CN216870944U - 一种采用小倾角非球面凸透镜的高光学效率的光学模块 - Google Patents

Abstract

一种采用小倾角非球面凸透镜的高光学效率的光学模块。它包括沿成像光路依次设置的图像生成单元PGU、平面镜单元、凸透镜、扩散片、自由曲面凸面镜、自由曲面凹面镜、汽车挡风玻璃、眼盒；所述凸透镜为非球面凸透镜，所述非球面凸透镜呈小倾角设置，即所述非球面凸透镜的中轴线与成像光线的中轴线构成夹角，所述夹角为0.5度~5度，所述非球面凸透镜设置于PGU图像模块与扩散片之间且靠近扩散片设置；所述非球面凸透镜连接有精密转动机构。该光学模块在扩散片前增设一非球面凸透镜且基于小倾角设置，从而能控制PGU光线的发散角同时能使聚焦点变小，进而能减小像差且提升光学效率。

Description

一种采用小倾角非球面凸透镜的高光学效率的光学模块

技术领域

本实用新型涉及光学显示设备，特别是一种在扩散片前增设一非球面凸透镜且基于小倾角设置、从而能控制PGU光线的发散角同时能使聚焦点变小、进而能减小像差且提升光学效率的光学模块。

背景技术

传统的抬头显示器设计中，为了在有限制的车体空间里摆进体积最小化的面镜并且达到大视场角及高影像质量的设计， PGU系统与抬头显示光学系统在扩散片上的发散角会产生很大的角度差，且会需要较大尺寸的扩散片，以此来达成合理的光路结构，如图3，为传统PGU的光路设计，它包括沿成像光路依次设置的图像生成单元PGU1”、平面镜一81”、 平面镜二82”、凸透镜、扩散片3”、自由曲面凸面镜、自由曲面凹面镜、汽车挡风玻璃、眼盒，A1”与A2”之间的夹角为PGU投射到扩散片上的发散角，这样会产生两个很大的缺陷：1、由于PGU投射到扩散片上的发散角与抬头显示光学系统所需的角度差异大，造成通过抬头显示光学系统后的光学效率差，2、由于在扩散片上每个位置的发散角度差异不同,造成通过抬头显示光学系统后的均匀度差,影响驾驶者观看虚拟图像的视觉舒适度。

基于上述原因，本发明人提供了一种提升PGU与抬头显示光学系统光效率匹配性的光学模块，如图4，为一种提升PGU与抬头显示光学系统光效率匹配性的光学模块的PGU投射到扩散片上形成发散角的示意图，它包括沿成像光路依次设置的图像生成单元PGU1’、平面镜一81’、 平面镜二82’、凸透镜、扩散片3’、自由曲面凸面镜、自由曲面凹面镜、汽车挡风玻璃、眼盒，A1’与A2’之间的夹角为PGU投射到扩散片上的发散角，A3’为球面凸透镜九个视场点聚焦在扩散片上的光线图，该光学模块在在PGU系统的扩散片前加入一颗凸透镜，该凸透镜具有聚光效果，可以控制从PGU出发投射到扩散片上光线的发散角，以此提升PGU系统与抬头显示光学系统在扩散片上的发散角的匹配度，达到高光学效率、高均匀度的HUD系统，该PGU光学模块加入了凸透镜聚光，能有效的缩小扩散片尺寸，减小HUD系统的体积，但该方案中增设的为一般球面凸透镜且球面凸透镜采用无倾角设置，由于球面凸透镜自身的聚焦性能影响，会造成扩散片上的影像有严重像差，同时球面凸透镜中轴线与成像光线的中轴线平行即无倾角设置，不能实现扩散片上光线的最小聚焦。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决上述技术问题，提供一种采用小倾角非球面凸透镜的高光学效率的光学模块，该光学模块在扩散片前增设一非球面凸透镜且基于小倾角设置，从而能控制PGU光线的发散角同时能使聚焦点变小，进而能减小像差且提升光学效率。

为了解决上述现有技术问题,本实用新型的技术方案是:

本实用新型一种采用小倾角非球面凸透镜的高光学效率的光学模块，所述光学模块为HUD抬头显示光学系统，它包括沿成像光路依次设置的图像生成单元PGU、平面镜单元、凸透镜、扩散片、自由曲面凸面镜、自由曲面凹面镜、汽车挡风玻璃、眼盒；

所述平面镜单元设置于图像生成单元PGU的下方，用于反射图像生成单元PGU出射的图像光线并改变图像光线方向，所述图像生成单元PGU、平面镜单元组成PGU图像模块,所述扩散片设置于PGU图像模块的出射口，用于图像光线的发散；

所述凸透镜为非球面凸透镜，所述非球面凸透镜呈小倾角设置，即所述非球面凸透镜的中轴线与成像光线的中轴线构成夹角，所述夹角为0.5度~5度，所述非球面凸透镜设置于PGU图像模块与扩散片之间且靠近扩散片设置，所述图像生成单元PGU的图像光线经平面镜单元反射，然后图像光线依次穿过非球面凸透镜、扩散片，所述非球面凸透镜用于聚光，控制从PGU图像模块投射到扩散片上的图像光线的发散角，即将图像光线的发散角与扩散片尺寸相匹配，实现最佳的抬头显示光学系统的光效率，同时通过非球面凸透镜使得聚焦点变小，整体像差减小，由于非球面凸透镜的出射光线与扩散片呈一定夹角，所述非球面凸透镜呈小倾角设置，用于优化图像光线的聚中性能，从而获得最小的聚焦点；

所述非球面凸透镜连接有精密转动机构，用于对非球面凸透镜的小倾角进行微调，使得扩散片上的影像像差最小，从而实现最佳的显示效果；

所述自由曲面凸面镜、自由曲面凹面镜设置于汽车挡风玻璃下方且位于扩散片上方，图像光线经非球面凸透镜聚光并经扩散片发散后向上投射至自由曲面凸面镜，图像光线经自由曲面凸面镜、自由曲面凹面镜进行广角反射后向上投射至汽车挡风玻璃，所述眼盒位于汽车挡风玻璃的后方，图像光线经汽车挡风玻璃反射，经汽车挡风玻璃反射后的图像光线投射至眼盒位置，位于眼盒位置的人眼通过图像光线的反向延长线看到位于汽车挡风玻璃前方的虚像，实现光学模块的图像显示。

进一步，所述平面镜单元包括平面镜一、平面镜二，经图像生成单元PGU出射的图像光线依次经平面镜一、平面镜二反射；

进一步，所述光学模块还包括用于防尘的防尘罩，所述防尘罩为一透光罩体，所述防尘罩设置于自由曲面凹面镜与汽车挡风玻璃之间，经自由曲面凹面镜反射的图像光线透过防尘罩投射到汽车挡风玻璃上。

本实用新型一种采用小倾角非球面凸透镜的高光学效率的光学模块,其有益效果有：

1、该光学模块在扩散片前增设一非球面凸透镜且基于小倾角设置，从而能控制PGU光线的发散角同时能使聚焦点变小，进而能减小像差且提升光学效率，实现高光学效率、高均匀度、像差小的HUD系统；

2、非球面凸透镜连接有精密转动机构，可以对非球面凸透镜的小倾角进行微调，实现最佳的显示效果；

3、加入了非球面凸透镜聚光，能有效的缩小扩散片尺寸，减小HUD系统的体积；

4、相对于采用球面凸透镜的方式，计算后视场聚焦点大小平均缩小1.68倍左右。

附图说明

图1，为本实用新型一种采用小倾角非球面凸透镜的高光学效率的光学模块的结构图；

图2，为本实用新型一种采用小倾角非球面凸透镜的高光学效率的光学模块的PGU投射到扩散片上形成发散角的示意图；

图3，为传统的光学模块的PGU投射到扩散片上形成发散角的示意图；

图4，为一种提升PGU与抬头显示光学系统光效率匹配性的光学模块的PGU投射到扩散片上形成发散角的示意图；

图5，为一种提升PGU与抬头显示光学系统光效率匹配性的光学模块的球面凸透镜九个视场点聚焦在扩散片上的点图；

图6，为本实用新型一种采用小倾角非球面凸透镜的高光学效率的光学模块的的非球面凸透镜九个视场点聚焦在扩散片上的点图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步说明：

实施例：

如图1~图6，图2中，A1与A2之间的夹角为PGU图像模块投射到扩散片3上的发散角，A3为非球面凸透镜九个视场点聚焦在扩散片上的光线图，本实用新型一种采用小倾角非球面凸透镜的高光学效率的光学模块，所述光学模块为HUD抬头显示光学系统，它包括沿成像光路依次设置的图像生成单元PGU1、平面镜单元、凸透镜2、扩散片3、自由曲面凸面镜4、自由曲面凹面镜5、汽车挡风玻璃6、眼盒7；

所述平面镜单元设置于图像生成单元PGU的下方，用于反射图像生成单元PGU出射的图像光线并改变图像光线方向，所述图像生成单元PGU、平面镜单元组成PGU图像模块,所述平面镜单元包括平面镜一81、平面镜二82，经图像生成单元PGU出射的图像光线依次经平面镜一、平面镜二反射，所述扩散片3设置于PGU图像模块的出射口，用于图像光线的发散；

所述凸透镜2为非球面凸透镜，所述非球面凸透镜呈小倾角设置，即所述非球面凸透镜的中轴线与成像光线的中轴线构成夹角θ，所述夹角θ为1.5度，所述非球面凸透镜设置于PGU图像模块与扩散片之间且靠近扩散片设置，所述图像生成单元PGU的图像光线经平面镜单元反射，然后图像光线依次穿过非球面凸透镜、扩散片，所述非球面凸透镜用于聚光，控制从PGU图像模块投射到扩散片上的图像光线的发散角，即将图像光线的发散角与扩散片尺寸相匹配，实现最佳的抬头显示光学系统的光效率，同时通过非球面凸透镜使得聚焦点变小，整体像差减小，由于非球面凸透镜的出射光线与扩散片呈一定夹角，所述非球面凸透镜呈小倾角设置，用于优化图像光线的聚中性能，从而获得最小的聚焦点；

所述非球面凸透镜连接有精密转动机构，用于对非球面凸透镜的小倾角进行微调，使得扩散片上的影像像差最小，从而实现最佳的显示效果；

所述自由曲面凸面镜4、自由曲面凹面镜5设置于汽车挡风玻璃6下方且位于扩散片3上方，图像光线经凸透镜聚光并经扩散片发散后向上投射至自由曲面凸面镜，图像光线经自由曲面凸面镜、自由曲面凹面镜进行广角反射后向上投射至汽车挡风玻璃，所述眼盒7位于汽车挡风玻璃6的后方，图像光线经汽车挡风玻璃反射，经汽车挡风玻璃反射后的图像光线投射至眼盒位置，位于眼盒位置的人眼通过图像光线的反向延长线看到位于汽车挡风玻璃前方的虚像，实现光学模块的图像显示；所述光学模块还包括用于防尘的防尘罩9，所述防尘罩为一透光罩体，所述防尘罩设置于自由曲面凹面镜5与汽车挡风玻璃6之间，经自由曲面凹面镜反射的图像光线透过防尘罩投射到汽车挡风玻璃上。

以上已将本实用新型做一详细说明，以上所述，仅为本实用新型之较佳实施例而已，当不能限定本实用新型实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖范围内。

Claims (3)

1.一种采用小倾角非球面凸透镜的高光学效率的光学模块，所述光学模块为HUD抬头显示光学系统，它包括沿成像光路依次设置的图像生成单元PGU、平面镜单元、凸透镜、扩散片、自由曲面凸面镜、自由曲面凹面镜、汽车挡风玻璃、眼盒，其特征在于：

所述平面镜单元设置于图像生成单元PGU的下方，用于反射图像生成单元PGU出射的图像光线并改变图像光线方向，所述图像生成单元PGU、平面镜单元组成PGU图像模块,所述扩散片设置于PGU图像模块的出射口，用于图像光线的发散；

所述凸透镜为非球面凸透镜，所述非球面凸透镜呈小倾角设置，即所述非球面凸透镜的中轴线与成像光线的中轴线构成夹角，所述夹角为0.5度~5度，所述非球面凸透镜设置于PGU图像模块与扩散片之间且靠近扩散片设置，所述图像生成单元PGU的图像光线经平面镜单元反射，然后图像光线依次穿过非球面凸透镜、扩散片，所述非球面凸透镜用于聚光，控制从PGU图像模块投射到扩散片上的图像光线的发散角，即将图像光线的发散角与扩散片尺寸相匹配，实现最佳的抬头显示光学系统的光效率，同时通过非球面凸透镜使得聚焦点变小，整体像差减小，由于非球面凸透镜的出射光线与扩散片呈一定夹角，所述非球面凸透镜呈小倾角设置，用于优化图像光线的聚中性能，从而获得最小的聚焦点；

所述非球面凸透镜连接有精密转动机构，用于对非球面凸透镜的小倾角进行微调；

所述自由曲面凸面镜、自由曲面凹面镜设置于汽车挡风玻璃下方且位于扩散片上方，图像光线经非球面凸透镜聚光并经扩散片发散后向上投射至自由曲面凸面镜，图像光线经自由曲面凸面镜、自由曲面凹面镜进行广角反射后向上投射至汽车挡风玻璃，所述眼盒位于汽车挡风玻璃的后方，图像光线经汽车挡风玻璃反射，经汽车挡风玻璃反射后的图像光线投射至眼盒位置，位于眼盒位置的人眼通过图像光线的反向延长线看到位于汽车挡风玻璃前方的虚像，实现光学模块的图像显示。

2.根据权利要求1所述的一种采用小倾角非球面凸透镜的高光学效率的光学模块，其特征在于，所述平面镜单元包括平面镜一、平面镜二，经图像生成单元PGU出射的图像光线依次经平面镜一、平面镜二反射。

3.根据权利要求1所述的一种采用小倾角非球面凸透镜的高光学效率的光学模块，其特征在于，所述光学模块还包括用于防尘的防尘罩，所述防尘罩为一透光罩体，所述防尘罩设置于自由曲面凹面镜与汽车挡风玻璃之间，经自由曲面凹面镜反射的图像光线透过防尘罩投射到汽车挡风玻璃上。

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