反射，反射后的光线再经透反元件700反射到达第二预定区域A2，或直接到达第二预定区域A2。可选的，反射元件800包括至少一个平面反射镜；平面反射镜包括镀铝、镀银或镀介质膜的平面反射镜，光线经过平面反射镜主要发生镜面反射。通过设置反射元件800，光线经反射后可提高空间利用率，可以缩小抬头显示装置的体积，进一步提升抬头显示器的使用范围。

在本实用新型上述实施例的基础上，可选的，导光元件200包括实心透明部件201，实心透明部件201包括设置光源100的端部2011，实心透明部件的折射率大于1，光源100发出的第一光线在实心透明部件的内反射面上发生全反射并传输至出光面2001，出射至第一光线聚集元件300；光源100发出的第二光线在实心透明部件201内传输至出光面2001，出射至第一光线聚集元件300。如图1、图5所示，光源100设置在实心透明部件201的端部2011，具体是指光源100设置在端部2011的外侧，可紧贴或与端部2011保持一定的距离。实心透明部件201的截面从端部2011向出光面2001逐渐变大，实心透明部件201的内反射面，具体是指实心透明部件201与外部介质(如空气)交界处的内表面，本领域技术人员可以理解，当光线由光密介质(如实心透明部件)射向光疏介质(如空气)时，满足全反射角度的光线会在光密介质与光疏介质的界面上发生全反射。优选地，实心透明部件201的内反射面可为圆锥面形状、抛物面形状或自由曲面形状。图5中以点划线代表光源100发出的第一光线，第一光线在内反射面上发生全反射，全反射光线传输至出光面2001，再折射出实心透明部件201(本实用新型附图中未绘制折射出实心透明部件201的过程)，射向第一光线聚集元件300；图5中的实线光线则代表光源100发出的第二光线，第二光线直接在实心透明部件内部传播，再折射出实心透明部件201(本实用新型附图中未绘制折射出实心透明部件201的过程)，射向第一光线聚集元件300。例如，第一光线包括上述光源100发出的分散角度较大的光线；第二光线包括光源100发出的分散角度较小的光线。为了提高光源100发出光线的利用率，从出光面2001出射的光的大部分都入射到第一光线聚集元件300，例如，从出光面2001出射的光大约有大于或等于80％的光入射到第一光线聚集元件300，但不限于此。从出光面2001出射的光入射到第一光线聚集元件300上的光线越多，可控光线越多，第二预定区域A2内观察到的图像/虚像的亮度越大。

可以理解，第一光线在内反射面上除了发生全反射外，也可能发生部分镜面反射，反射后的光线也会射向出光面2001并射向第一光线聚集元件300；可选的，实心透明部件的外侧可进一步设置反射层，如镀铝、镀银或镀介质膜，反射层的反射率可为50％～95％；设置反射层可以使不满足全反射角度条件的部分第一光线进一步反射，提高光线利用率。

本实施例中，通过设置实心透明部件201，光源100发出的第一光线(分散角度较大的光线)在实心透明部件201的内反射面上发生全发射并传输至第一光线聚集元件300，光源100发出的第二光线直接传输至第一光线聚集元件300，可将光源100发出的分散角度较大的光线聚拢，使尽可能多的光线都能传输至第一光线聚集元件300，进一步提高光线利用率。

在本实用新型上述实施例的基础上，图5也示出了本实施例中第一光线聚集元件300的作用示意图。如图5所示，第一光线聚集元件300将光线聚集，光线包括导光元件200出射的光线；第一光线聚集元件300用于对光线进行方向控制，将光线聚集至预定范围，提高光的利用率。具体的，第一光线聚集元件300可为透镜或透镜组合，如凸透镜、凹透镜、菲涅尔透镜或透镜组合等，透镜组合包括凸透镜、凹透镜或菲涅尔透镜中的一种或几种的组合。图5中以第一光线聚集元件300为凸透镜为例进行示意说明。例如，第一光线聚集元件300采用单一透镜的情况下，第一光线聚集元件300的焦距为50mm-250mm。当第一光线聚集元件300采用透镜组合时，透镜组合的等效焦距为50mm-250mm。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，设置第一光线聚集元件300的目的在于对具有一定分散角度的光线进行聚拢，提高光的利用率；优选地，第一光线聚集元件300可将光线尽量聚集至第二预定范围A2内，光线后续再经过第二光线聚集元件600的聚集和反射，就能使尽可能多的光线都聚集在第一预定范围A1内。图5中以第一光线聚集元件300对应一个导光元件200为例进行说明，在其他的实施例中，一个第一光线聚集元件300可以对应多个导光元件200。

在本实用新型上述实施例的基础上，图6为示出了本实施例中光扩散元件400的示意图。图6以光扩散元件400设置在第一光线聚集元件300与液晶面板500之间为例进行示意，光扩散元件400将第一光线聚集元件300聚集后的光线扩散为具有一定分布角度的光束，扩散角度越小，光束的亮度越高，扩散角度越大，光束的亮度越小。图6中的虚线代表光线原本的传播方向，可以看出光扩散元件400不会改变聚集后的光线的主要传播方向和聚集状态，是将聚集后的光线以一定角度进行扩散，以增加光的扩散程度，可以使光分布在一定区域内。在图6所示的实施例中，第一光线聚集元件300聚集的光线经过光扩散元件400后沿原传播方向扩散，扩散后的光线再经过液晶面板500转化为图像光线，图像光线再经第二光线聚集元件600聚集和反射，直接到达或经透反元件700反射后到达第二预定区域A2；当光扩散元件400贴合设置在液晶面板500远离第一光线聚集元件300的一侧时，光扩散元件400将图像光线扩散，图像光线再经第二光线聚集元件600聚集和反射，直接到达或经透反元件700反射后到达第二预定区域A2，也即光扩散元件400将聚集至第一预定区域A1的光线扩散至第二预定区域A2。

例如，光扩散元件400包括衍射光学元件和散射光学元件至少之一。例如，光扩散元件400可以为成本较低的散射光学元件，如匀光片、扩散片等。光束透过匀光片等散射光学元件时会发生散射，还会发生少量的衍射，但散射起主要作用，光束透过散射光学元件后会形成较大的光斑；例如，光扩散元件400也可以为对扩散效果控制更加精确的衍射光学元件(Diffractive Optical Elements,DOE)，例如光束整形片(Beam Shaper)等。例如，衍射光学元件通过在表面设计微结构，从而通过衍射起到光束扩散的作用，光斑较小，且光斑的大小和形状可控。光线经过光束整形元件之后，会扩散开来并且形成一个具有预定截面形状的光束，截面形状包括但不限于线形、圆形、椭圆形、正方形或长方形。通过控制衍射光学元件的微观结构，可以精准控制光线的弥扩散角和截面形状等，实现对扩散作用的精确控制。例如，经过光扩散元件400后射向第二预定区域A2的扩散光束的预设截面形状对应第二预定区域A2的形状。例如，第二预定区域A2对应设置为眼盒区域时，因眼盒区域一般为矩形，因此可选择能扩散矩形截面形状光束的衍射光学元件；本领域技术人员通过想要达成的预定截面形状的光束，可设计出相应的微结构，从而，本公开的实施例中未对微结构的具体结构做详细描述。

进一步地，图7示出了光线经过光扩散元件400扩散为光束的示意图，图中以光线经过光扩散元件400后扩散为截面为圆形的光束为例进行说明，光线经过光扩散元件400后以一定的扩散角发生扩散，且扩散角是精准可控的扩散。如图7所示，扩散后的光束的光轴与入射到光扩散元件400上的光线的光轴位于同一直线上，即经过光扩散元件400的光束的光轴不变，扩散后的光束光线沿其光轴扩散开一定的角度，图7中以边缘处的光线为例进行说明。例如，光扩散元件400在第一方向上的扩散角α范围为5°至20°，但不限于此；第一方向为平行于光扩散元件400的方向，如图7中光扩散元件400所在平面为yz平面，第一方向可为沿y轴的方向，光扩散元件400在第一方向上的扩散角α是指光扩散元件400在第一方向上的两条最大视线轴之间的夹角，也即上述扩散后的光束在第一方向上两条边缘光线之间的夹角；光扩散元件400在第一方向上的扩散角α还可以根据需要采用其他的数值范围。例如，如图7所示，光扩散元件400在第二方向上的扩散角β范围为5°至20°，但不限于此。第二方向为平行于光扩散元件400的方向，并且第二方向垂直于第一方向，如图7中光扩散元件400所在平面为yz平面，第二方向可为沿z轴的方向，光扩散元件400在第二方向上的扩散角β是指光扩散元件400在第二方向上的两条最大视线轴之间的夹角，也即上述扩散后的光束在第二方向上两条边缘光线之间的夹角；光扩散元件400在第二方向上的扩散角β还可以根据需要采用其他的数值范围。例如，图7中光线经过光扩散元件400后形成的光斑为圆形光时，扩散角为光斑边缘光线与光轴之间的夹角，且各方向扩散角均相同；例如，光线经光扩散元件400后的光斑可以为矩形，上述第一方向为矩形长边的延伸方向，第二方向为矩形短边的延伸方向，则上述第一方向的扩散角指与矩形光斑的长边两端连接的光线之间的夹角，上述第二方向的扩散角指与矩形光斑的短边两端连接的光线之间的夹角。

例如，第一方向垂直于第一光线聚集元件300、光扩散元件400和液晶面板500的排列方向，第二方向垂直于第一光线聚集元件300、光扩散元件400和液晶面板500的排列方向，参考图1、图2和图6，第一光线聚集元件300、光扩散元件400和液晶面板500的排列方向垂直于第一方向，并且垂直于第二方向，上述多个元件的排列方向垂直于光扩散元件400的通过光的表面。图6中以光线垂直入射到光扩散元件400为例，但也可以其他角度入射到光扩散元件400。例如，对于光扩散元件400，光束扩散后的传播角度和光斑尺寸决定了最终成像的亮度及可视范围，可视范围具体可为第二预定区域A2，扩散角度越小，成像亮度越高，第二预定区域A2的范围也越小；反之亦然。

在本实用新型上述实施例的基础上，可选的，抬头显示装置还包括准直元件900，如图8所示，准直元件900设置在光源100与第一光线聚集元件300之间，准直元件900将光源100发出的光线调整为平行光线。在具有准直元件900的抬头显示装置中，第一光线聚集元件300对准直平行的光线更容易控制，聚集效果更好。例如，如图8所示，光源100发出的光分为两部分，一部分光(小发散角度的光线)直接入射到准直元件900被准直元件900准直变为平行光，另一部分光(大发散角度的光以及大发散角度的光线在导光元件200内反射面反射后的光线)被准直元件900调整方向后入射到第一光线聚集元件300。

例如，准直元件900可为准直透镜或准直膜，准直透镜包括凸透镜、菲涅尔透镜、透镜组合(例如凸透镜与凹透镜的组合，菲涅尔透镜与凹透镜的组合等)中的一种或多种。例如，准直透镜可以为凸透镜，则光源100可以设置在作为准直透镜的凸透镜的焦点处，即作为准直透镜的凸透镜与光源100位置之间的距离为该凸透镜的焦距，以使得光源100发出的不同方向的光线经准直元件900后可以平行射出；例如，准直透镜贴合设置在实心透明部件201的出光面2001外侧，准直透镜的尺寸大于或等于出光面2001的尺寸，例如，准直透镜还可以与实心透明部件201一体成型；准直膜可为BEF膜(Brightness Enhancement Film)，用于将光线的出射方向调整至预设角度范围内，例如将光线聚集在准直膜法线的±35°的角度范围内。

例如，实心透明部件201设置光源100的端部2011处设有空腔2012，准直元件900设置在空腔2012靠近出光面2001的一面，如图9所示。光源100设置在空腔2012内，准直元件900设置在实心透明部件201的中间位置，且准直元件900的尺寸小于实心透明部件出光面2001的尺寸；准直元件900将实心透明部件内的光源100发出的部分光线进行准直后发射至液晶面板500；其他出射角度较大的光线在实心透明部件201内发生全反射后再出射；例如，准直元件900为准直透镜，光源100设置在准直透镜的焦点处，准直透镜可采取与实心透明部件201相同的材质，便于一体集成。

例如，实心透明部件201设置光源100的端部2011处设有空腔2012，且实心透明部件的出光面2001设有开孔2013，准直元件900设置在开孔2013靠近端部2011的底面，如图10所示。光源100设置在空腔2012内，实心透明部件201在靠近出光面2001的端部2011的中间位置设有开孔2013，准直元件900设置在开孔2013靠近端部2011的底面；准直元件900将实心透明部件201内的光源100发出的部分光线进行准直后发射至液晶面板500；其他出射角度较大的光线在实心透明部件201内发生全反射后再出射；可选的，准直元件900为准直透镜，光源100设置在准直透镜的焦点处，准直透镜可采取与实心透明部件相同的材质，便于一体集成。

本实施例中，通过结合准直元件900和导光元件200，可以更加有效地对光源100发出的光线进行聚拢和准直，进一步提高光线利用率，进而提升抬头显示装置的画面亮度和降低功耗。

例如，一个液晶面板500对应配置一个光源100和一个导光元件。即，一个液晶面板500的背光来自一个光源100。

例如，一个导光元件200对应设置一个或多个光源100，多个光源100位于实心透明部件的端部2011，多个光源100可呈线性排布或矩阵排布，进一步多个光源100可分别设置白光LED、红光LED、绿光LED和蓝光的LED至少之一，但不限于此；在导光元件200对应设置的光源100为一个的情况下，一个点光源发出的光线更易控制，更利于提高光的利用率。

例如，导光元件200在出光面2001的形状可与液晶面板500的形状相匹配，即，出光面2001的形状可与液晶面板500的形状相同。例如，在一些实施例中，出光面2001的形状与液晶面板500的形状均为矩形，但不限于此。在其他的实施例中，出光面2001的形状与液晶面板500的形状也可以均为圆形、正方形或椭圆形等其他形状。

例如，如图11所示，液晶面板500包括第一偏振控制元件501、液晶层502和第二偏振控制元件503，第一偏振控制元件501透射第一偏振特性的光线，第二偏振控制元件503透射第二偏振特性的光线；第一偏振特性的光线与第二偏振特性的光线偏振方向正交。具体的，液晶层502包括扭曲向列型(Twisted Nematic,TN)液晶、高扭曲向列型(High TwistedNematic,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)液晶或蓝相液晶等。第一偏振特性的光线与第二偏振状态的光线的偏振方向正交，偏振状态具体可以包括线偏振、椭圆偏振、圆偏振等；具体的，第一偏振特性的光线为水平线性偏振光，第二偏振特性的光线为垂直线性偏振光；或第一偏振特性的光线为垂直线性偏振光，第二偏振特性的光线为水平线性偏振光；或第一偏振特性的光线为左旋圆偏振光，第二偏振特性的光线为右旋圆偏振光；或第一偏振特性的光线为右旋圆偏振光，第二偏振特性的光线为左旋圆偏振光；或第一偏振特性的光线为左旋椭圆偏振光，第二偏振特性的光线为右旋椭圆偏振光；或第一偏振特性的光线为右旋椭圆偏振光，第二偏振特性的光线为左旋椭圆偏振光，通过设置第一偏振控制元件501、液晶层502和第二偏振控制元件503将光线转化为图像光线，不同区域的观察者就可以看到图像。

可选的，抬头显示装置还包括偏振控制元件504，偏振控制元件位于光源100和液晶面板500之间，偏振控制元件504的透光轴方向与第二偏振控制元件503的透光轴方向相同，以使得不能透过第一偏振控制元件501的光线提前被去除掉，避免不能透过第一偏振控制元件501的光被液晶层502吸收发热，影响液晶面板500的使用寿命。在液晶面板500之前增设偏振控制元件504，液晶层502无法利用的偏振态光线(即第二线偏振光)会被反射/吸收，避免液晶层过热，延长使用寿命。例如，偏振控制元件为偏振反射膜，可为DBEF(3M商品名)、BEF(3M商品名)或具有偏振与入射角度选择透过性的光子晶体。

本公开的实施例还提供一种机动车，包括上述任一抬头显示装置。本公开实施例提供的机动车采用了上述任一显示装置，可以使驾驶员在驾驶过程中无需低头看仪表盘就可以直接看到更加丰富的信息，比如导航地图、复杂的安全信息等，并且因在抬头显示装置中设置了第一光线聚集元件300、第二光线聚集元件600和光扩散元件400，使得显示装置具有低功耗，且第二预定区域A2的显示具有高亮度。因此，可以较好的满足驾驶员掌控车辆行驶中各类信息的需求。

在不冲突的情况下，本公开的同一实施例及不同实施例中的特征可以相互组合。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开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公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

出于所有目的，本专利申请要求于2019年5月17日递交的中国专利申请第201910412245.8号的优先权，在此全文引用上述中国专利申请公开的内容以作为本公开的实施例的一部分。

Claims (15)

1.一种抬头显示装置，其特征在于，包括：光源、导光元件、第一光线聚集元件、光扩散元件、液晶面板和第二光线聚集元件；

所述光源出射光线；

所述导光元件包括出光面，所述出光面朝向所述第一光线聚集元件，光线经所述导光元件内部传输，从所述出光面出射至所述第一光线聚集元件；

所述第一光线聚集元件将光线聚集，并传输至所述液晶面板；

所述液晶面板将光线转化为图像光线；

所述第二光线聚集元件将所述图像光线聚集，并将所述图像光线反射至第一预定区域；

所述光扩散元件将聚集至所述第一预定区域的光线扩散至第二预定区域；

所述导光元件、所述第一光线聚集元件及所述液晶面板依次设置在所述光源与所述第二光线聚集元件之间。

2.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：透反元件；

所述透反元件设置在所述第二光线聚集元件与所述第一预定区域之间；

所述第二光线聚集元件聚集并反射的图像光线，经所述透反元件反射至所述第一预定区域。

3.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述光扩散元件设置在所述第一光线聚集元件与所述液晶面板之间。

4.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述光扩散元件贴合设置在所述液晶面板靠近所述第二光线聚集元件的一侧。

5.根据权利要求2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：反射元件；

所述反射元件设置在所述第二光线聚集元件与所述透反元件之间；

或所述反射元件设置在所述液晶面板与所述第二光线聚集元件之间。

6.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述导光元件包括实心透明部件；

所述实心透明部件包括设置所述光源的端部，所述实心透明部件的折射率大于1；

所述光源发出的第一光线在所述实心透明部件的内反射面上发生全反射并传输至所述出光面，出射至第一光线聚集元件；

所述光源发出的第二光线在所述实心透明部件内传输至所述出光面，出射至第一光线聚集元件。

7.根据权利要求6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：准直元件；

所述准直元件设置在所述光源与所述第一光线聚集元件之间，所述准直元件将所述光源发出的光线调整为平行光线。

8.根据权利要求7所述的抬头显示装置，其特征在于，所述准直元件贴合设置在所述实心透明部件的出光面外侧。

9.根据权利要求7所述的抬头显示装置，其特征在于，所述实心透明部件设置所述光源的端部设有空腔，所述准直元件设置在所述空腔靠近所述出光面的一面。

10.根据权利要求7所述的抬头显示装置，其特征在于，所述实心透明部件设置所述光源的端部设有空腔，且所述实心透明部件的出光面设有向所述端部延伸的开孔，所述准直元件设置在所述开孔靠近所述端部的底面。

11.根据权利要求1-10任一项所述的抬头显示装置，其特征在于，所述第一光线聚集元件包括凸透镜、凹透镜、菲涅尔透镜或以上几种透镜组合中的至少一种。

12.根据权利要求1-10任一项所述的抬头显示装置，其特征在于，所述第二光线聚集元件包括至少一个曲面反射镜；

且所述图像光线在所述曲面反射镜的凹面上聚集并反射。

13.根据权利要求5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平面反射镜。

14.根据权利要求1-10任一项所述的抬头显示装置，其特征在于，所述光扩散元件包括衍射光学元件和散射光学元件中的至少一种。

15.一种机动车，其特征在于，包括权利要求1-14中任一项所述的抬头显示装置。

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