CN218446222U - 一种用于商用车的抬头显示光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于商用车的抬头显示光学系统，涉及机械工业技术领域。该抬头显示光学系统，安装于挡风玻璃下方，包括LCD屏、大反射镜和小反射镜，LCD屏发出的光束行进至小反射镜，经小反射镜反射出的光束沿着第一光路入射至大反射镜，经大反射镜反射出的光束沿着第二光路反射至挡风玻璃上，且大反射镜设置于小反射镜左下方，挡风玻璃位于大反射镜右上方。本申请中LCD屏发出的光束依次经过小反射镜和大反射镜行进至挡风玻璃上，其中大反射镜发射出的光束沿左下到右上经挡风玻璃反射最后到达人眼，本发明能够解决大反射镜过于水平放置引发的大反射镜倒影杂散光问题以及解决大小反射镜之间偏移导致的大角度像差问题。

Description

一种用于商用车的抬头显示光学系统

技术领域

本公开涉及机械工业技术领域，特别涉及一种用于商用车的抬头显示光学系统。

背景技术

抬头显示器(HUD，Head Up Display)最早是应用于航空领域上的飞行辅助仪器，主要作用是让飞行员不需要低头看各种仪表就能顺利操作飞行器。随着HUD的技术成熟和成本降低，该技术已扩展到汽车领域，已成为高端车型的标配。抬头显示是指以驾驶员为中心、盲操作、多功能仪表盘。它的作用，就是把时速、导航等重要的行车信息，投影到驾驶员前面的挡风玻璃上，让驾驶员尽量做到不低头、不转头，视线无需离开驾驶前方就能看到时速、导航等重要的驾驶信息，提高了行车安全。

由于商务车下视角比较大以及周边件的影响，因此会导致商务车的HUD大小镜片的位置与常规HUD的位置存在差异。常规HUD的光路设计，如公开号为CN109522597A的中国专利公开了一种基于风挡面型重构的车载AR-HUD设计方法，如附图1所示，由LCD屏4发出的光线通过折转反射镜3入射到反射镜2，再投影到汽车风挡1上，人眼通过汽车风挡1可看到成像在汽车前方的虚像，这种设计的HUD适合于风挡玻璃倾角较小的汽车，汽车挡风玻璃倾角较小，司机座位也比较低，下视角较小，对于挡风玻璃倾角较大的商用车不适合。

为此，针对上述存在的问题，本申请提出了一种用于商用车的抬头显示光学系统。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种用于商用车的抬头显示光学系统，旨在解决现有技术中常规设计的HUD不适于商用车的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种用于商用车的抬头显示光学系统，安装于挡风玻璃下方，包括LCD屏、大反射镜和小反射镜，所述LCD屏发出的光束行进至所述小反射镜，经所述小反射镜反射出的光束沿着第一光路入射至所述大反射镜，经所述大反射镜反射出的光束沿着第二光路反射至所述挡风玻璃上，且所述大反射镜设置于所述小反射镜左下方，所述挡风玻璃位于所述大反射镜右上方，所述小反射镜位于所述LCD屏上方，所述LCD屏位于所述大反射镜右侧，所述第二光路与所述大反射镜垂直设置。

在本公开实施例的另一种实现方式中，所述大反射镜和小反射镜均为自由曲面，所述大反射镜的曲率半径r1＜500mm，所述小反射镜的曲率半径r2＜2500mm，所述LCD屏和小反射镜之间的距离l＞55mm。

在本公开实施例的另一种实现方式中，所述大反射镜为自由曲面，所述小反射镜为双锥面，所述大反射镜的曲率半径r1＜500mm，所述小反射镜的曲率半径r2＜1000mm，所述LCD屏和小反射镜之间的距离l＞55mm。

在本公开实施例的另一种实现方式中，所述大反射镜为双锥面，所述小反射镜为自由曲面，所述大反射镜的曲率半径r1＜1000mm，所述小反射镜的曲率半径r2＜500，所述LCD屏和小反射镜之间的距离l＞55mm。

在本公开实施例的另一种实现方式中，所述挡风玻璃的通光部分边缘在水平方向上的曲率半径大于3000mm，其在垂直方向上的曲率半径大于6000mm。

在本公开实施例的另一种实现方式中，还包括设置于所述大反射镜上方的防倒灌结构，所述防倒灌结构包括防尘板，所述防尘板采用的是透明PC，其透过率大于90%；或者，所述防尘板采用的是内表面包含偏振分光薄膜的透明PC ，其与LCD出光偏振方向一致且对应光轴透过率>90%；或者，所述防尘板的内表面存在两层结构，第一层为偏振分光膜，第二层为类1/4玻片薄膜。

第二方面，本发明一种抬头显示光学系统的控制方法，适用于如上述的抬头显示器，该抬头显示器适用于一商用车，该商用车具有一挡风玻璃，该方法包括：

控制LCD屏生成携带图像信息的光束，并将光束向上投射至小反射镜上；

所述小反射镜反射出的光束向下入射至大反射镜上；

所述大反射镜反射出的光束垂直折返至所述挡风玻璃上。

在本公开实施例的另一种实现方式中，还包括：

获取所述LCD屏的位置信息；

判断所述LCD屏与小反射镜之间的距离是否符合预设的距离要求，若不符合，则控制所述LCD屏移动，以使所述LCD屏和小反射镜之间的距离满足预设的距离要求。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：本申请通过设置LCD屏、大反射镜和小反射镜相互配合，LCD屏发出的光束依次经过小反射镜和大反射镜行进至挡风玻璃上，其中大反射镜发射出的光束沿左下到右上经挡风玻璃反射最后到达人眼，本申请所提供的抬头显示光学系统可利用较少数量的反射镜，达到相同的光学效果，并使得挡风玻璃能够呈较大倾角，使得该抬头显示光学系统能够适用于商用车；

与乘用车即风挡玻璃与水平夹角夹角较小时（57°）相比，本发明能够解决大反射镜过于水平放置引发的大反射镜倒影杂散光问题，具体为，按常规光路布置HUD，则大反射镜过于水平，大反射镜水平放置会导致大反射镜倒影杂散光的问题，按本发明的方式布置HUD，则不会出现大反射镜过于水平的问题，同时可避免大镜片倒影杂散光的问题；

另外，本发明同时能够解决大小反射镜之间偏移导致的大角度像差问题，具体为，如附图2所示，按常规光路布置HUD，大小反射镜之间偏移而导致的光线之间的夹角过大，像差矫正困难增大，本发明的布置方式能够改善像差矫正困难的问题。

附图说明

图1是现有技术提供基于风挡面型重构所设计的车载AR-HUD光学系统图；

图2是现有技术提供常规光路布置HUD的局部示意图；

图3是本公开实施例提供的一种用于商用车的抬头显示光学系统的结构示意图；

图4是本公开另一实施例提供的一种用于商用车的抬头显示光学系统的结构示意图；

图5是本公开实施例在大、小反射镜均为自由曲面情况下的解像力图；

图6是本公开实施例在大反射镜为自由曲面，小反射镜为双锥面的情况下的解像力图；

图7是本公开实施例在大反射镜为双锥面，小反射镜为自由曲面的情况下的解像力图。

附图标记：

10、LCD屏；20、大反射镜；30、小反射镜；40、挡风玻璃；50、第一光路；60、第二光路；70、防尘板。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

在本发明中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

图2是本实施例公开实施例提供的一种用于商用车的抬头显示光学系统的结构示意图。如图2所示，抬头显示光学系统安装于挡风玻璃40下方，该抬头显示光学系统包括：LCD屏10、大反射镜20和小反射镜30。

具体而言，如图2所示，LCD屏10发出的光束行进至小反射镜30，经小反射镜30反射出的光束沿着第一光路50入射至大反射镜20，经大反射镜20反射出的光束沿着第二光路60反射至挡风玻璃40上，且大反射镜20设置于小反射镜30左下方，挡风玻璃40位于大反射镜20右上方。

如图3所示，更为具体地，小反射镜30位于LCD屏10上方，LCD屏10位于大反射镜20右侧，第二光路60与大反射镜20垂直设置。

由此设置，LCD屏10发出的光束向上行进至小反射镜30，小反射镜30发射出的光束自右上向左下方向入射至大反射镜20，大反射镜20发射出的光束自左下向右下反射至挡风玻璃上40，保证第一光路50和第二光路60之间的夹角较小，从而有利于设计和杂散光的消除，以及保证该抬头显示光学系统的整体体积较小。此外，通过将第二光路60与大反射镜20垂直设置能够保证挡风玻璃呈较大倾角设置。优选地，小反射镜30位于LCD屏10正上方，进一步缩小了该抬头显示光学系统的整体体积。

本实施例提供的用于商用车的抬头显示光学系统通过设置LCD屏10、大反射镜20和小反射镜30相互配合，LCD屏10发出的光束依次经过小反射镜30和大反射镜20行进至挡风玻璃40上，其中大反射镜20发射出的光束沿左下到右上经挡风玻璃40反射最后到达人眼，使得该抬头显示光学系统能够适用于商用车。

与乘用车即风挡玻璃与水平夹角较小时（57°）相比，本发明能够解决大反射镜过于水平放置引发的大反射镜倒影杂散光问题，具体为，按常规光路布置HUD，则大反射镜过于水平，大反射镜水平放置会导致大反射镜倒影杂散光的问题，按本发明的方式布置HUD，则不会出现大反射镜过于水平的问题，同时可避免大镜片倒影杂散光的问题；

另外，本发明同时能够解决大小反射镜之间偏移导致的大角度像差问题，具体为，如图2所示，按常规光路布置HUD，大反射镜11与小反射镜12之间偏移而导致的光线之间的夹角A过大，像差矫正困难增大，本发明的布置方式能够改善像差矫正困难的问题。

如图3所示，LCD屏10可以发射带有图像信息的光束，小反射镜30和大反射镜20能将光束反射至前挡风玻璃40上。小反射镜30和大反射镜20依次对LCD屏10发出的光束进行反射，以在挡风玻璃40上形成完整目标图像的目的。

需要理解的是，在另一实施方式中，小反射镜30和大反射镜20均包括多个反射镜单元，每个反射镜单元反射的光束承载目标图像的一部分区域的图像信息，这样就实现了通过多个反射镜单元对同一目标图像的部分区域分别进行反射投影，以在挡风玻璃40上形成完整目标图像的目的。

由此设置，相较于采用一整个大尺寸的反射镜，这样将反射镜拆分为多个尺寸更小的反射镜单元，不仅能降低反射镜的制作难度，节省制作反射镜的成本。

在一种实现方式中，大反射镜20和小反射镜30均为自由曲面，大反射镜20的曲率半径r1＜500mm，小反射镜30的曲率半径r2＜2500mm，LCD屏10和小反射镜30之间的距离l＞55mm。通过将大反射镜20和小反射镜30设置成相同的形状，这样在对大反射镜20和小反射镜30的形状进行加工时，都可以采用同一模具，从而能降低开模成本，并且也能有效提高生产效率。

在大、小反射镜均为自由曲面的情况下，结合表1和表2中的HUD设计参数。

表1 大、小反射镜均为自由曲面的HUD的参数

其中，K为圆锥度系统。

表2 大、小反射镜均为自由曲面的HUD的参数

其中，A1至A9为非球面系数。

采用表1和表2中的参数设计，从附图5(附图5中的各曲线代表的是不同的视场）中可看出，由本实现方式所述的大、小反射镜均为自由曲面而成的HUD抬头能够达到清晰的成像效果。

在另一种实现方式中，大反射镜20为自由曲面，小反射镜30为双锥面，大反射镜20的曲率半径r1＜500mm，小反射镜30的曲率半径r2＜1000mm，LCD屏10和小反射镜30之间的距离l＞55mm。

在大反射镜20为自由曲面，小反射镜30为双锥面的情况下，结合表1和表2中的HUD设计参数。

表3 大反射镜为自由曲面，小反射镜为双锥面的HUD的参数

表4 大反射镜为自由曲面，小反射镜为双锥面的HUD的参数

其中，A1至A20为非球面系数。

采用表3和表4中的参数设计，从附图6(附图6中的各曲线代表的是不同的视场）中可看出，由本实现方式所述的大反射镜为自由曲面，小反射镜为双锥面而成的HUD抬头能够达到清晰的成像效果。

在另一种实现方式中，大反射镜20为双锥面，小反射镜30为自由曲面，大反射镜20的曲率半径r1＜1000mm，小反射镜30的曲率半径r2＜500mm，LCD屏10和小反射镜30之间的距离l＞55mm。

在大反射镜20为双锥面，小反射镜30为自由曲面的情况下，结合表1和表2中的HUD设计参数。

表5 大反射镜为双锥面，小反射镜为自由曲面的HUD的参数

表6 大反射镜为双锥面，小反射镜为自由曲面的HUD的参数

其中，A1至A20为非球面系数。

采用表5和表6中的参数设计，从附图7(附图7中的各曲线代表的是不同的视场）中可看出，由本实现方式所述大反射镜为双锥面，小反射镜为自由曲面而成的HUD抬头能够达到清晰的成像效果

另外，应当理解的是，大反射镜20和小反射镜30的结构不仅仅采用以上面型的组合，还有其他面型组合，如自由曲面、双锥面、泽尼克表面、多项式表面、标准面等等的自由组合，该表面组合能实现HUD的功能即可。

在本实施方式中，挡风玻璃40的通光部分边缘在水平方向上的曲率半径大于3000mm，其在垂直方向上的曲率半径大于6000mm。

如图4所示，可选地，该汽车抬头显示器光学系统还包括设置于所述大反射镜20上方的防倒灌结构，防倒灌结构包括防尘板70，防尘板70采用的是透明PC，其透过率大于90%；或者，防尘板70采用的是内表面包含偏振分光薄膜的透明PC ，其与LCD出光偏振方向一致且对应光轴透过率>90%；或者，防尘板70的内表面存在两层结构，第一层为偏振分光膜，第二层为类1/4玻片薄膜。

第二方面，本发明一种抬头显示光学系统的控制方法，适用于如上述的抬头显示器，该抬头显示器适用于一商用车，该商用车具有一挡风玻璃，该方法包括：

控制LCD屏生成携带图像信息的光束，并将光束向上投射至小反射镜上；

所述小反射镜反射出的光束向下入射至大反射镜上；

所述大反射镜反射出的光束垂直折返至所述挡风玻璃上。

在本公开实施例的另一种实现方式中，该抬头显示光学系统的控制方法还包括：获取所述LCD屏的位置信息；判断所述LCD屏与小反射镜之间的距离是否符合预设的距离要求，若不符合，则控制所述LCD屏移动，以使所述LCD屏和小反射镜之间的距离满足预设的距离要求，有利于保证LCD屏和小反射镜之间的距离满足预设的距离要求，从而保证较佳的成像效果，需要理解的是，在调整LCD屏和小反射镜之间的距离的过程中，只需移动LCD屏，小反射镜的位置是不变的，从而保证了光束的反射路径不发生偏差。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点 ,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种用于商用车的抬头显示光学系统，安装于挡风玻璃下方，包括LCD屏、大反射镜和小反射镜，其特征在于，所述LCD屏发出的光束行进至所述小反射镜，经所述小反射镜反射出的光束沿着第一光路入射至所述大反射镜，经所述大反射镜反射出的光束沿着第二光路反射至所述挡风玻璃上，且所述大反射镜设置于所述小反射镜左下方，所述挡风玻璃位于所述大反射镜右上方，所述小反射镜位于所述LCD屏上方，所述LCD屏位于所述大反射镜右侧，所述第二光路垂直于所述大反射镜设置。

2.根据权利要求1所述的一种用于商用车的抬头显示光学系统，其特征在于，所述大反射镜和小反射镜均为自由曲面，所述大反射镜的曲率半径r1＜500mm，所述小反射镜的曲率半径r2＜2500mm，所述LCD屏和小反射镜之间的距离l＞55mm。

3.根据权利要求1所述的一种用于商用车的抬头显示光学系统，其特征在于，所述大反射镜为自由曲面，所述小反射镜为双锥面，所述大反射镜的曲率半径r1＜500mm，所述小反射镜的曲率半径r2＜1000mm，所述LCD屏和小反射镜之间的距离l＞55mm。

4.根据权利要求1所述的一种用于商用车的抬头显示光学系统，其特征在于，所述大反射镜为双锥面，所述小反射镜为自由曲面，所述大反射镜的曲率半径r1＜1000mm，所述小反射镜的曲率半径r2＜500，所述LCD屏和小反射镜之间的距离l＞55mm。

5.根据权利要求1所述的一种用于商用车的抬头显示光学系统，其特征在于，所述挡风玻璃的通光部分边缘在水平方向上的曲率半径大于3000mm，其在垂直方向上的曲率半径大于6000mm。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种用于商用车的抬头显示光学系统，其特征在于，还包括设置于所述大反射镜上方的防倒灌结构，所述防倒灌结构包括防尘板，所述防尘板采用的是透明PC，其透过率大于90%；或者，所述防尘板采用的是内表面包含偏振分光薄膜的透明PC ，其与LCD出光偏振方向一致且对应光轴透过率>90%；或者，所述防尘板的内表面存在两层结构，第一层为偏振分光膜，第二层为类1/4玻片薄膜。

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