CN213240672U - 抬头显示设备、抬头显示系统和交通设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例涉及显示技术领域，公开一种抬头显示设备，包括壳体、设置在壳体内并沿第一光路依次设置的像源以及反射元件，所述壳体上开设有位于所述第一光路上的出光口；所述像源包括背光模组及成像模组，还包括沿第二光路依次设置的波导元件以及光照传感器，所述波导元件位于所述第一光路上，采集所述第一光路上的外界光线并将所述外界光线发送至所述光照传感器；所述光照传感器位于所述第一光路外、并在所述光照强度达到第一预设阈值时产生第一触发信号。本实用新型还提供一种抬头显示系统和交通设备。本实用新型提供的抬头显示设备、抬头显示系统和交通设备，能在像源受到外界光线过度照射时发出预警，以利采取相应保护措施避免像源受损。

Description

抬头显示设备、抬头显示系统和交通设备

技术领域

本实用新型实施例涉及显示技术领域，特别涉及一种适于车载抬头显示的抬头显示设备、抬头显示系统和交通设备。

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HUD设备内部设有包含有成像模组的像源，在使用时，像源出射的光线一般经过包含有平面反射镜、曲面反射镜等反射元件的反射系统，最终出射至挡风玻璃反射形成虚像。因为光路可逆，太阳光经过挡风玻璃照射入HUD的反射系统后，最终反射后的太阳光会入射到像源的成像模组上，因太阳光的强度很高，因此即使只有很少的太阳光线进入HUD的反射系统，最终到达像源的热量也是很多的，这部分热量会导致成像模组的温度升高，当温度升到一定程度后，成像模组将过热受损，甚至有烧毁的风险，从而导致像源受损。因此，如何及时发现成像模组受到外界光线的过度照射，以利于后续采取相应的保护措施避免像源受损，成为HUD设备设计过程中不可忽视的问题。

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设备、抬头显示系统和交通设备，其能够在成像模组受到外界光线的过度照射时及时发出预警，以利于后续采取相应的保护措施避免像源受损。

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设备，包括壳体、设置在壳体内并沿第一光路依次设置的像源以及反射元件，所述壳体上开设有位于所述第一光路上的出光口；所述像源包括沿所述第一光路依次设置的背光模组及成像模组，所述背光模组用于产生背光、并沿第一光路将所述背光投射至所述成像模组，所述成像模组用于接收所述背光并生成成像光线，所述反射元件用于接收所述成像光线并将所述成像光线反射至所述出光口；所述抬头显示设备还包括沿第二光路依次设置的波导元件以及光照传感器，所述波导元件位于所述第一光路上，用于透射来自所述背光模组的光线或所述成像光线、采集所述第一光路上的外界光线并将所述外界光线发送至所述光照传感器；所述光照传感器位于所述第一光路外，用于采集来自所述波导元件的外界光线的光照强度、并在所述光照强度达到第一预设阈值时产生第一触发信号。

本实用新型的实施方式还提供了一种抬头显示系统，包括具有反射区域的透反装置，以及如前所述的抬头显示设备，所述抬头显示设备用于将所述成像光线沿成像光路投射至所述反射区域，以在所述透反装置的一侧形成虚像。

本实用新型的实施方式还提供了一种交通设备，包括如前所述的抬头显示系统。

本实用新型实施方式相对于现有技术而言，其在用于传播成像光线的第一光路上设置能够透射来自背光模组的光线或成像光线的波导元件，并利用波导元件耦入第一光路上的外界光线，继而将耦入的外界光线发送至光照传感器，当外界太阳光沿第一光路逆向入射到像源的成像模组上时，光照传感器能够接收到波导元件耦入的部分外界光线从而感测像源接收到的光照强度，并在光照强度超过第一预设阈值时产生触发信号作为预警，利于后续采取相应的保护措施避免成像模组被过度照射而导致像源受损；并且，光照传感器设置在第一光路以外的位置，不会遮挡成像光线、从而能正常实现抬头显示功能。

另外，在所述抬头显示设备中，所述波导元件包括光耦入部、光传导部和光耦出部，所述光耦入部设置在所述第一光路中以耦入所述第一光路中的外界光线，所述光传导部用于将所述光耦入部耦入的外界光线传导至所述光耦出部，所述光耦出部用于耦出来自所述光传导部的外界光线并发送至所述光照传感器。

另外，在所述抬头显示设备中，所述光耦入部设置在所述背光模组与所述成像模组之间的所述第一光路上。

另外，在所述抬头显示设备中，所述光耦入部和所述背光模组分别位于所述成像模组相对的两侧。

另外，在所述抬头显示设备中，还包括设置在所述第二光路上、并位于所述波导元件以及所述光照传感器之间的扩散元件。

另外，在所述抬头显示设备中，所述光照传感器为一个或多个。

另外，在所述抬头显示设备中，所述波导元件可耦入紫外光或红外光，所述光照传感器为紫外光传感器或红外光传感器。

另外，在所述抬头显示设备中，所述波导元件可耦入与所述成像光线波段不同的可见光，所述光照传感器为可见光传感器。

另外，在所述抬头显示设备中，所述波导元件可耦入紫外光、红外光以及与所述成像光线波段不同的可见光，所述光照传感器为可见光传感器、或紫外光传感器、及红外光传感器中的至少一种。

另外，在所述抬头显示设备中，所述波导元件包括用于耦入所述外界光线的光耦入部，所述光耦入部包括表面光栅和体光栅中的至少一种。

另外，在所述抬头显示设备中，所述背光模组包括用于产生光线的光源、以及依次设置在所述光源出光侧的导光元件、聚光元件以及弥散元件，所述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聚光元件，所述聚光元件用于聚集来自所述导光元件的光线、并将聚集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聚光元件的光线、并将弥散后的光线传导至所述成像模组。

另外，在所述抬头显示设备中，所述导光元件为具有出光开口的壳体，所述光源收容在所述壳体内，所述聚光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传导至所述聚光元件。

另外，在所述抬头显示设备中，还包括与所述光照传感器相连、并具有待命状态和保护状态的像源保护装置，所述像源保护装置用于在所述光照传感器未产生所述第一触发信号时以待命状态工作、并在所述光照传感器产生所述第一触发信号时以保护状态工作，

所述像源保护装置在待命状态下不遮蔽入射向所述像源的外界光线、且不改变入射向所述像源的外界光线的传播路径；

所述像源保护装置在保护状态下遮蔽入射向所述像源的外界光线、和/或改变入射向所述像源的外界光线的传播路径。

另外，在所述抬头显示设备中，还包括与所述像源保护装置相连的光照监测器，所述光照监测器用于检测入射向所述像源的外界光线的光照强度、并在检测到入射向所述像源的外界光线的光照强度低于第二预设阈值时产生第二触发信号，所述像源保护装置用于在所述光照监测器产生所述第二触发信号之后恢复至待命状态工作。

另外，在所述抬头显示设备中，所述像源保护装置包括驱动器以及与所述驱动器传动连接的遮光板，所述遮光板与所述出光口、所述反射元件以及所述像源中的至少一者邻近设置，所述驱动器用于在所述保护状态下驱动所述遮光板移入所述成像光线的传播路径以遮挡所述出光口、所述反射元件以及所述像源中的至少一者而遮蔽入射向所述像源的外界光线、在所述待命状态下驱动所述遮光板移出所述成像光线的传播路径而不遮挡所述出光口、所述反射元件以及所述像源。

另外，在所述抬头显示设备中，还包括与所述驱动器相连的光照监测器，所述光照监测器设置在所述壳体外侧、或设置在所述壳体内侧且位于所述遮光板与所述出光口之间的成像光线传播路径上，所述光照监测器用于检测外界光线的光照强度、并在检测到外界光线的光照强度低于第二预设阈值时产生第二触发信号，所述像源保护装置响应所述第二触发信号而恢复待命状态。

另外，在所述抬头显示设备中，所述像源保护装置为与所述反射元件相连的翻转机构，所述反射元件在待命状态下处于初始位置，所述翻转机构用于在所述保护状态下驱动所述反射元件相对于所述初始位置发生翻转、以改变入射向所述像源的外界光线的传播路径，所述翻转机构还用于在所述待命状态下驱动所述反射元件翻转回所述初始位置。

另外，在所述抬头显示设备中，还包括设置在所述反射元件上且与所述翻转机构相连的光照监测器，所述光照监测器用于在保护状态下检测外界光线的光照强度、并在检测到外界光线的光照强度低于第二预设阈值时产生第二触发信号，所述像源保护装置响应所述第二触发信号而恢复待命状态。

另外，在所述抬头显示设备中，还包括控制器，所述控制器与所述像源保护装置相连，所述控制器用于在所述像源保护装置以保护状态工作之后开始计时、并在计时时长达到预设阈值时控制所述像源保护装置切换至待命状态。

另外，在所述抬头显示设备中，还包括与所述像源保护装置相连的控制器、以及分别与所述控制器相连的定位装置和角运动检测装置，

所述定位装置用于感测抬头显示设备当前所处地理位置的经纬度参数，

所述角运动检测装置用于采集抬头显示设备当前的角运动参数，

所述控制器用于根据当前时间和所述经纬度参数确定太阳当前所在位置、并根据所述角运动参数和所述经纬度参数确定所述出光口的当前朝向，所述控制器还用于：

在所述太阳当前所在位置与所述出光口的当前朝向满足第一条件时控制所述像源保护装置维持在保护状态工作、并在所述太阳当前所在位置与所述出光口的当前朝向不满足第一条件时控制所述像源保护装置切换至待命状态。

另外，在所述抬头显示设备中，还包括设置在所述第一光路上的滤光元件，所述滤光元件和所述背光模组分别位于所述成像模组的出光侧和入光侧，所述滤光元件用于传输所述成像光线、并减少入射至所述成像模组的外界光线。

另外，在所述抬头显示设备中，所述滤光元件为半透射半反射器件，用于透射光线并反射光线；或

所述滤光元件为反射式光学器件，用于反射可见光光线、并用于透射或吸收红外光线和/或紫外光线；或

所述滤光元件为反射式光学器件，用于反射具有第一偏振态的光线、并用于透射或吸收具有第二偏振态的光线；或

所述滤光元件为反射式光学器件，用于反射具有第一偏振态的预定波段的可见光光线、并用于透射或吸收所述外界光线中除所述预定波段的可见光光线波段外的其他光线。

另外，在所述抬头显示设备中，所述滤光元件为透射式光学器件，用于透射可见光光线、并用于反射或吸收红外光线和/或紫外光线；或

所述滤光元件为透射式光学器件，用于透射具有第一偏振态的光线、并用于反射或吸收具有第二偏振态的光线；或

所述滤光元件为透射式光学器件，用于透射具有第一偏振态的预定波段的可见光光线、并用于反射或吸收所述外界光线中除所述预定波段可见光光线波段外的其他光线。

另外，在所述抬头显示系统中，还包括设置在所述成像光路上的相位延迟元件，所述成像光线包括S偏振光。

另外，在所述抬头显示系统中，所述反射区域上设置有P偏振反射膜，所述成像光线包括P偏振光。

另外，在所述抬头显示系统中，所述像源经所述反射元件所成的虚像位于所述透反装置的焦平面处。

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是根据本实用新型第一实施方式的抬头显示设备结构示意图；

图2是根据本实用新型第一实施方式的具有平面反射镜的抬头显示设备的结构示意图；

图3是根据本实用新型第一实施方式的抬头显示设备的波导元件结构示意图；

图4是根据本实用新型第一实施方式的另一种抬头显示设备的结构示意图；

图5是根据本实用新型第一实施方式的又一种抬头显示设备的结构示意图；

图6是根据本实用新型第一实施方式的抬头显示设备的像源的背光模组结构示意图；

图7是图6所示背光模组的导光元件结构示意图；

图8是根据本实用新型第一实施方式的棱锥台状导光元件结构示意图；

图9是根据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10是根据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11是根据本实用新型第一实施方式的再一种抬头显示设备的结构示意图；

图12是根据本实用新型第二实施方式的抬头显示设备的结构示意图；

图13是根据本实用新型第三实施方式的抬头显示设备的结构示意图；

图14是根据本实用新型第四实施方式的抬头显示设备的结构示意图；

图15是根据本实用新型第四实施方式的另一种抬头显示设备的结构示意图；

图16是根据本实用新型第五实施方式的抬头显示系统的结构示意图。

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。

本实用新型的第一实施方式涉及一种抬头显示设备，包括壳体、设置在壳体内并沿第一光路依次设置的像源以及反射元件，所述壳体上开设有位于所述第一光路上的出光口；所述像源包括沿所述第一光路依次设置的背光模组及成像模组，所述背光模组用于产生背光、并沿第一光路将所述背光投射至所述成像模组，所述成像模组用于接收所述背光并生成成像光线，所述反射元件用于接收所述成像光线并将所述成像光线反射至所述出光口；所述抬头显示设备还包括沿第二光路依次设置的波导元件以及光照传感器，所述波导元件位于所述第一光路上，用于透射来自所述背光模组的光线或所述成像光线、采集所述第一光路上的外界光线并将所述外界光线发送至所述光照传感器；所述光照传感器位于所述第一光路外，用于采集来自所述波导元件的外界光线的光照强度、并在所述光照强度达到第一预设阈值时产生第一触发信号。本实施方式的核心在于，在用于传播成像光线的第一光路上设置能够透射来自背光模组的光线或成像光线的波导元件，并利用波导元件耦入第一光路上的外界光线，继而将耦入的外界光线发送至光照传感器，当外界太阳光沿第一光路逆向入射到像源的成像模组上时，光照传感器能够接收到波导元件耦入的部分外界光线从而感测像源接收到的光照强度，并在光照强度超过第一预设阈值时产生触发信号作为预警，利于后续采取相应的保护措施避免像源被过度照射而受损；并且，光照传感器设置在第一光路以外的位置，不会遮挡成像光线、从而能正常实现抬头显示功能。下面对本实施方式的像源的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。

参见图1，本实用新型的第一实施方式提供的抬头显示设备10包括壳体11、背光模组12、成像模组13、反射元件14、波导元件15以及光照传感器16。

壳体11是整个抬头显示设备10的外壳，用于将背光模组12、成像模组13、反射元件14、波导元件15以及光照传感器16容纳在内而起到保护作用，壳体11上开设有供成像光线出射的出光口110。

背光模组12用于产生背光并具有朝向成像模组13的出光侧，从而背光模组12为成像模组13提供背光，背光模组12和成像模组13共同形成抬头显示设备的像源。背光模组12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 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。

成像模组13设置在背光模组12的出光侧，接收所述背光并生成成像光线。成像模组13包括但不限于液晶显示模组，其可以包括液晶层及对设在液晶层上下表面的、偏振方向互相正交的偏振元件，背光模组12发出的光线经过成像模组13后转化为用于形成时速、导航等车辆相关信息图像的成像光线，并投射至反射元件14。

反射元件14接收来自成像模组13的成像光线并反射向出光口110，以投射在外部设备(如汽车挡风玻璃)上形成供人眼观察的图像，整个显示过程中的成像光线传播如图1中带箭头的实线所示。本实施方式中，反射元件14为曲面反射镜，曲面反射镜可放大图像并提供更远的成像距离。如此以来，在壳体11内形成了“从背光模组12到成像模组13、接着到反射元件14、再到出光口110”的第一光路，背光模组12产生的背光沿着第一光路穿过成像模组13并成像，继而沿着第一光路到达反射元件14，并被反射元件14反射后沿着第一光路传送至壳体11的出光口110，并投射至外部成像装置(如汽车挡风玻璃)上反射，形成可供观看的虚像。

需要说明的是，抬头显示设备10内的反射元件14数量并不局限为一个，也可以为两个或者更多。参见图2所示，在反射元件14和成像模组13之间的光路上，还可以设置一个平面反射镜14′，如此以来，通过设置平面反射镜14′可压缩抬头显示设备10的体积，提高空间利用率。如此以来，背光模组12、成像模组13、反射元件14、平面反射镜14′以及壳体11的出光口110共同形成了用于传输抬头显示所需光线的第一光路，来自背光模组12的光线沿着该第一光路陆续经过像模组13、反射元件14、平面反射镜14′以及壳体11的出光口110，而最终在外部成像装置(如汽车挡风玻璃)上反射，形成可供观看的虚像。

波导元件15可为表面光栅波导或体全息波导，其位于第一光路上，用于透射来自背光模组12的光线、采集第一光路上的外界光线并将外界光线发送至所述光照传感器16。具体的，如图3所示，本实施方式中，波导元件包括光耦入部150、光传导部151和光耦出部152。

光耦入部150设置在第一光路中以耦入第一光路中的外界光线，光耦入部150具体包括表面光栅、体光栅中的至少一种，可为透射或反射式。光传导部151用于将光耦入部150耦入的外界光线以全反射形式传导至光耦出部152，光传导部151由折射率大于1的透明材质制成。光耦出部152用于耦出来自所述光传导部151的外界光线并发送至所述光照传感器16，光耦出部152包括表面光栅、体光栅、反射镜中的至少一种，可为透射或反射式。如此设置，使得波长和/或光线角度与光耦入部150、耦出部151对应的光线会耦入波导元件15传导并耦出。

需要说明的是，本实施方式中，波导元件15设置在背光模组12与成像模组13之间的第一光路上。更进一步的，为了保证尽可能的耦入外界光线，以提高预报准确性，在一个可实施的优选方案中，可以将波导元件15的光耦入部150设置在背光模组12与成像模组13之间的第一光路上，而波导元件15的光传导部151和光耦出部152可以位于第一光路之外，如图4所示。

光照传感器16位于所述第一光路外，用于采集来自波导元件15的外界光线的光照强度、并在光照强度达到第一预设阈值时产生第一触发信号。该种设置，使得外界光线从波导元件15的光耦出部152耦出之后、沿着“从光耦出部152到光照传感器16”的第二光路传播至光照传感器16，以利用光照传感器16感测外界光线的光照强度，进而确定该种强度是否会造成成像模组13过度受热而导致像源损坏。

由于会造成高强度照射而损坏光源的外界光线为太阳光，而太阳光的辐射波段内主要包括紫外光、可见光和红外光，而成像光线一般为可见光，因此，为了感应太阳光的光照强度，本实施方式中，波导元件15可以选用能够耦入红外光、紫外光以及非背光模组12发出的可见光的波导器件，以将红外光、紫外光以及非背光模组12发出的可见光中的至少一种耦入、并传导至光照传感器16以感测太阳光的光照强度。因波导元件15不会耦入背光模组12发出的可见光线，因此对于背光模组12发出的光线或成像模组13形成的成像光线而言，波导元件15是透明的而不影响抬头显示所需光线的正常传播，不会遮挡光路而影响成像。

光照传感器16包括但不限于可见光传感器、紫外光传感器及红外光传感器中的至少一者。具体的，光照传感器16的类型可以依波导元件15耦入的光线所属波段而相应选择，例如：

1.如果波导元件15可耦入紫外光和/或，相应的，光照传感器16可为紫外光传感器和/或红外传感器；

背光模组12发出普通白光(蓝光激发荧光粉产生的白光)或RGB混合白光，无红外光和紫外光。太阳光进入抬头显示设备10内部后，经反射元件14传输至成像模组13，透过成像模组13而到达波导元件15；太阳光中的红外光和/或紫外光经光耦入部150进入波导元件15，并在光传导部151中以全反射形式传输至光耦出部152，继而传输出波导元件15，到达第二光路上的光照传感器16(红外光传感装置和/或紫外光传感装置)，光强到达第一预设阈值后光照传感器16发出第一触发信号。同时，对于背光模组12而言，发出的普通白光(蓝光激发荧光粉产生的白光)或RGB混合白光不会被耦入波导元件15，可以顺利通过波导元件15，不影响成像。

2.如果波导元件15可耦入与成像光线波段不同的可见光，相应的，光照传感器16可为可见光传感器；

背光模组12发出RGB混合白光，无红外光和紫外光。太阳光进入抬头显示设备10内部后，经反射元件14传输至成像模组13，透过成像模组13而到达波导元件15；太阳光中除RGB特定波段外的可见光，经光耦入部150进入波导元件15，并在光传导部151中以全反射形式传输至光耦出部152，继而传输出波导元件15，到达第二光路上的光照传感器16，光强到达第一预设阈值后光照传感器16发出第一触发信号。具体的，RGB混合白光包括RGB三个波段，第一个波段的中心点位于410nm～480nm之间，第二个波段的中心点位于500nm～565nm之间，第三个波段的中心点位于590nm～690nm之间，三个波段的峰宽≤50nm。同时，对于背光模组12而言，发出的RGB混合白光不会被耦入波导元件15，可以顺利通过波导元件15，不影响成像。

3.如果波导元件15可耦入紫外光、红外光以及与成像光线波段不同的可见光，相应的，光照传感器16为可见光传感器(用于感测与成像光线波段不同的可见光的光照强度)、紫外光传感器以及红外光传感器中的至少一种。

抬头显示设备10在工作过程中，由于光路是可逆的，在“成像模组13发出的成像光线能够在反射元件14的作用下射出到壳体11外部”的情形下，位于壳体111外部的、来自太阳的光线(也即外界光线)也会经由出光口110射入抬头显示设备10的壳体11内、并沿着成像光线的传播路径(也即第一光路)逆向入射至成像模组13之上，从而导致像源的温度升高。当外界光线沿着第一光路逆向(图1带箭头的虚线所示)射向成像模组13时，会透射过成像模组13而到达波导元件15处，继而耦入波导元件15并被传导向光照传感器16，光照传感器16感测接收到的光照强度，并在光照强度超过第一预设阈值时产生触发信号作为预警，利于后续采取相应的保护措施避免成像模组13被过度照射而受损。所谓相应的保护措施，可以是利用抬头显示设备10对应显示预警文字、图像等提示驾驶员：a.关闭背光模组12以及成像模组13以减少像源本身工作而产生的热量，从一定程度上降低像源的温度；或b.利用工具遮挡入射向成像模组13的外界光线、或开启用于向像源提供冷却功效的装置(如车载空调)等等，在此不再一一列举。另外，由于光照传感器16位于第一光路之外，所以不会遮挡背光模组12发出的光线，避免影响HUD设备的显示功能。

可以理解的是，光照传感器16的数量可以为一个或者多个，多个光照传感器16可以尽可能保证准确检测太阳光，提高预警准确性。此外，虽然图1所示的波导元件15位于成像模组13邻近背光模组12的一侧，但在其他可实施方案中，波导元件15还可以设置在成像模组13远离背光模组12的一侧。例如，波导元件15设置在成像模组13与反射元件14之间的第一光路上(图5所示)，或者，波导元件15设置在反射元件14与出光口110之间的第一光路上等。为了保证尽可能的耦入外界光线，以提高预报准确性，在变更实施方案的优选实施例中，也可以仅将光耦入部150设置在成像模组13于反射元件14之间、或反射元件14与出光口110之间的第一光路上，从而，光耦入部150和背光模组12分别位于成像模组13相对的两侧。当外界光线沿着第一光路逆向(图1带箭头的虚线所示)射向成像模组13时，会先到达波导元件15处，继而耦入波导元件15并被传导向光照传感器16，光照传感器16感测接收到的光照强度，并在光照强度超过第一预设阈值时产生触发信号作为预警，利于后续采取相应的保护措施避免成像模组13被过度照射而受损。

需要说明的是，背光模组12可以包括光源120、导光元件122、聚光元件124以及弥散元件126，如图6所示。

光源120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。

导光元件122设置在光源120的出光侧，用于收集光源120产生的光线、并将收集到的光线传导至所述聚光元件124。参见图7，本实施方式中，导光元件122为具有出光开口1220的壳体，光源120收容在壳体内的底部1221，底部1221可为开口；壳体的内壁面1222为光反射面、以反射光源120产生的光线，光源120发出的光线在导光元件122内传播，然后经由出光开口1220出射至聚光元件124。

可以理解的是，光源120产生的光束具有发散角(光源120中心的法线与出射光线之间的最大夹角)，因此，自光源120发射的光线以多个角度(光源120中心的法线与出射光线之间的角度)朝发散角内的各个方向出射，其中，小角度光线(与光源120中心的法线的夹角角度较小，例如10度、15度、20度等，下称小角度光线)自光源120直接传输至出光开口1220而出射、大角度光线(与光源120中心的法线的夹角角度较大，例如30度、45度、60度等，下称大角度光线)则会自光源120射向内壁面1222。由于内壁面1222为光反射面，光源120发出的大角度光线会经内壁面1222的反射后聚拢，提高光源光线的利用率。需要说明的是，导光元件122的外形可以是三棱锥台形状、四棱锥台形状或以抛物面为侧面的锥台形状(类似于碗状)。本实施方式中，导光元件122的外形为四棱锥台形状，出光口1220和底部1221的形状可以相同也可以不同，包括矩形、正方形、梯形或平行四边形中的至少一种，如图8所示。

聚光元件124设置在导光元件122的出光侧而位于出光开口1220处，用于聚集来自导光元件122的光线、并将聚集后的光线传导至弥散元件126。具体的，聚光元件124对导光元件122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。聚光元件124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，聚光元件124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，设置聚光元件124的目的在于对光源120出射的大角度光线进行聚拢，提高光线利用率。

弥散元件126设置在导光元件124的出光侧，用于弥散来自聚光元件124的光线、并将弥散后的光线传导至成像模组13。具体的，弥散元件126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126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126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126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126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。

需要指出的是，导光元件122并不局限于前述的壳体结构，也可以是其他结构。例如图9所示，导光元件122为实心透光部件，其折射率大于1，包括出光面1220、光反射面1222、光源收容槽1224。出光面1220邻近聚光元件124，光反射面1222自出光面1220周缘朝背离聚光元件124(图未示出)的方向(也即，朝图9图面所示的右侧方向)延伸，光源收容槽1224位于光反射面1222背离出光面1220的一侧、并自该侧的光反射面1222边缘朝靠近出光面1220一侧凹陷。光源收容槽1224包括正对出光面1220设置的底壁1224a、以及将底壁1224a周缘连接至光反射面1222的侧壁1224b，底壁1224a和侧壁1224b均为导光元件122的入光面。如此以来，光源120设置在光源收容槽1224内，并朝向光源收容槽1224的底壁1224a。底壁1224a为朝背离出光面1220的方向凸起的凸面，该凸面用于入射光源120发出的光线、并在光线经由该凸面入射时将其转换为准直光线。准直光线是指光线发散角很小或几乎为0，平行或近乎平行的光线，准直的光线入射至液晶模组时，光线的一致性较好，更有利于光线转化成像。在本实施方式中，优选的，底壁1224a将入射的光线转换为准直光线后，该准直光线垂直于出光面1220。当然，可以理解的，经由底壁1224a入射的光线在被转换为准直光线之后，不一定垂直于出光面1220，也可以是基于特定考量而与出光面1220成特定的夹角(0度与90度之间)。需要说明的是，光反射面1222是导光元件122的内表面，由于导光元件122的折射率大于1，光源120发出的大角度光线经由侧壁1224b入射至光反射面1222上之后，满足全反射条件的光线会在导光元件122的光反射面1222上发生全反射并经由出光面1220出射，光源120发出的小角度光线经由底壁1224a入射至导光元件122内但不入射至光反射面1222、而是直接入射至出光面1220而经由出光面1220出射。

需要说明的是，本实施方式中，将底壁1224a设置为凸面，从而利用凸起的底壁1224a形成平凸透镜结构(平面为图9所示底壁1224a左侧的虚线、凸面为底壁1224a)，起到用于将小角度光线条调整为准直光线的功能，图9中仅仅是以凸面形成的平凸透镜为例进行示意，而在其他变更实施方案中，该种凸面还可用来形成具有光线准直功能的准直透镜，如凸透镜、菲涅尔透镜或透镜组合等，并且，凸面可以单独设置并安装在实心透光件上，也可与实心透光件一体成型。

光反射面1222的形状包括曲面面形，如抛物面形状、自由曲面形状或圆锥曲面形状等，如此设置可以有效增加前述大角度光线入射至光反射面1222上的入射角，从而更容易满足光线传播的全反射临界条件，以最大限度保证尽可能多的光线被光反射面1222反射向出光面1220而出射，以供成像所用，从而提高光线利用效率。另外，光源收容槽1224的底壁也不局限于前述的凸面结构，其还可以是其他结构，只要能够保证“将入射至导光元件122转变为准直光线、并出射导光元件122”即可。例如图10所示，出光面1220上设置有朝向底壁1224a凹陷的盲孔1226，盲孔1226的底面1226a为朝出光面1220一侧凸起的凸面，该凸面用于出射经由底壁1224a入射的光线、并在该光线经由凸面出射时将其转换为准直光线，凸面的具体实施方式与上述实施方式中底壁1224a的凸面类似，此处不再赘述。在该种设置之下，底壁1224a为平行于出光面1220的平面，当然，除此之外，底壁1224a的形状设计方案还存在多种其他可能，在此不再一一赘述。

优选的，抬头显示设备10还可以额外配备有扩散元件17。如图11所示，抬头显示设备10包括壳体11以及设置在所述壳体11内的背光模组12、成像模组13、反射元件14、波导元件15、光照传感器16以及扩散元件17。

扩散元件17设置在第二光路上、并位于波导元件15与光照传感器16之间。由于扩散元件17可以将波导元件15耦出的光线扩散，因此通过设置扩散元件17可减少光照传感器16的数量，较少数量的光照传感器16就可以起到较好的预警效果。本实施方式中，扩散元件17可以包括散射光学元件或衍射光学元件中的至少一种，从而通过散射/衍射作用将波导元件15耦出的光线扩散。

本实用新型的第二实施方式涉及另一种抬头显示设备20，该抬头显示设备20的结构与第一实施方式提供的抬头显示设备10大体相同，不同之处在于，相较于第一实施方式的抬头显示设备10，第二实施方式提供的抬头显示设备20还额外包括像源保护装置。

具体的，参见图12所示，抬头显示设备20包括壳体11、背光模组12、成像模组13、反射元件14、波导元件15、光照传感器16以及像源保护装置23。背光模组12、成像模组13、反射元件14、波导元件15、光照传感器16均设置在壳体11内，像源保护装置23邻近壳体11的出光口110设置。具体的，像源保护装置23包括设置在壳体11上(可以位于壳体11内、也可以位于壳体11外)的驱动器232以及与驱动器232传动连接的遮光板231，遮光板231邻近出光口110，驱动器232与光照传感器16通讯连接或电连接。像源保护装置23在光照传感器16未产生第一触发信号时以待命状态工作、并在光照传感器16产生第一触发信号时以保护状态工作，其中：

1.像源保护装置23在待命状态下工作时，驱动器232不启动，所述遮光板231邻近、但不遮挡出光口110，从而成像模组13产生的成像光线能够在经由反射元件14反射后顺利从出光口110出射，达成抬头显示功能；

2.像源保护装置23在保护状态下工作时，驱动器232响应第一触发信号而启动，以驱动所述遮光板231移动至出光口110上、并遮蔽出光口110，从而避免外界光线持续高强度照射成像模组13而导致像源(背光模组12、成像模组13)受损；

3.像源保护装置23还可以被切换(例如通过人工操作)回待命状态下工作，此时，像源保护装置23回到待命状态工作，驱动器232会再次启动并驱动遮光板231移离出光口110，确保成像光线能够经由出光口110出射而达成抬头显示功能。

需要说明的是，在具体的实施细节中，驱动器232可以是具有动力输出轴的马达等动力装置，而遮光板231则可以通过传动齿轮(图未示)与驱动器232的动力输出轴传动连接，从而在驱动器232的驱动下往复移动；遮光板231可以包括遮光臂和传动臂(图未示)，传动臂的外端可以设有传动齿条(图未示)，以与传动齿轮传动连接，传动齿轮转动时可带动齿条平移，实现遮光板231的往复移动。

需要说明的是，前述方案在邻近出光口110的位置设置像源保护装置23，从而在保护状态下遮蔽出光口110、在待命状态下敞开(也即不遮蔽)出光口110，实现了抬头显示的关闭和正常工作之间的切换，以避免像源受损。而在其他实施方案中，像源保护装置23也可以不局限于设置在邻近出光口110的位置，而是邻近成像光线的传播路径设置，如设置在反射元件14处，在保护状态下遮蔽反射元件14、在待命状态下敞开反射元件14；或者设置在成像模组13的出光面处，在保护状态下遮蔽成像模组13、在待命状态下敞开成像模组13，使得遮光板231在待命状态下邻近但不阻断成像光线的传播路径，从而：

1.当像源保护装置23进入保护状态工作时，驱动器232驱动遮光板231移入成像光线的传播路径、阻断传播路径从而遮挡沿传播路径逆向传播的外界光线；

2.当像源保护装置23被切换回待命状态工作时，驱动器232驱动遮光板231移出成像光线的传播路径、避免遮挡成像光线而达成抬头显示功能。

优选的，抬头显示设备20还可以额外设置有与像源保护装置23相连的光照监测器24，用于检测入射向成像模组13的外界光线的光照强度、并在检测到入射向成像模组13的外界光线的光照强度低于第二预设阈值时产生第二触发信号，像源保护装置23在光照监测器24产生所述第二触发信号之后恢复至待命状态工作。从而实现像源保护装置23的工作状态的自动切换。可以理解地，像源保护装置23与光照监测器24之间的连接可以是无线连接或有线连接。需要特别指出的是，当像源保护装置23的遮光板设置在出光口110处以遮蔽或敞开出光口时，光照监测器24可以设置在壳体11外侧；当像源保护装置23设置在第一光路上的其他位置时，光照监测器24既可以设置在壳体11外侧，具体是出光口110的外侧；也可以设置在壳体11内侧、且位于像源保护装置23(如遮光板)与出光口110之间的成像光线传播路径上，本实施方式中，可以设置在遮光板231朝向外界光线一侧的表面。

需要指出的是，光照监测器24也可以被替换为与像源保护装置23相连(有线连接或无线连接)的、具有计时功能的控制器，控制器可以在像源保护装置23以保护状态工作之后开始计时、并在计时时长达到预设阈值时控制像源保护装置23切换至待命状态。如此以来，不需要利用光照监测器24实时监控外界光线的光照强度，而是在经过预定时长后尝试再次启用像源的显示功能。如果再次启用之后，外界光照强度依然过强，则光照传感器16会再次产生第一触发信号，而使像源保护装置23再次进入保护状态进行像源保护；如果再次启用之后，外界光照强度不再过强，则像源可以继续正常工作。

可以理解的，光照监测器24还可以被替换为与像源保护装置23相连(有线连接或无线连接)的控制器、以及分别与控制器相连的定位装置和角运动检测装置(图未示)，定位装置用于感测抬头显示设备当前所处地理位置的经纬度参数，角运动检测装置用于采集抬头显示设备当前的角运动参数，控制器用于根据当前时间和经纬度参数确定太阳当前所在位置、并根据角运动参数和经纬度参数确定出光口110的当前朝向。从而：

在太阳当前所在位置与出光口的当前朝向满足第一条件(也即在当前出光口110的朝向下，太阳光能够进入出光口110而入射至像源)时，控制像源保护装置23维持在保护状态工作；

在太阳当前所在位置与出光口的当前朝向不满足第一条件(也即在当前出光口110的朝向下，太阳光无法进入出光口110而入射至像源)时，控制像源保护装置切换至待命状态。

从上述方案不难看出，像源保护装置23可以设置在出光口110处、反射元件14或像源中的至少一处邻近设置以实现像源保护功能，也可以设置在第一光路上的其他位置来实现像源保护功能，两种方式都是以“遮挡外界光线”为手段来保护像源。

本实用新型的第三实施方式涉及一种以“改变外界光线的传播路径”为手段的抬头显示设备，该抬头显示设备的结构与第一实施方式提供的抬头显示设备10大体相同，不同之处在于，相较于第一实施方式的抬头显示设备10，第三实施方式提供的抬头显示设备还额外包括像源保护装置。

具体的，参见图13所示，抬头显示设备30包括壳体11、背光模组12、成像模组13、反射元件14、波导元件15、光照传感器16以及像源保护装置33。背光模组12、成像模组13、反射元件14、波导元件15、光照传感器16以及像源保护装置33均设置在壳体11内。像源保护装置33在光照传感器16产生第一触发信号之前以待命状态工作、并在光照传感器16产生第一触发信号时以保护状态工作，其中：

像源保护装置33为与反射元件14相连(可设置在反射元件14的边侧或背后)的翻转机构，反射元件14在待命状态下处于初始位置，所述翻转机构还用于在所述待命状态下驱动所述反射元件翻转回所述初始位置，

1.以保护状态工作时，像源保护装置33响应第一触发信号而驱动反射元件14相对于所述初始位置发生翻转、以改变入射向成像模组13的外界光线的传播路径，从而将外界光线转向无法照射到成像模组13的方向，避免外界光线沿原有传播路径而到达成像模组13，避免像源受损；

2.(被切换至)以待命状态工作时，像源保护装置33驱动反射元件14翻转回初始位置，从而成像模组13产生的成像光线能够沿着原有传播路径顺利出射，达成抬头显示功能。

需要说明的是，在具体的实施细节中，翻转结构具体包括：设有旋转轴的底板、传动齿轮和动力装置(图未示)，底板固定在反射元件的背面或侧面，动力装置的输出轴与传动齿轮的中心固定连接，旋转轴的一端设有齿轮，并与传动齿轮传动连接，传动齿轮转动时可带动旋转轴旋转。在接受到遮光信号时，底板沿旋转轴旋转，带动反射元件转动。可以理解的是，作为翻转结构的像源保护装置33也可以设置为与“成像模组13及背光模组12”形成的像源相连，从而在外界光线强度过大时，翻转像源，以使得像源避开外界光线的高强度照射。

优选的，抬头显示设备30还可以额外包括设置在反射元件14上、且与像源保护装置33相连(有线连接或无线连接)的光照监测器24，光照监测器24用于在保护状态下检测外界光线的光照强度、并在检测到外界光线的光照强度低于第二预设阈值时产生第二触发信号，像源保护装置33响应第二触发信号而恢复待命状态。需要说明的是，光照监测器24可以设置在反射元件14的背面(与反射元件14的反射面相对的另一面)，或者反射元件14上、除了反射面以外的其他表面，只要能够保证“像源保护装置33驱动反射元件14翻转”后(也即保护状态下)，光照监测器24可以接收到经由壳体11的出光口进入到壳体11内的外界光线即可。

需要补充的是，前述实施方式均可实现及时的预警，但预警的同时，外界光线(太阳光)也已聚集在成像模组13及背光模组12(下称像源)附近，因此在采取相应的像源保护措施之前，像源已经被过强的外界光线照射而有损坏的风险。

为此，本实用新型的第四实施方式涉及又一种抬头显示设备40，该抬头显示设备40的结构与第一实施方式提供的抬头显示设备10大体相同，不同之处在于，相较于第一实施方式的抬头显示设备10，第四实施方式提供的抬头显示设备40还额外包括滤光元件。

具体的，参见图14所示，抬头显示设备40包括壳体11、背光模组12、成像模组13、反射元件14、波导元件15、光照传感器16以及滤光元件41。背光模组12、成像模组13、反射元件14、波导元件15、光照传感器16、滤光元件41均设置在壳体11内，壳体11具有出光口110。滤光元件41设置在位于出光口110和背光模组12之间的第一光路上，且滤光元件41和背光模组12分别位于成像模组13的出光侧和入光侧，滤光元件41用于传输成像光线、并减少入射至像源的成像模组的外界光线。如此设计可以将入射到像源的外界光线尽量减少，在保证及时预警的同时，进一步提升抬头显示设备的可靠性。

本实施方式中，滤光元件41可以为设置在成像光线的传播路径上的反射式光学器件，例如半穿透半反射器件或反射式器件。

a.在一种情况下，滤光元件41可以是无波长选择性的普通半穿透半反射器件，其能够透射或吸收部分光线(包括可见光光线、红外线和紫外线)，并反射部分光线(包括可见光光线、红外线和紫外线)，可以认为透射和反射的光线在光谱分布和组成上几乎没有差别；如此以来，外界光线在沿第一光路逆向传播时，会部分穿设过滤光元件41、部分被滤光元件41反射，从而，滤光元件41仅会把部分外界光线沿第一光路逆向反射回像源，减少了入射至像源的外界光线，降低像源被过度照射而损坏的风险。当然，由于不同透射率的滤光元件41能够不同程度地减少到达像源的外界光线，该种方式下，到达光照传感器16的外界光线强度也会不同程度地变弱，例如，滤光元件41能够吸收/透射50％的外界光线而透过50％的外界光线至像源10、或者滤光元件41能够吸收/透射60％的外界光线而透过40％的外界光线至像源10、又或滤光元件41能够吸收/透射70％的外界光线而透过30％的外界光线至像源10。在不同透射率的情形下，仅需要相应调整第一预设阈值的大小即可满足正常的预警机制。

b.在另一种情况下，滤光元件41可以是具有红外选择性(或紫外选择性)的半穿透半反射器件，其能够透射或吸收红外光波段(或紫外光波段)的光线、并反射可见光波段和紫外光波段(或红外光波段)的光线，如此以来，像源发出的可见光几乎可完全通过滤光元件41反射，不会有损失；滤光元件41仅会把外界光线中的可见光和紫外光(或红外光)沿第一光路逆向反射回像源，减少了入射至像源的外界光线中的红外光(或紫外光)，降低像源被过度照射而损坏的风险。需要说明的是，由于在实际情况下，滤光元件41不能保证100％透射或吸收红外光(或紫外光)，所以最终被滤光元件41反射回像源的光线中会有紫外光(或红外光)以及一小部分红外光(或紫外光)，所以，光照传感器16可以相应的选用紫外传感器和/或红外传感器。

或者，滤光元件41能够透射或吸收红外及紫外波段的光线、并反射可见光波段的光线，如此以来，像源发出的可见光几乎可完全通过滤光元件41反射，不会有损失；滤光元件41仅会把外界光线中的可见光沿第一光路逆向反射回像源，减少了入射至像源的外界光线中的红外光和紫外光，降低像源被过度照射而损坏的风险。需要说明的是，由于在实际情况下，滤光元件41不能保证100％透射或吸收红外光和紫外光，所以最终被滤光元件41反射回像源的光线中会有一小部分红外光以及一小部分紫外光，所以，光照传感器16可以相应的选用紫外传感器和/或红外传感器。

可以理解，滤光元件41也可以吸收红外光线和/或紫外光线，这样到达像源10的外界光线强度会更低。

c.在又一种情况下，滤光元件41能够反射第一偏振态的光线，并透射或吸收第二偏振态的光线；具体的，第一偏振态与第二偏振态垂直，可以是线偏振光线或圆偏振光线或椭圆偏振光线；外界光线一般为非偏振光，可以认为外界光线包括互相垂直的第一偏振态和第二偏振态；同时，像源发出第一偏振态的光线，如像源可以是发出偏振光线的液晶显示器，如此以来，像源发出的光线发出的第一偏振态光线几乎可完全通过滤光元件41反射，不会有损失；滤光元件41仅会把外界光线中的第二偏振态部分的光线传播路径逆向反射回像源，减少了入射至像源的外界光线的强度，降低约50％的外界光线强度，进而降低像源被过度照射而损坏的风险。

可以理解，滤光元件41也可以吸收第二偏振态光线，这样到达像源的外界光线强度会更低。

d.在再一种情况下，像源发出的光线为具有第一偏振态的预定波段的可见光光线，具体可以是RGB三种光线混合而成的、具有第一偏振态的成像光线，比如像源为采用了发出RGB混合白光的LED光源的液晶显示器，具体的，RGB波段中的第一个波段的中心点位于411nm～480nm之间，第二个波段的中心点位于500nm～565nm之间，第三个波段的中心点位于590nm～690nm之间。该种情形下，滤光元件41能够反射RGB波段内、具有第一偏振态的光线的半穿透半反射器件，其能够透射或吸收外界光线中RGB波段内、第一偏振态之外的光线以及RGB波段外的光线，所谓第一偏振态可为线偏振或圆偏振或椭圆偏振，如透过水平线偏振态，峰宽50nm的RGB光线，且像源发出的可见光可通过滤光元件41反射，不会有损失；此时，滤光元件41仅会把RGB波段内的第一偏振态的光线反射回像源，大大降低了外界光线的辐射能。由于在实际情况下，滤光元件41不能保证100％透射或吸收外界光线中RGB波段内、第一偏振态之外的光线以及RGB波段外的光线，此时，光照传感器16可相应的选择可见光波段内除RGB波段外光线的传感器、红外传感器或紫外传感器。

可以理解，滤光元件41也可以吸收外界光线除特定波段的可见光光线波段外的其他光线，这样到达像源的外界光线强度会更低。此外，滤光元件41还可以设计为“用于反射具有第一偏振态的各波段光线、并透射或吸收具有第二偏振态的各波段光线”的反射式光学器件等，可以理解的是，上述内容仅为可行方案的距离说明、而并非所有可实施方案的列举。

并且，滤光元件41也不局限为反射式光学器件，其还可以设置在成像光线的传播路径上的透射式光学器件，如图15所示，该种情形下，滤光元件41可以为半穿透半反射器件，用于透射光线中的一部分、并反射光线中的另一部分(到达滤光元件51的可见光光线、红外线和紫外线中，可见光光线的一部分、红外线的一部分和紫外线的一部分会透射过滤光元件51，而可见光光线的其余部分、红外线的其余部分和紫外线的其余部分会被滤光元件51反射)；滤光元件41也可以为用于透射可见光光线、并用于反射或吸收红外光线和/或紫外光线的透射式光学器件；滤光元件41又可以为用于透射具有第一偏振态的光线、并用于反射或吸收具有第二偏振态的光线的反射式光学器件；滤光元件41还可以为用于透射具有第一偏振态的可见光光线的反射式光学器件。其具体工作原理和过程与前述方案大体类似，不同之处仅在于滤光元件41在此处用作透射式光学器件而非反射器件，其用于阻挡或吸收外界光线中的部分光线，以减小对像源的过渡照射，避免像源受损，在此，不在一一赘述。

另外，关于滤光元件41的结构，其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。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。

本实用新型的第五实施方式提供一种抬头显示系统50，如图16所示，其包括具有反射区域510的透反装置51，以及如第一实施方式提供的抬头显示设备10，抬头显示设备10用于将成像光线沿成像光路投射至反射区域510，以在透反装置52的一侧形成虚像；具体是透反装置52远离抬头显示设备10的一侧。抬头显示设备50包括壳体11以及设置在所述壳体11内的背光模组12、成像模组13、反射元件14、平面反射镜14′、波导元件15、光照传感器16，其中，反射元件14为曲面反射镜，所述成像光路是指“自背光模组12到成像模组13再到反射元件14、再经由壳体11的出光口(图未标示)到反射区域510”的光线传播路径，当抬头显示设备10还包括一个或多个平面反射镜14′时，所述成像光路是指“自背光模组12到成像模组13再到反射元件14、再经由壳体11的出光口(图未标示)到反射区域510”的光线传播路径。成像光线沿成像光路投射至反射区域510后，会被反射向驾驶员双眼所在的区域(也即眼盒)，从而驾驶员可以看到HUD图像。需要说明的是，眼盒区域具有一定的尺寸，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内，就都可以看到HUD的图像。本实施方式中成像模组13发出的成像光线，能够经过平面反射镜14′、反射元件14以及透反装置51的反射而汇聚并落入眼盒的中心。

由于背光模组12包括如图6所示的弥散元件126，光源120出射的光线经过导光元件122、聚光元件124后，会经过弥散元件126。因此，本实施方式可以通过弥散元件126将光线精准弥散，使弥散后的光束在经过平面反射镜14′、反射元件14以及透反装置51的反射可以覆盖眼盒区域，本实施方式中为恰好覆盖眼盒区域，以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，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，此时系统光效最高。

该抬头显示系统50可以用于汽车领域，所谓透反装置51可以是汽车的挡风玻璃，因挡风玻璃对S偏振光的反射率较高，因此包括有背光模组12和成像模组13的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。因此，优选的，在出光口110与挡风玻璃(也即透反装置51)之间可以设置相位延迟元件(图未示)，如1/4波片，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，这样驾驶员在佩戴墨镜时就还可以看到HUD图像。当然，相位延迟元件并不局限于设置在挡风玻璃和出光口110之间，还可以设置在成像光路上的、位于反射元件22和挡风玻璃之间的其他位置，如：a.设置在反射元件14(曲面反射镜)和出光口之间并与所述曲面反射镜和出光口相互间隔；b.设置在壳体出光口处、并从壳体出光口内侧封闭出光口而起到防尘作用；c.设置在反射元件14的反射面上从而无需为相位延迟元件单独设置承载结构，等等。

可以理解的，如果将像源调整为出射P偏振态的成像光线，就可以不设置相位延迟元件而保证驾驶员在佩戴墨镜时能够看到图像，但因挡风玻璃对P偏振光反射率很低，所以，可以在挡风玻璃(也即透反装置51)的反射区域510上配套设置P偏振反射膜。

此外，可以理解的是，本实用新型第五实施方式提供的抬头显示系统50，其所包含的抬头显示设备20也可以替换为如第一、二、三、四实施方式中任一者提供的抬头显示设备。

需要说明的是，透反装置51为挡风玻璃时，因挡风玻璃一般为曲面面形，像源经过曲面反射镜反射所成的虚像10′的位置，位于透反装置51为的焦平面处，或，或小于透反装置61的一倍焦距且接近透反装置51为的焦平面处(也即像源10位于或接近透反装置61的焦平面处)。此情况下，根据曲面成像规律，像源经反射元件14、透反装置51后所成的虚像(图中虚线矩形所示)会形成在较远的距离乃至无穷远处，如30米、50米、70米、甚至是无穷远处，适合AR-HUD使用，与车外实景具有更好的增强显示贴合效果。

优选的，当透反装置51为挡风玻璃时，在透反装置51的夹层内可增设楔形膜，楔形膜可消除重影；另外，在透反装置51内表面(透反装置51朝向反射元件14一侧的表面)也可增设选择性反射膜，选择性反射膜只反射像源发出的成像光线，如成像光线包括RGB三个波段的光线，则选择性反射膜只反射RGB光线并透过其他的光线，成像光线就不会在透反装置51外侧(透反装置51背离反射元件14的一侧)的内表面发生二次反射，进而消除重影。此外，还可在透反装置51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，在透反装置51外侧的内表面的反射率很低，进而消除重影。另外，还可以在透反装置51内表面增设P偏振光反射膜，配合可发出P偏振光的像源，P偏振的成像光线经反射膜反射后，因玻璃对P偏振光的透射率较高，因此透射的P光也会透射出透反装置51，在透反装置51外侧的内表面的反射率很低，进而消除重影。

本实用新型的第六实施方式提供了一种交通设备，该交通设备包括本实用新型的上述实施方式提供的抬头显示系统。在一些示例中，交通设备的前窗(例如，前挡风玻璃)被复用为抬头显示系统的透反装置，而抬头显示系统则设置在复用为透反装置的前窗附近(如前挡风玻璃的下方、前挡风玻璃的上方等等)，以根据时速、导航等车辆相关信息产生用于形成相应图像的成像光线，并投射向交通设备的前窗，成像光线会被前窗反射向驾驶员双眼所在的区域(也即眼盒)，从而驾驶员无需低头就可以看到HUD图像。

例如，该交通设备可以是各种适当的交通工具，例如可以包括各种类型的汽车等陆上交通设备，或可以是船等水上交通设备等等，只要其驾驶位置设置前窗且通过车载显示系统将图像透射到前窗上即可。

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，这些改变都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (28)

1.一种抬头显示设备，其特征在于，包括壳体、设置在壳体内并沿第一光路依次设置的像源以及反射元件，所述壳体上开设有位于所述第一光路上的出光口；所述像源包括沿所述第一光路依次设置的背光模组及成像模组，所述背光模组用于产生背光、并沿第一光路将所述背光投射至所述成像模组，所述成像模组用于接收所述背光并生成成像光线，所述反射元件用于接收所述成像光线并将所述成像光线反射至所述出光口；

所述抬头显示设备还包括沿第二光路依次设置的波导元件以及光照传感器，

所述波导元件位于所述第一光路上，用于透射来自所述背光模组的光线或所述成像光线、采集所述第一光路上的外界光线并将所述外界光线发送至所述光照传感器；

所述光照传感器位于所述第一光路外，用于采集来自所述波导元件的外界光线的光照强度、并在所述光照强度达到第一预设阈值时产生第一触发信号。

2.根据权利要求1所述的抬头显示设备，其特征在于，所述波导元件包括光耦入部、光传导部和光耦出部，所述光耦入部设置在所述第一光路中以耦入所述第一光路中的外界光线，所述光传导部用于将所述光耦入部耦入的外界光线传导至所述光耦出部，所述光耦出部用于耦出来自所述光传导部的外界光线并发送至所述光照传感器。

3.根据权利要求2所述的抬头显示设备，其特征在于，所述光耦入部设置在所述背光模组与所述成像模组之间的所述第一光路上。

4.根据权利要求2所述的抬头显示设备，其特征在于，所述光耦入部和所述背光模组分别位于所述成像模组相对的两侧。

5.根据权利要求1所述的抬头显示设备，其特征在于，还包括设置在所述第二光路上、并位于所述波导元件以及所述光照传感器之间的扩散元件。

6.根据权利要求5所述的抬头显示设备，其特征在于，所述光照传感器为一个或多个。

7.根据权利要求1所述的抬头显示设备，其特征在于，所述波导元件可耦入紫外光或红外光，所述光照传感器为紫外光传感器或红外光传感器。

8.根据权利要求1所述的抬头显示设备，其特征在于，所述波导元件可耦入与所述成像光线波段不同的可见光，所述光照传感器为可见光传感器。

9.根据权利要求1所述的抬头显示设备，其特征在于，所述波导元件可耦入紫外光、红外光以及与所述成像光线波段不同的可见光，所述光照传感器为可见光传感器、或紫外光传感器、及红外光传感器中的至少一种。

10.根据权利要求1所述的抬头显示设备，其特征在于，所述波导元件包括用于耦入所述外界光线的光耦入部，所述光耦入部包括表面光栅和体光栅中的至少一种。

11.根据权利要求1所述的抬头显示设备，其特征在于，所述背光模组包括用于产生光线的光源、以及依次设置在所述光源出光侧的导光元件、聚光元件以及弥散元件，所述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聚光元件，所述聚光元件用于聚集来自所述导光元件的光线、并将聚集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聚光元件的光线、并将弥散后的光线传导至所述成像模组。

12.根据权利要求11所述的抬头显示设备，其特征在于，所述导光元件为具有出光开口的壳体，所述光源收容在所述壳体内，所述聚光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传导至所述聚光元件。

13.根据权利要求1所述的抬头显示设备，其特征在于，还包括与所述光照传感器相连、并具有待命状态和保护状态的像源保护装置，所述像源保护装置用于在所述光照传感器未产生所述第一触发信号时以待命状态工作、并在所述光照传感器产生所述第一触发信号时以保护状态工作，

所述像源保护装置在待命状态下不遮蔽入射向所述像源的外界光线、且不改变入射向所述像源的外界光线的传播路径；

所述像源保护装置在保护状态下遮蔽入射向所述像源的外界光线、和/或改变入射向所述像源的外界光线的传播路径。

14.根据权利要求13所述的抬头显示设备，其特征在于，还包括与所述像源保护装置相连的光照监测器，所述光照监测器用于检测入射向所述像源的外界光线的光照强度、并在检测到入射向所述像源的外界光线的光照强度低于第二预设阈值时产生第二触发信号，所述像源保护装置用于在所述光照监测器产生所述第二触发信号之后恢复至待命状态工作。

15.根据权利要求13所述的抬头显示设备，其特征在于，所述像源保护装置包括驱动器以及与所述驱动器传动连接的遮光板，所述遮光板与所述出光口、所述反射元件以及所述像源中的至少一者邻近设置，所述驱动器用于在所述保护状态下驱动所述遮光板移入所述成像光线的传播路径以遮挡所述出光口、所述反射元件以及所述像源中的至少一者而遮蔽入射向所述像源的外界光线、在所述待命状态下驱动所述遮光板移出所述成像光线的传播路径而不遮挡所述出光口、所述反射元件以及所述像源。

16.根据权利要求15所述的抬头显示设备，其特征在于，还包括与所述驱动器相连的光照监测器，所述光照监测器设置在所述壳体外侧、或设置在所述壳体内侧且位于所述遮光板与所述出光口之间的成像光线传播路径上，所述光照监测器用于检测外界光线的光照强度、并在检测到外界光线的光照强度低于第二预设阈值时产生第二触发信号，所述像源保护装置响应所述第二触发信号而恢复待命状态。

17.根据权利要求13所述的抬头显示设备，其特征在于，所述像源保护装置为与所述反射元件相连的翻转机构，所述反射元件在待命状态下处于初始位置，所述翻转机构用于在所述保护状态下驱动所述反射元件相对于所述初始位置发生翻转、以改变入射向所述像源的外界光线的传播路径，所述翻转机构还用于在所述待命状态下驱动所述反射元件翻转回所述初始位置。

18.根据权利要求17所述的抬头显示设备，其特征在于，还包括设置在所述反射元件上且与所述翻转机构相连的光照监测器，所述光照监测器用于在保护状态下检测外界光线的光照强度、并在检测到外界光线的光照强度低于第二预设阈值时产生第二触发信号，所述像源保护装置响应所述第二触发信号而恢复待命状态。

19.根据权利要求13所述的抬头显示设备，其特征在于，还包括控制器，所述控制器与所述像源保护装置相连，所述控制器用于在所述像源保护装置以保护状态工作之后开始计时、并在计时时长达到预设阈值时控制所述像源保护装置切换至待命状态。

20.根据权利要求13所述的抬头显示设备，其特征在于，还包括与所述像源保护装置相连的控制器、以及分别与所述控制器相连的定位装置和角运动检测装置，

所述定位装置用于感测抬头显示设备当前所处地理位置的经纬度参数，

所述角运动检测装置用于采集抬头显示设备当前的角运动参数，

所述控制器用于根据当前时间和所述经纬度参数确定太阳当前所在位置、并根据所述角运动参数和所述经纬度参数确定所述出光口的当前朝向，所述控制器还用于：

在所述太阳当前所在位置与所述出光口的当前朝向满足第一条件时控制所述像源保护装置维持在保护状态工作、并在所述太阳当前所在位置与所述出光口的当前朝向不满足第一条件时控制所述像源保护装置切换至待命状态。

21.根据权利要求1所述的抬头显示设备，其特征在于，还包括设置在所述第一光路上的滤光元件，所述滤光元件和所述背光模组分别位于所述成像模组的出光侧和入光侧，所述滤光元件用于传输所述成像光线、并减少入射至所述成像模组的外界光线。

22.根据权利要求21所述的抬头显示设备，其特征在于，

所述滤光元件为半透射半反射器件，用于透射光线并反射光线；或

所述滤光元件为反射式光学器件，用于反射可见光光线、并用于透射或吸收红外光线和/ 或紫外光线；或

所述滤光元件为反射式光学器件，用于反射具有第一偏振态的光线、并用于透射或吸收具有第二偏振态的光线；或

所述滤光元件为反射式光学器件，用于反射具有第一偏振态的预定波段的可见光光线、并用于透射或吸收所述外界光线中除所述预定波段的可见光光线波段外的其他光线。

23.根据权利要求21所述的抬头显示设备，其特征在于，

所述滤光元件为透射式光学器件，用于透射可见光光线、并用于反射或吸收红外光线和/或紫外光线；或

所述滤光元件为透射式光学器件，用于透射具有第一偏振态的光线、并用于反射或吸收具有第二偏振态的光线；或

所述滤光元件为透射式光学器件，用于透射具有第一偏振态的预定波段的可见光光线、并用于反射或吸收所述外界光线中除所述预定波段可见光光线波段外的其他光线。

24.一种抬头显示系统，其特征在于，包括具有反射区域的透反装置，以及如权利要求1-23中任意一项所述的抬头显示设备，所述抬头显示设备用于将所述成像光线沿成像光路投射至所述反射区域，以在所述透反装置的一侧形成虚像。

25.根据权利要求24所述的抬头显示系统，其特征在于，还包括设置在所述成像光路上的相位延迟元件，所述成像光线包括S偏振光。

26.根据权利要求24所述的抬头显示系统，其特征在于，所述反射区域上设置有P偏振反射膜，所述成像光线包括P偏振光。

27.根据权利要求24所述的抬头显示系统，其特征在于，所述像源经所述反射元件所成的虚像位于所述透反装置的焦平面处。

28.一种交通设备，其特征在于，包括如权利要求24-27任一项所述的抬头显示系统。

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