CN216118219U - 车载抬头显示系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种车载抬头显示系统，包括：挡风玻璃，设置于车辆中，且与水平线夹角为20°～45°；波导片，设置于挡风玻璃中，挡风玻璃为两层，分别位于波导片的两侧；或者，挡风玻璃为一层，设置于波导片的光栅一侧；波导片与挡风玻璃之间存在空气间隙；挡风玻璃和波导片均为平面结构或均为曲面结构。本申请车载抬头显示系统光亮度高，实现大视场和远距离成像。

Description

车载抬头显示系统

技术领域

本申请属于显示技术领域，特别涉及一种车载抬头显示系统。

背景技术

如今HUD(Head Up Display)越来越多的应用到车载系统当中，将人眼的实现集中在路面方向，同时能看到路面情况和行驶信息，实现安全驾驶。随着AR技术不断发展，将AR技术应用到HUD中成为一种新的趋势，实现车辆驾驶过程中虚拟画面和实际路况场景的有趣交互。

基于AR-HUD的信息显示屏放置方式有两种，第一种是立式AR-HUD，是将一块AR-HUD显示屏放置于仪表盘上方正对人眼平视位置的固定架上，直接看到AR-HUD显示屏呈现的信息画面。第二种是车窗反射式AR-HUD，使用AR-HUD显示屏平放在仪表盘上方的位置，将AR-HUD显示的信息画面投影在挡风玻璃上，再由挡风玻璃将信息画面反射进入人眼。

第一种立式AR-HUD显示屏的放置方式具有潜在危险性，在车辆碰撞时会对人产生二次伤害；且显示屏安装固定架在车内能够放置的空间较小，显示屏尺寸较小，显示尺寸有限。第二种车窗反射式AR-HUD显示屏的放置方式中的投影系统和反射系统会占用车内较大的空间，而且光在反射系统传播的过程中容易受玻璃面型和光照影响，能量损失大，画面亮度变低，人眼看到的画面亮度不到原始画面亮度的10％。

实用新型内容

本申请提供一种车载抬头显示系统，以解决现有的车载抬头显示系统亮度低、安装不便、视场小的问题。

为解决上述技术问题，本申请提出一种车载抬头显示系统，其特征在于，包括：挡风玻璃，设置于车辆中，且与水平线夹角为20°～45°；波导片，设置于所述挡风玻璃中，所述挡风玻璃为两层，分别位于所述波导片的两侧；或者，所述挡风玻璃为一层，设置于所述波导片的光栅一侧；所述波导片与所述挡风玻璃之间存在空气间隙；所述挡风玻璃和所述波导片均为平面结构或均为曲面结构。

在一个实施例中，所述波导片的一侧设置有入瞳区域光栅、扩瞳区域光栅和出瞳区域光栅，所述出瞳区域光栅对应车辆使用者的视觉区域；光进入所述入瞳区域光栅，衍射的光在波导片内全反射传播到扩瞳光栅区域，在扩瞳区域光栅衍射的光继续在波导片内全反射传播到出瞳区域光栅，在出瞳区域光栅衍射的光进入到人眼。

在一个实施例中，所述入瞳区域光栅、扩瞳区域光栅和出瞳区域光栅均为表面浮雕光栅，或体全息光栅。

在一个实施例中，所述入瞳区域光栅、扩瞳区域光栅和出瞳区域光栅构成的整体区域的边长为200mm～400mm。

在一个实施例中，所述波导片的水平视场角为15°，垂直视场角为10°。

在一个实施例中，在水平方向上，所述波导片的成像到所述车辆使用者的距离大于或等于20m；在水平方向上，所述车辆使用者到挡风玻璃的距离为20cm～40cm。

在一个实施例中，所述挡风玻璃的厚度为4mm～7mm。

在一个实施例中，所述车载抬头显示系统还包括投影设备，所述投影设备的投影图源为LCOS、Micro-LED、DLP投影的画面。

在一个实施例中，所述投影设备的投影光与进入人眼的光线在所述波导片的同一侧，所述投影光与水平方向的夹角为40°～90°，与所述挡风玻璃法线的夹角为45°～70°。

在一个实施例中，投影光线与进入人眼的光线不在同一侧，所述投影设备设置在挡风玻璃背向所述人眼的一侧，所述投影光以水平方向进入所述波导片，所述波导片输出的光线以水平方向进入所述人眼。

在一个实施例中，所述投影设备的出光区域到所述入瞳区域光栅的距离为0.5mm～1.5mm。

区别于现有技术，本申请车载抬头显示系统包括：挡风玻璃，设置于车辆中，且与水平线夹角为20°～45°；波导片，设置于挡风玻璃中，挡风玻璃为两层，分别位于波导片的两侧；或者，挡风玻璃为一层，设置于波导片的光栅一侧；波导片与挡风玻璃之间存在空气间隙；挡风玻璃和波导片均为平面结构或均为曲面结构。本申请车载抬头显示系统光亮度高，实现大视场和远距离成像。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：

图1是本申请车载抬头显示系统一实施例的结构示意图；

图2是本申请车载抬头显示系统中光波导路径的示意图；

图3是本申请车载抬头显示系统另一实施例的结构示意图

图4是本申请车载抬头显示系统成像视场的示意图；

图5是本申请车载抬头显示系统的正面视图；

图6是本申请车载抬头显示系统在汽车中的实际应用图；

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

目前车载AR-HUD显示屏不同的放置方式会有不同的缺点限制，为了让HUD显示系统更少占用车内的空间，减小潜在危险性提高安全性；不限制显示尺寸，根据实际需求可以在整面挡风玻璃上正对人眼的位置放置大尺寸的AR波导片，实现大视场和远距离成像，显示画面亮度高效画面清晰，提出将AR波导片与HUD集合在一起，再加上投影系统，形成一体化挡风玻璃HUD。

本申请提出一种车载抬头显示系统，具体请参阅图1-图5。本实施例车载抬头显示系统100包括波导片13、挡风玻璃11(15)和投影设备401。

本实施例中将波导片13和挡风玻璃11(15)集合到一起；结合实际应用，挡风玻璃11(15)和波导片13可以是斜平面，也可以是曲面，光栅平贴在波导片表面上。可选的一种结构可以有两层挡风玻璃11和15分别置在波导片13外两侧；可选的另一种结构只有一层挡风玻璃15在波导片13有光栅的一侧；挡风玻璃11(15)和波导片13之间一定要有小的空气间隙，保证满足光在AR波导介质内全反射的条件。

本实施例中波导片13上设置有入瞳区域光栅101、扩瞳区域光栅201和出瞳区域光栅301，三个光栅均为衍射光栅，具体可为表面浮雕光栅，或体全息光栅。出瞳区域光栅对应车辆使用者的视觉区域设置，具体来说区域中心正对人眼视线中心。

投影设备将信息画面光以某一角度入射到入瞳区域光栅101上，入瞳区域光栅101衍射光在波导片13的介质内全反射传播到扩瞳区域光栅201，在扩瞳区域光栅201衍射的光继续在波导介质内全反射传播到出瞳区域光栅301，在出瞳区域光栅衍射301的光进入到人眼。

具体请参阅图2，为光波导路径图，若要改变最后从出瞳区域301出射光的角度，需要调整投影系统401出射光的角度，让出瞳区域出射光线中心正对人眼中心。

投影设备401的图像源为LCOS、Micro-LED等显示屏或DLP投影的一次像面，可以改变画面光入射到挡风玻璃面上的入瞳光栅的角度，确保显示图像中心正对人眼中心。

挡风玻璃厚度4～7mm，在车辆中的角度为20°～45°，即相较于水平方向的倾斜角度，出瞳区域光栅301衍射的中心光要水平进入人眼中心。投影设备401的光要完全耦合进入瞳区域光栅101，投影设备401的出射光区域要尽量靠近入瞳区域光栅101，两个区域之间距离0.5～1.5mm。

在图1中投影光线与进入人眼的光线在同一侧，则投影光线与水平线夹角为40°～90°，与挡风玻璃表面法线的夹角为45°～70°。在图3中，投影光线与进入人眼的光线不在同一侧，在挡风玻璃背面。出瞳区域光栅衍射的中心光要水平进入人眼中心，则投影光线也要水平进入入瞳区域。

图4中，区域501为人眼视线区域，区域100为一体化挡风玻璃HUD。AR波导成像的水平视场角θ_H为15°，垂直视场角θ_V为10°；人眼到挡风玻璃面的距离20～40cm，信息画面成像位置距离人眼20m至无穷远处。

图5为人眼看到的挡风玻璃结合AR波导HUD显示屏正面图，区域100为AR-HUD，区域101为入瞳区域光栅，区域201为扩瞳区域光栅，区域301为出瞳区域光栅。出瞳区域衍射光栅的中心位置需要正对在人眼的视线范围中心，所以整个AR波导光栅区域位于挡风玻璃车窗的偏左偏下的位置。AR波导全部光栅区域200～400mm，可选的AR波导的尺寸大小可以根据实际需求调整。

本申请将AR-HUD装置的AR波导片与挡风玻璃集合到一起，只将投影系统放置在车内，体积小不占用很多的车内空间，而且根据实际需求可以在整面挡风玻璃上正对人眼的位置放置大尺寸的AR波导。画面光从投影系统发出后直接进入AR波导传播，不经过任何的转折系统，光能量损失较少，人眼看到的光亮度高，画面清晰，显示质量好。AR波导可以实现大视场和远距离成像，提高使用体验。

本申请直接将AR波导片内嵌在挡风玻璃中间，将挡风玻璃和HUD一体化，相较于第一种立式AR-HUD，AR波导片直接前装在挡风玻璃内，其外置的投影系统体积小较小，减少占用车内的空间，没有潜在危险性更安全；相较于第二种车窗反射式AR-HUD，光不需要经过半反半透镜成像，能够在经过AR波导后直接进入人眼，减少光经过反射系统的能量损失，提高显示的画面亮度。

本申请应用在汽车驾驶抬头显示系统中，将波导片与挡风玻璃集合到一起形成平视显示屏，加上投影系统，形成一体化挡风玻璃HUD，让车辆行驶信息和实际路况信息结合起来显示在人眼视线前方，将人的注意力集中在路面上，实现安全驾驶。如图6所示，图6为本实施例车载抬头显示系统在汽车中的具体应用。

其中，车辆使用者到挡风玻璃的距离为20cm～40cm，波导片水平视场角FOV为15°，垂直视场角FOV为10°，成像距离在20m至无穷远处，实现大视场和远距离成像。

在本说明书的上述描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“固定”、“安装”、“相连”或“连接”等术语应该做广义的理解。例如，就术语“连接”来说，其可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。因此，除非本说明书另有明确的限定，本领域技术人员可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

根据本说明书的上述描述，本领域技术人员还可以理解如下使用的术语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”、“中心”、“纵向”、“横向”、“顺时针”或“逆时针”等指示方位或位置关系的术语是基于本说明书的附图所示的方位或位置关系的，其仅是为了便于阐述本申请的方案和简化描述的目的，而不是明示或暗示所涉及的装置或元件必须要具有所述特定的方位、以特定的方位来构造和进行操作，因此上述的方位或位置关系术语不能被理解或解释为对本申请方案的限制。

另外，本说明书中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体的限定。

虽然本说明书已经示出和描述了本申请的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本申请思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本申请的过程中，可以采用对本文所描述的本申请实施例的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本申请的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的模块组成、等同或替代方案。

Claims (10)

1.一种车载抬头显示系统，其特征在于，包括：

挡风玻璃，设置于车辆中，且与水平线夹角为20°～45°；

波导片，设置于所述挡风玻璃中，所述挡风玻璃为两层，分别位于所述波导片的两侧；或者，所述挡风玻璃为一层，设置于所述波导片的光栅一侧；所述波导片与所述挡风玻璃之间存在空气间隙；

所述挡风玻璃和所述波导片均为平面结构或均为曲面结构。

2.根据权利要求1所述的车载抬头显示系统，其特征在于，所述波导片的一侧设置有入瞳区域光栅、扩瞳区域光栅和出瞳区域光栅，所述出瞳区域光栅对应车辆使用者的视觉区域；光进入所述入瞳区域光栅，衍射的光在波导片内全反射传播到扩瞳光栅区域，在扩瞳区域光栅衍射的光继续在波导片内全反射传播到出瞳区域光栅，在出瞳区域光栅衍射的光进入到人眼。

3.根据权利要求2所述的车载抬头显示系统，其特征在于，所述入瞳区域光栅、扩瞳区域光栅和出瞳区域光栅均为表面浮雕光栅，或体全息光栅。

4.根据权利要求2所述的车载抬头显示系统，其特征在于，所述入瞳区域光栅、扩瞳区域光栅和出瞳区域光栅构成的整体区域的边长为200mm～400mm。

5.根据权利要求1所述的车载抬头显示系统，其特征在于，所述波导片的水平视场角为15°，垂直视场角为10°。

6.根据权利要求1所述的车载抬头显示系统，其特征在于，在水平方向上，所述波导片的成像到所述车辆使用者的距离大于或等于20m；在水平方向上，所述车辆使用者到挡风玻璃的距离为20cm～40cm。

7.根据权利要求1所述的车载抬头显示系统，其特征在于，所述挡风玻璃的厚度为4mm～7mm。

8.根据权利要求2所述的车载抬头显示系统，其特征在于，所述车载抬头显示系统还包括投影设备，所述投影设备的投影图源为LCOS、Micro-LED、DLP投影的画面。

9.根据权利要求8所述的车载抬头显示系统，其特征在于，所述投影设备的投影光与进入人眼的光线在所述波导片的同一侧，所述投影光与水平方向的夹角为40°～90°，与所述挡风玻璃法线的夹角为45°～70°；或者，投影光线与进入人眼的光线不在同一侧，所述投影设备设置在挡风玻璃背向所述人眼的一侧，所述投影光以水平方向进入所述波导片；所述波导片输出的光线以水平方向进入所述人眼。

10.根据权利要求8所述的车载抬头显示系统，其特征在于，所述投影设备的出光区域到所述入瞳区域光栅的距离为0.5mm～1.5mm。

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