CN219245861U - 一种带有曲面像源的抬头显示装置和交通工具 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种带有曲面像源的抬头显示装置和交通工具，包括：曲面像源，设置为发出图像光线；调节组件，设置在曲面像源的出光侧，设置为调节图像光线后，将图像光线入射至反射成像组件；反射成像组件，设置在调节组件的出光侧，设置为利用图像光线形成虚像；所述曲面像源的出光面的形状设置为使形成的所述虚像的至少部分与实景相匹配。在本实用新型的实施例中，通过设置曲面像源，使抬头显示装置所成的虚像变形，虚像与实景相匹配，从而增强虚像与实景的贴合程度。
Description
技术领域
本实用新型一般涉及抬头显示技术领域。更具体地，涉及一种带有曲面像源的抬头显示装置和交通工具。
背景技术
抬头显示HUD(head up display)是通过反射式的光学设计，将图像源出射的光线最终投射到反射成像组件(成像板或挡风玻璃等)上，用户无需低头就可以直接看到抬头显示器的虚像。抬头显示器可以避免驾驶员在驾驶车辆过程中低头看仪表盘，提高驾驶安全系数。
AR-HUD是AR增强现实技术和HUD抬头显示相结合，拥有更大的视场角和更远的成像距离，目的是直接将虚拟图像叠加到现实景象上。但是，当AR-HUD的虚拟图像的虚像距离(Virtual Image Distance，简称，VID)与现实景象不匹配时，会导致用户的视线焦点在现实景象和虚拟图像之间切换聚焦，产生视觉疲劳。
由于车道线的曲直情况、车辆朝向的变化、现实景象的外形和方位等多种因素的影响，将虚拟图像与现实景象进行贴合比较困难。
有鉴于此，亟需提供一种抬头显示装置和交通工具，以便实现所成的虚拟图像与现实景象更加贴合。
实用新型内容
为了至少解决如上所提到的一个或多个技术问题，本实用新型在多个方面中提出了一种带有曲面像源的抬头显示装置和交通工具。
在第一方面的实施例中，本实用新型提供了一种带有曲面像源的抬头显示装置，包括：曲面像源，设置为发出图像光线；调节组件，设置在曲面像源的出光侧，设置为调节图像光线后，将图像光线入射至反射成像组件；反射成像组件，设置在调节组件的出光侧，设置为利用图像光线形成虚像；所述曲面像源的出光面的形状设置为使形成的所述虚像的至少部分与实景相匹配。
在第二方面的实施例中，本实用新型提供了一种交通工具，包括根据第一方面中任一所述的抬头显示装置。
例如，在本实用新型的第一方面至第二方面的实施例中，所述曲面像源的出光面的形状设置为与所述虚像的形状匹配，其中，当所述曲面像源包括幕布时，出光面为所述幕布形成的曲面；当所述曲面像源为多个光源组成时，出光面为多个光源以阵列形式构成的曲面。
例如，在本实用新型的第一方面至第二方面的实施例中，所述曲面像源的出光面设置为至少部分沿纵向方向上曲率渐变，以使所述图像光线形成至少部分沿纵向方向上弯曲的虚像面；或，所述曲面像源的出光面设置为至少部分沿横向方向上曲率渐变，以使所述图像光线形成至少部分沿横向方向上弯曲虚像面；或，所述曲面像源的出光面设置为至少部分沿纵向方向上曲率渐变、且至少部分沿横向方向上曲率渐变，以使所述图像光线形成至少部分沿纵向方向弯曲、且至少部分沿横向方向上弯曲的虚像面。
例如，在本实用新型的第一方面至第二方面的实施例中，所述曲面像源的出光面设置为至少部分沿纵向方向上曲率渐变，使虚像具备以下特征：所述虚像包括沿纵向方向排列的第一虚像部和第二虚像部，其中，所述第一虚像部包括前下方子虚像部和/或前上方子虚像部，所述第二虚像部包括前方子虚像部，其中，所述第一虚像部和第二虚像部的连接部分为直角或圆角，所述前方子虚像部与安装有所述抬头显示装置的交通工具的行车方向前方的路面相贴合；或，所述曲面像源的出光面设置为至少部分沿横向方向上曲率渐变，使虚像具备以下特征：所述虚像包括沿横向方向排列的第三虚像部和第四虚像部，其中，所述第三虚像部包括左侧虚像部和/或右侧虚像部，所述第四虚像部包括前下方子虚像部、前方子虚像部和前上方子虚像部之一；或，所述曲面像源的出光面设置为至少部分沿纵向方向上曲率渐变、且至少部分沿横向方向上曲率渐变，使虚像具备以下特征：所述虚像包括所述第三虚像部和第五虚像部，其中，所述第五虚像部包括前下方子虚像部、前方子虚像部和前上方子虚像部中的至少之一。
例如，在本实用新型的第一方面至第二方面的实施例中，所述曲面像源包括支架、以及设置在支架上的多个光源，所述支架设置为调节各光源的位置，使多个光源排列形成曲面；或，所述曲面像源包括支架、以及设置在支架上的幕布，所述支架设置为调节幕布的形状以形成曲面。
例如，在本实用新型的第一方面至第二方面的实施例中，所述调节组件包括自由曲面反射镜；所述自由曲面反射镜设置为反射所述图像光线至反射成像组件，以使所述图像光线经所述反射成像组件反射后形成放大的虚像。
例如，在本实用新型的第一方面至第二方面的实施例中，所述曲面像源采用DLP或LCOS像源，所述DLP或LCOS像源包括成像模块和幕布，所述成像模块包括镜头组件，用于将图像光线出射至幕布；光补偿组件，设置在所述成像模块和所述幕布之间的传播光路上并且对由所述成像模块的镜头组件传播出射的至少部分图像光线进行至少一次折射，以使所述图像光线在所述幕布上成清晰的像。
例如，在本实用新型的第一方面至第二方面的实施例中，所述幕布为中心朝向远离图像光线入射方向凸起的凹进形屏幕，并且所述光补偿组件包括：发散透镜，其用于对图像光线进行一次发散操作；或者，发散透镜组件，其包括至少两个按照图像光线额传播方向依次设置的发散透镜，其中每个所述发散透镜用于：对接收到的图像光线进行一次发散操作，以及将发散后的图像光线向下一发散透镜或幕布传播。
例如，在本实用新型的第一方面至第二方面的实施例中，所述幕布为中心朝向靠近图像光线入射方向凸起的凸起形屏幕，并且所述光补偿组件包括：汇聚透镜，其用于对由所述成像模块传播来的光线进行一次汇聚操作；或者，汇聚透镜组件，其包括至少两个按照所述光线的传播方向依次布置的汇聚透镜，其中的每个汇聚透镜用于：对接收到的图像光线进行一次汇聚操作；以及将汇聚后的图像光线向下一汇聚透镜或幕布传播。
例如，在本实用新型的第一方面至第二方面的实施例中，抬头显示装置还包括畸变矫正模块，其设置在所述光补偿组件和幕布之间的传播光路上，用于对所述光补偿组件折射后的图像光线进行汇聚操作，以减小所述光补偿组件对图像光线进行折射所产生的光学畸变。
在本实用新型的实施例中，通过设置曲面像源，使抬头显示装置所成的虚像与实景相匹配，从而增强虚像与实景的贴合程度。通过设置曲率渐变，使虚像具备连续性。通过设置曲面像源在纵向方向上或横向方向上曲率渐变，使得虚像与行车方向的前方、地面的实景贴合或与行车方向的前方和侧面的实景贴合。通过设置条状像源单元或块状像源单元，使得曲面像源所成的虚像灵活设置为与实景相贴合，避免图像光线的偏移。通过曲面像源的支架对像源单元进行拼接控制，实时对曲面像源的曲率进行调节，进而可以实时改变虚像的面型。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本实用新型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实用新型的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
图1a示出了带有曲面像源的抬头显示装置的一种示意图；
图1b示出了带有曲面像源的抬头显示装置的另一种示意图；
图2示出了一种曲面像源的示意图；
图3示出了另一种曲面像源的示意图；
图4示出了一种虚像成像面的示意图；
图5示出了左侧虚像部的示意图；
图6示出了右侧虚像部的示意图；
图7示出了左侧虚像部和地面虚像部组合的示意图；
图8示出了左侧虚像部和天空虚像部组合的示意图。
图9示出了左侧虚像部、右侧虚像部以及天空虚像部组合的示意图；
图10示出了左侧虚像部、右侧虚像部、前方虚像部和地面虚像部组合的示意图；
图11示出了左侧虚像部、右侧虚像部和前方虚像部组合的示意图；
图12示出了左侧虚像部、右侧虚像部、天空虚像部、地面虚像部以及前方虚像部组合的示意图；
图13示出了一种曲面像源的出光面的示意图；
图14示出了另一种曲面像源的出光面的示意图；
图15示出了一种带幕布的曲面像源的示意图；
图16示出了另一种带幕布的曲面像源的示意图；
图17示出了带有光补偿组件的曲面像源的架构示意图；
图18示出了图17的一个实施方式的光路结构示意图；
图19示出了图17的另一实施方式的光路结构示意图；
图20示出了一种包括畸变矫正模块的曲面像源示意图；
图21示出了另一种包括畸变矫正模块的曲面像源示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
应当理解，本实用新型的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本实用新型说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的，而并不意在限定本实用新型。如在本实用新型说明书和权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。还应当进一步理解，在本实用新型说明书和权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
下面结合附图来详细描述本实用新型的具体实施方式。
图1a和1b分别示出了包括反射件和不包括反射件的示出了带有曲面像源的抬头显示装置的示意图。
如图1a和1b所示，一种带有曲面像源的抬头显示装置，包括：曲面像源100，设置为发出图像光线。调节组件，设置在曲面像源100的出光侧，设置为调节图像光线后，将图像光线入射至反射成像组件400；反射成像组件400，设置在调节组件的出光侧，设置为利用图像光线形成虚像。所述曲面像源100的出光面的形状设置为使形成的虚像的至少部分与实景相匹配。
调节组件可以包括反射件和放大组件，也可以只包括放大组件。反射件包括平面镜，其主要作用是将像源组件出射的图像光线反射到放大组件，通过设置反射件实现光线的弯折传播，可以设置一个或多个，从而可以减小HUD的体积，但反射件不是必须的，也可以省略。
放大组件可以实现放大成像，曲面像源100发出的图像光线入射到放大组件经放大组件处理后，传播至反射成像组件400，再经反射成像组件400的反射到达眼盒区域(例如图1中的眼盒区域)，用户眼睛位于眼盒区域内时能够看到位于反射成像组件400外部的放大的虚像。放大组件可以是任何能够对图像进行放大的光学结构，可以由反射光学组件、折射光学组件、衍射光学组件等的单个或多个的光学部件构成，本实用新型不予限定。例如，放大组件可以是凹面镜、自由曲面镜等。优选地，放大组件采用凹面反射镜，可与反射成像组件400(如挡风玻璃)配合，以消除反射成像组件400造成的虚像畸变。
反射成像组件400可以直接采用汽车的前挡风玻璃，还可以单独设立屏幕。
在虚像与真实环境物体贴合时，会提供给用户良好的视觉感受。但是，在一些情形中，例如道路的弯曲程度、车辆的朝向的变化、现实景象的外形和方位的差异，HUD形成的虚像难以与真实环境紧密贴合，导致出现视差和视觉辐辏等问题，影响用户的使用体验。
HUD的视差问题产生的原因在于虚像和对应的环境物体之间存在位置偏差，使得用户左眼和右眼中至少一个看到的虚像的位置与环境物体无法对齐，尤其虚像需要展示的是与实景之间存在关联的内容(AR内容)时，AR内容与现实景象无法紧密贴合，会导致用户视觉疲劳，用户体验较差。
视觉辐辏产生的原因在于，在虚像与环境物体没有对齐的情况下，用户大脑感知到的AR内容关联的实景与自己的距离，和用户眼睛感受到的实景与自己的距离不同，导致用户视觉上产生不适。
有鉴于此，本实用新型实施例提供的抬头显示装置中，像源设置为曲面像源100，即，像源的出光面为曲面，且曲面像源100的形状设置为使形成的虚像与实景相匹配，从而增强虚像与实景的贴合程度。
曲面像源100的各个部分与调节组件之间的距离连续变化，从而使曲面像源100出射的图像光线从曲面像源100到调节组件所经过的传播路径长度连续变化，从而图像光线经反射成像组件400反射后形成成像距离连续变化的虚像，即虚像上的相邻部分与眼盒区域之间的距离(例如与眼盒区域中心的直线距离)是连续变化的。通过改变曲面像源100的位置和各部位的曲率，能够改变虚像不同部位与眼盒区域之间的距离，使得至少部分虚像到眼盒区域的距离不同且逐渐变化，实现虚像的逐渐变焦，使虚像的形状更贴合于实景。
逐渐变焦可以是虚像沿垂直于地面方向和平行于地面方向中的一个方向逐渐变焦，也可以沿两个方向组合逐渐变焦，从而最终的连续虚像呈现出L型虚像、U型虚像、簸箕形虚像或是具有其他任意想要呈现的外形的虚像。
曲面像源100可以采用LED、OLED、miniLED、microLED、量子点等类型的不包含幕布的像源，也可以采用DLP或LCOS等包含幕布的像源，所述曲面像源100的出光面的形状设置为与所述虚像的形状匹配，其中，当所述曲面像源100包括幕布时，出光面为所述幕布形成的曲面，曲面像源中的成像模块出射的图像光线入射至幕布，并经幕布透射后入射到放大组件；当所述曲面像源100不包括幕布时，出光面为曲面像源中的多个光源以阵列形式构成的曲面，图像光线从多个光源发射至放大组件。
图2示出了一种曲面像源的示意图。
图3示出了另一种曲面像源的示意图。
如图2和3所示，当需要与车辆前方的路面以上的实景相贴合时，曲面像源100的出光面可以设置为朝向自由曲面镜300呈凹的弧面或呈下凹的半个弧面。
例如，同时需要与前方实景相贴合以及与侧面实景相贴合时，曲面像源100的出光面可以被设置为包括一部分平面和与其平滑连接的一部分弧形，出光面的平面部分发射的图像光线最终形成垂直的虚像，出光面的弧形部分发射的图像光线最终形成对应的弧形虚像。可以理解的是，垂直画面可以认为是垂直或近似垂直的，可以具有一定角度范围的误差，例如画面与地面之间的夹角在80-100度范围内，可以认为形成了垂直画面。
根据本实用新型的一个实施例，所述曲面像源100的出光面设置为至少部分沿纵向方向上曲率渐变，以使所述图像光线形成至少部分沿纵向方向上弯曲的虚像面；或，所述曲面像源100的出光面设置为至少部分沿横向方向上曲率渐变，以使所述图像光线形成至少部分沿横向方向上弯曲虚像面；或，所述曲面像源100的出光面设置为至少部分沿纵向方向上曲率渐变、且至少部分沿横向方向上曲率渐变，以使所述图像光线形成至少部分沿纵向方向弯曲、且至少部分沿横向方向上弯曲的虚像面。
虚像在纵向方向上弯曲是指沿纵向方向虚像的各部分距离眼盒区域的距离渐变，虚像在横向方向上弯曲是指沿横向方向虚像的各部分距离眼盒区域的距离渐变。其中，纵向和横向都是相对于位于眼盒区域的用户的方位，横向可以是与眼盒区域的左右方向平行的方向，纵向与横向垂直。
现实景象通常并非呈规则的曲面，尤其在用户的视野内。例如，用户视野内观察到正前方的实景与地面的实景并非处于同一个曲率恒定的规则曲面上，为此，虚像的各部分距离眼盒区域的距离需要和对应实景与眼盒之间的距离相适应，根据虚像与实景相贴合的需求，本实用新型中的一个实施例中，曲面像源100的出光面的曲率设置为沿纵向方向上呈变化趋势。为了使虚像保持其连续性，曲率的变化幅度设置为渐变。所述渐变是指曲率缓慢变化，以使用户在视觉上观察不到虚像的断层为准。
根据虚像与实景相贴合的需求，本实用新型中的曲面像源100的出光面的曲率设置为沿横向方向上呈变化趋势，从而使形成的虚像可以同时匹配前方和侧方的实景，例如正前方的实景和侧面靠近用户方向的实景，前下方实景和侧面靠近用户方向的实景等等。为了使虚像保持其连续性，曲率的变化幅度设置为渐变。所述渐变是指曲率缓慢变化，以使用户在视觉上观察不到虚像的断层为准。
此外，还可以根据需要，同时设置曲面像源100的出光面在纵向和横向方向上曲率渐变，从而使形成的虚像同时贴合正前方、天空、地面和两侧等多个方位不同组合方式下的多方位实景。
图4示出了一种虚像成像面的示意图。
如图4所示，从虚像的角度来说，连续虚像成像可以被分为左侧虚像部(L)、右侧虚像部(R)、前下方子虚像部(地面虚像部)(G)、前方子虚像部(F)和前上方子虚像部(天空虚像部)(T)。连续虚像形成的虚像组合可以有以下各种情况：
L-单左侧；R-单右侧；LR-左右双侧的组合。LG-左侧、地面的组合；RG-右侧、地面的组合。LGR-左、右两侧、地面的组合。LGR+F-左右两侧、地面、前方的组合。LGR+F+T-左右两侧、地面、前方、天空的组合。此外，根据成像组件的使用需求，还可以被配置为LGF、RGF、LGT、RGT等配置。
其中，由于不同国家的驾驶舱设置位置可能不同，单侧的虚像可以适用于不同的国家(左右舵)，在单侧的虚像中，形成的虚像为连续过渡的。
例如，虚像至少包括像面延伸方向相交的第一预设虚像部和第二预设虚像部，第一预设虚像部和第二预设虚像部相连。
这里可以理解的是，可以根据实际需求预设观察者需要观看成像的区域，即眼盒区域(eyebox)，该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区域，例如可以是平面区域或者立体区域。
例如，第一预设虚像部和第二预设虚像部可以是对应左侧虚像部(L)、右侧虚像部(R)、前下方子虚像部(G)、前方子虚像部(F)和前上方子虚像部(T)中的任意两组虚像。其中，曲面像源发出的图像光线所形成的虚像的至少部分与实景相匹配，可以是通过该虚像所包括的至少一个虚像部与对应的实景相贴合实现；或者，该虚像包括左侧虚像部(L)、右侧虚像部(R)、前下方子虚像部(G)、前方子虚像部(F)和前上方子虚像部(T)中的任意两组虚像部，且该任意两组虚像部中的每个虚像部与其各自对应的实景相贴合。左侧虚像部(L)、右侧虚像部(R)、前下方子虚像部(G)、前方子虚像部(F)和前上方子虚像部(T)与各自对应的实景相贴合，可以是左侧虚像部(L)、右侧虚像部(R)、前下方子虚像部(G)、前方子虚像部(F)和前上方子虚像部(T)分别与左侧方位的实景、右侧方位的实景、路面、位于前方的实景和位于前上方的实景相贴合。
如图5至图12所示，虚像至少包括左侧虚像部(L)和/或右侧虚像部(R)。
所述虚像可以包括一个虚像部；或者，所述虚像可以包括两个虚像部，并且这两个虚像部所在像面的延伸方向相交或基本平行；或者，所述虚像包括至少三个虚像部，并且至少部分相邻的虚像部所在像面的延伸方向相交。
例如，当虚像仅包括左侧虚像部(L)时，虚像为连续的虚像。即，在这种状态下，左侧虚像部(L)的画面内容可以为连续或不连续的，但左侧虚像部(L)整体成像为非拼接的和/或连续变焦的虚像，从而使得用户在观察左侧虚像部(L)的过程中，通过形成连续变焦的虚像解决用户的视差和/或视觉辐辏等问题。
同理，例如，虚像也可以被配置为仅包括右侧虚像部(R)，此时虚像亦为连续的虚像。即，在这种状态下，右侧虚像部(R)的画面内容可以为连续或不连续的，但右侧虚像部(R)整体成像为非拼接的、连续变焦的虚像，从而使得用户在观察左侧虚像部(L)的过程中，通过形成连续变焦的虚像解决用户的视差和/或视觉辐辏等问题。
例如，虚像也可以被配置为同时包括左侧虚像部(L)和右侧虚像部(R)，在这种配置状态下，虚像亦为连续的虚像。即，左侧虚像部(L)或右侧虚像部(R)的画面内容可以为连续或不连续的，但左侧虚像部(L)和右侧虚像部(R)的整体成像均为非拼接的、连续变焦的虚像。不仅如此，如果左侧虚像部(L)和右侧虚像部(R)相连，则两者的连接处也为非拼接的、连续变焦的虚像。
虚像还可以包括中间虚像部，中间虚像部包括前下方子虚像部(G)、前方子虚像部(F)和前上方子虚像部(T)中的一个或多个。
例如，前下方子虚像部(G)、前方子虚像部(F)和前上方子虚像部(T)依次对应显示地面上的画面、前方的画面和天空的画面。
例如，左侧虚像部(L)、右侧虚像部(R)、前下方子虚像部(G)、前方子虚像部(F)和前上方子虚像部(T)中的一个或多个可以被配置为垂直于地面或倾斜于地面。
其中，虚像被配置为任意相邻的虚像部相连，且相邻的虚像部的连接处为非拼接的、连续变焦的虚像。如，最终形成的连续虚像可以被配置为簸箕型虚像(LGR+F)，即包括左右两侧虚像、前下方子虚像以及前方子虚像，此时，左侧虚像和前下方子虚像、左侧虚像和前方子虚像、右侧虚像和前下方子虚像、右侧虚像和前方虚像之间都被配置为相连的状态，通过形成非拼接的、连续变焦的虚像，能够有效地解决用户的视差和/或视觉辐辏等问题。而簸箕型虚像(LGR+F)相较于U型虚像(LGR左地右或LFR左前右)而言，簸箕型虚像可以解决地面贴合、两侧贴合，且形成不影响前方远处的画面显示。
可以理解的是，在配置过程中，可以根据需求在最终形成的虚像中对前下方子虚像部(G)、前方子虚像部(F)和前上方子虚像部(T)进行灵活选配。在最终配置完成的虚像中，如果中间虚像部包括前下方子虚像部(G)、前方子虚像部(F)和前上方子虚像部(T)中的多者，则中间虚像部中相邻的虚像部之间至少部分相连。如，中间虚像部包括前下方子虚像部(G)和前方子虚像部(F)，则在前下方子虚像部(G)和前方子虚像部(F)的连接处，至少部分成像均为非拼接的、连续变焦的虚像。可选地，中间虚像部中相邻的子虚像部完全相连，以获得更好的防止视差和视觉辐辏的效果。
图13示出了一种曲面像源的出光面的示意图。
如图13所示，所述曲面像源100包括条状的像源单元，所述像源单元横向延伸、竖向呈阶梯状堆叠形成曲面。
曲面像源100的出光面采用曲面时，会导致图像光线的投射方向发生变化，需要额外的装置或结构进行光路朝向的控制。在本实施例中，根据以直代曲的思想，采用条状像源单元，呈阶梯状拼接呈类似曲面的形状，保证每个像源单元的图像光线出射方向一致，并且当需要进行虚像局部成像距离调整时，仅调整部分像源单元与邻接像源单元之间的阶梯高度即可。
图14示出了另一种曲面像源的出光面的示意图。
如图14所示，所述曲面像源100包括块状的像源单元，所述像源单元排列形成曲面。
曲面像源100所成的虚像不仅需要在单一方向上进行弯曲变形，还需要根据与实景贴合的需要在任意方向上进行弯曲变形，基于此，本实施例采用的像源单元为块状，在曲面像源100的出光面彼此之间形成高度差，从而模拟曲面，同时保证图像光线的出射方向相同。
根据本实用新型的一个实施例，所述曲面像源100包括支架、以及设置在支架上的多个光源，所述支架设置为调节各光源的位置，使多个光源排列形成曲面，或，所述曲面像源100包括支架、以及设置在支架上的幕布，所述支架设置为调节幕布的形状以形成曲面。如图14所示，每个块状单元可以为一个光源，由支架承载并固定，排列形成曲面的出光面。当出光面有幕布形成时，支架的作用为调整幕布的形状，使其形成曲面出光面。
根据本实用新型的一个实施例，所述曲面像源100包括支架、以及设置在支架上的像源单元，所述支架设置为调节所述像源单元的位置，使所述像源单元排列形成曲面。
曲面像源100的边侧可设置卡扣或者卡槽等固定装置，将曲面像源100固定。支架将像源单元拼接成曲面像源100，并根据虚像与实景贴合的需要，对曲面像源100的出光面的曲面进行调节。
根据本实用新型的一个实施例，曲面像源100可以为一个以上，组合形成不同角度不同成像距离的虚像，更好的贴合实景。多个不同的弯曲像源还可以形成多个独立的U型虚像，或者，多个连续的U型虚像等。
曲面像源100可以是任何能够形成图像光线的器件，可以为单色像源，也可以为彩色像源，还可以包括像源之外的辅助装置，例如滤镜、纠偏过滤片、光路补偿件等。本实用新型对像源组件的具体类型不作限定。根据本实用新型的一个实施，曲面像源100的类型包括可发出RGB混合光线的像源、发光二极管(LED)、微米级LED显示设备、毫米级LED显示设备、采用薄膜晶体管(TFT)、数字光处理装置(DLP)或硅基液晶(LCOS)、激光扫描(LBS)等的投影仪、miniLED像源，quantum dot量子点像源中的至少一种。微米LED(micro LED)与LCD、OLED相比在亮度、分辨率、对比度、能耗、使用寿命、响应速度和热稳定性等方面具有更大的优势。
根据本实用新型的一个实施例，所述调节组件包括自由曲面反射镜300，还可以包含平面反射镜200。平面反射镜200设置为反射所述图像光线至自由曲面反射镜300。所述自由曲面反射镜300设置为反射所述图像光线至反射成像组件400，形成放大的虚像。
平面反射镜200可以设置一组或多组，在较为狭小的空间内对图像光线形成反射，可以减小抬头显示装置的体积。自由曲面反射镜300在反射成像组件400之前对图像光线进行反射，形成放大的虚像。同时，可以通过自由曲面反射镜300与反射成像组件400形状的匹配，减少反射成像组件400形成的虚像边缘的畸变。
根据本实用新型的一个实施例，所述曲面像源100采用DLP或LCOS像源，所述DLP或LCOS像源的屏幕为曲面，包含光补偿组件；所述光补偿组件设置于所述DLP或LCOS像源的光源与屏幕之间，使得屏幕上成清晰的实像。
当曲面像源100为DLP或LCOS像源时，所述DLP或LCOS像源包括成像模块和幕布，所述成像模块包括镜头组件，用于生成图像光线发射至幕布；还包括光补偿组件，设置在所述成像模块和所述幕布之间的传播光路上并且对由所述成像模块的镜头组件传播出射的至少部分图像光线进行至少一次折射，以使所述图像光线在所述幕布上成清晰的像。所述光补偿组件包括偏折层、菲涅尔透镜和反射元件中的至少一种。其中，通过光补偿组件使镜头组件出射的图像光线到达幕布所经过的光程相等，从而实现图像光线在幕布上清晰成像。
图15示出了一种带幕布的曲面像源的示意图。
图16示出了另一种带幕布的曲面像源的示意图。
如图15所示，所述幕布为中心朝向远离图像光线入射方向凸起的凹进形屏幕，并且所述光补偿组件包括：发散透镜，其用于对图像光线进行一次发散操作；或者，发散透镜组件，其包括至少两个按照图像光线额传播方向依次设置的发散透镜，其中每个所述发散透镜用于：对接收到的图像光线进行一次发散操作，以及将发散后的图像光线向下一发散透镜或幕布传播。
由于幕布是弧形曲面的形态，当DLP光源的DMD101和透镜组102操作于在其上进行投影时，所得到的成像将是部分清晰和部分模糊的。例如，对于图中箭头所示光线照射的位置区域(如弧形幕布的两端)，其将具有相对较为清晰的成像，而对于图中未有箭头所示光线照射的位置区域(如弧形幕布的中间区域)，由于其偏离了焦平面从而其将具有相对较为模糊的成像。当这样的成像应用于HUD时，经由该HUD光学处理后所获得的虚像也将是模糊不清的，无法应用于实际场景中，也会导致糟糕的用户体验。鉴于此，本实用新型提供光补偿组件，以便在弧形幕布上获得清晰成像，并且由此能够支持清晰的虚像。
如图16所示，当幕布为凹进形屏幕，部分图像光线无法在幕布上对焦，所成的实像模糊，需要增加额外的光补偿元件进行调整。对于凹进形屏幕本实用新型利用发散透镜对部分图像光线进行发散，使其焦点准确的落在幕布上。此外，通过单独一个发散透镜可能无法达到精确控制焦点的效果，本实用新型采用多级发散透镜相结合的方案，进一步实现精确控制焦点落在幕布上的效果。
在一些实施例中，发散透镜包括凹透镜。凹透镜包括双凹透镜、平凹透镜或者凸凹透镜。
在一些实施例中，所述幕布为中心朝向靠近图像光线入射方向凸起的凸起形屏幕，并且所述光补偿组件包括：汇聚透镜，其用于对由所述成像模块传播来的光线进行一次汇聚操作；或者，汇聚透镜组件，其包括至少两个按照所述光线的传播方向依次布置的汇聚透镜，其中的每个汇聚透镜用于：对接收到的图像光线进行一次汇聚操作；以及将汇聚后的图像光线向下一汇聚透镜或幕布传播。
与凹进形屏幕类似，当幕布为凸起形屏幕时，采用汇聚透镜或汇聚透镜组件进行焦距的调整，从而使幕布上所成的实像清晰。其中，汇聚透镜包括凸透镜。凸透镜包括双凸透镜、平凸透镜或凹凸透镜。
但是，利用汇聚透镜或者发散透镜对图像光线进行调整时，可能会造成图像畸变，因此，本实用新型的一个实施例中，设置畸变矫正模块，其设置在所述光补偿组件和幕布之间的传播光路上，用于对所述光补偿组件折射后的图像光线进行汇聚操作，以减小所述光补偿组件对图像光线进行折射所产生的光学畸变。
图17示出了带有光补偿组件的曲面像源的架构示意图。
如图17所示，曲面像源包括成像模块401、光补偿组件403和幕布404。在一个实施例中，前述的成像模块可以用于生成包括待显示图像的光线并向外发射，并且其可以包括对焦镜头402(又称为镜头组件)，前述光线可以从该对焦镜头出射至光补偿组件403。根据不同的应用场景，成像模块401可以利用不同的投影技术来实施，这些投影技术可以包括但不限于LCD投影、DLP投影、激光扫描投影、LCOS投影等。另外，尽管未示出，成像模块可以包括光源或接收来自于外部光源发出的光线，以便基于光源的光线生成包括待显示图像的光线。
作为示例，上述的光源可以基于电致发光原理发出光源。在一些实施例中，光源可以包括但不限于发光二极管(Light Emitting Diode,LED)、有机发光二极管(OrganicLight-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)、量子点光源(Quantum Dot,QD)等电致发光元件中的至少一种。在另一些实施例中，光源还可以包括例如激光扫描投影(LBS)技术中的RGB三基色激光模组与微机电系统(MEMS)等。
在一个实施例中，成像模块401还可以包括投影元件和折射元件。投影元件可以用于生成所述包括待显示图像的光线并向外发射。图像信息与应用场景相关，例如在应用于车辆的行驶场景中时，此处的待显示图像可以包括例如车道相关的图像信息，例如车道线、车道标识、车道上的行车、车道上车辆前方的障碍物以及车道旁的物体(例如交通指示牌)等。投影元件可以针对于不同的投影技术为前述不同的投影元件，此处不再详述。
上述折射元件可以布置在所述投影元件和所述成像模块401的光发射端之间的传播光路上并且用于对所述投影元件传播来的光线进行折射后经由所述光发射端向外传播。该折射元件可以包括透镜，通过折射元件可以改变光线的传播方向，从而满足成像的相关需求。
在一些实施例中，光补偿组件403可以布置在所述成像模块401和弧形的幕布404之间的传播光路上并且对由所述成像模块401的对焦镜头402传播出射的至少部分光线进行至少一次折射，以使由所述对焦镜头402出射的到达所述幕布404的每束光线的光程相等。光补偿组件403出射的光线传播在所述幕布404上成像。
图18示出了图17的一个实施方式的光路结构示意图。
如图18所示，幕布503的形状与上述实施例相同。此时，曲面像源包括发散透镜组件502，其可以包括至少两个按照所述光线的传播方向依次布置的发散透镜。发散透镜的数目例如可以为2个、3个或4个等。发散透镜的选取可以与上述实施例相同，此处不再赘述。
上述每个所述发散透镜可以用于对接收到的入射光线进行一次发散操作，以及将发散后的光线向下一发散透镜或幕布传播。可以理解的是，发散透镜的数目不同，其对光程的调节程度也不同，因此可以根据幕布503的不同需求来设置对应数目的发散透镜。例如，当弧形幕布的弯曲度较小时，可以设置较少的发散透镜(例如2个)，而当弧形幕布的弯曲度较大时，可以设置较多的发散透镜(例如3个)。这些发散透镜可以以不同的形式进行布置，例如可以布置成图18所示的包括一个透镜组504和一个单独的发散透镜505的形式。可以理解的是，多个发散透镜也可以各自单独布置。
为了使得进行光补偿后的每束光线都可以到达幕布503，发散透镜组件502中靠近成像模块501的发散透镜的长度需要小于靠近幕布503的发散透镜的长度，由此使得从成像模块501到幕布503方向布置的各个发散透镜的长度逐渐变大，但每个发散透镜的长度都要小于幕布的长度(如图18中所示)，从而可以保证从最靠近幕布503的发散透镜最边缘发射出的光线也可以到达幕布，进而可以保证幕布上成像的完整性。
由此可见，在通过发散透镜组件进行光补偿时可以对发散透镜进行灵活布置，从而可以满足不同幕布的成像要求，由此可以扩大对不同应用场景的适应性。
上文中结合实施例描述了幕布为第一弧形幕布时的曲面像源的结构以及布置方式等，下面将对幕布为中心向光线入射方向凸起的凸起形屏幕(也即第二弧形幕布，该幕布为上下对称的结构)时的曲面像源进行详细说明。
此时，光补偿组件可以包括汇聚透镜，其可以用于对由所述成像模块传播来的光线进行一次汇聚操作。在一种实现中，汇聚透镜可以包括成本较低的凸透镜。为了对凸透镜光轴上下两侧的光束进行对称的汇聚操作，从而保证到达上述弧形幕布的光束的光程是相等的，凸透镜可以包括双凸透镜。可替代地，凸透镜还可以包括平凸透镜或者凹凸透镜。为了使得进行光补偿后的光线布满幕布，从而使得成像清晰，汇聚透镜的长度可以大于幕布的长度。
通过该光补偿组件的汇聚操作可以改变到达弧形幕布的每束光线的光程，从而使得到达幕布上的每个位置的光束的光程都是相等的，进而可以保证弧形幕布上的成像是清晰的。
在一些实施例中，光补偿组件包括：汇聚透镜和扩散透镜的组合，汇聚透镜对光线进行汇聚操作，扩散透镜对光线进行扩散操作。汇聚透镜和扩散透镜的数量、排列位置和先后顺序不做限制。
图19示出了图17的另一实施方式的光路结构示意图。
如图19所示，幕布603的形状与上述实施例相同。此时，曲面像源包括发汇聚透镜组件602，其可以包括至少两个按照所述光线的传播方向依次布置的汇聚透镜。汇聚透镜的数目例如可以为2个、3个或4个等。汇聚透镜的选取可以与上述实施例相同，此处不再赘述。
上述每个所述汇聚透镜可以对接收到的入射光线进行一次汇聚操作，以及将汇聚后的光线向下一汇聚透镜或幕布传播。可以理解的是，汇聚透镜的数目不同，其对光程的调节程度也不同，因此可以根据幕布的不同需求来设置对应数目的汇聚透镜。例如，当弧形幕布的弯曲度较小时，可以设置较少的汇聚透镜(例如2个)，而当弧形幕布的弯曲度较大时，可以设置较多的汇聚透镜(例如3个)。这些汇聚透镜可以以不同的形式进行布置，例如可以布置成图19所示的包括一个透镜组604和一个单独的汇聚透镜605的形式。可以理解的是，多个汇聚透镜也可以各自单独布置。
汇聚透镜的数目不同，其对光程的调节程度也不同，因此可以根据幕布603的不同需求来设置对应数目的汇聚透镜。例如，当弧形幕布的弯曲度较小时，可以设置较少的汇聚透镜(例如2个)，而当弧形幕布的弯曲度较大时，可以设置较多的汇聚透镜(例如3个)。
为了使得进行光补偿后的光线可以占满幕布，汇聚透镜组件602中靠近成像模块601的汇聚透镜的长度需要大于靠近幕布603的汇聚透镜的长度，由此使得从成像模块601到幕布603方向布置的各个汇聚透镜的长度逐渐变小，但每个汇聚透镜的长度都要大于幕布的长度(如图19中所示)，从而可以保证从最靠近幕布的汇聚透镜最边缘发射出的光线可以入射到幕布的边缘位置，进而使得入射到幕布的光线可以占满整个幕布，由此可以满足成像的大小需要，使得在幕布上可以显示清晰的虚像。
由此可见，在通过汇聚透镜组件602进行光补偿时可以对汇聚透镜进行灵活布置，从而可以满足不同幕布的成像要求，由此可以扩大对应用场景的适应性。
可以理解的是，光补偿组件的使用往往会产生光学畸变，从而使得最终形成的虚像失真。为了解决该问题，可以在光补偿后进行适应的畸变矫正。基于此，曲面像源还可以包括畸变矫正模块，其可以布置在所述光补偿组件和幕布之间的传播光路上并且用于对所述光补偿组件折射后的光线进行汇聚操作，以减小所述光补偿组件对光线进行折射所产生的光学畸变。
图20示出了一种包括畸变矫正模块的曲面像源示意图。
如图20所示，曲面像源包括成像模块501、发散透镜组件702、幕布503和畸变矫正模块705。畸变矫正模块705可以布置在发散透镜704与幕布503之间的传播光路上，其可以对发散透镜704发射出的光线进行汇聚操作，从而减小视场角。通过视场角的减小可以减小光学畸变，从而使得成像更加真实。畸变矫正模块可以包括凸透镜，而凸透镜可以包括图20中所示的平凸透镜。
可以理解的是，本领域技术人员还可以根据需要选用其他的光学元件作为畸变矫正模块，例如也可以采用双凸透镜，通过双凸透镜可以相对于平凸透镜实现视场角的更大程度的调节，从而可以适应于畸变程度更大的情况的调节。
图21示出了另一种包括畸变矫正模块的曲面像源示意图。
如图21所示，曲面像源包括成像模块601、汇聚透镜组件802、幕布603和畸变矫正模块805，成像模块801、汇聚透镜组件802、幕布603可以参照前述实施例的描述，此处不再赘述。畸变矫正模块805可以布置在汇聚透镜804与幕布603之间的传播光路上，其可以对汇聚透镜发射出的光线进行汇聚操作，从而减小视场角。通过视场角的减小可以减小光学畸变，从而使得成像更加真实。在本实施例中，畸变矫正模块805也可以包括凸透镜，而凸透镜也可以包括图20中所示的平凸透镜或双凸透镜。
根据本实用新型的另一个方面，提供了一种交通工具，包括前述带有曲面像源的抬头显示装置。
综上，在本实用新型的实施例中，通过设置曲面像源，使抬头显示装置所成的虚像变形，虚像与实景相匹配，从而增强虚像与实景的贴合程度。通过设置曲率渐变，使虚像具备连续性。通过设置曲面像源100在纵向方向上或横向方向上曲率渐变，使得虚像与行车方向的前方、地面的实景贴合或与行车方向的前方和侧面的实景贴合。通过设置条状像源单元或块状像源单元，使得曲面像源100所成的虚像灵活设置为与实景相贴合，避免图像光线的偏移。通过曲面像源100的支架对像源单元进行拼接控制，实时对曲面像源100的曲率进行调节，进而可以实时改变虚像的面型。
虽然本文已经示出和描述了本实用新型的多个实施例，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来提供。本领域技术人员可以在不偏离本实用新型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实用新型的过程中，可以采用对本文所描述的本实用新型实施例的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本实用新型的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的等同或替代方案。
Claims (12)
1.一种带有曲面像源的抬头显示装置，其特征在于，包括：
曲面像源(100)，设置为发出图像光线；
调节组件，设置在曲面像源(100)的出光侧，设置为调节图像光线后，将图像光线入射至反射成像组件(400)；
反射成像组件(400)，设置在调节组件的出光侧，设置为利用图像光线形成虚像；所述曲面像源(100)的出光面的形状设置为使形成的所述虚像的至少部分与实景相匹配。
2.根据权利要求1所述的带有曲面像源的抬头显示装置，其特征在于，
所述曲面像源(100)的出光面的形状设置为与所述虚像的形状匹配，其中，
当所述曲面像源(100)包括幕布时，出光面为所述幕布形成的曲面；
当所述曲面像源(100)包括多个光源时，出光面为多个光源以阵列形式构成的曲面。
3.根据权利要求1所述的带有曲面像源的抬头显示装置，其特征在于，
所述曲面像源(100)的出光面设置为至少部分沿纵向方向上曲率渐变，以使所述图像光线形成至少部分沿纵向方向上弯曲的虚像面；
或，
所述曲面像源(100)的出光面设置为至少部分沿横向方向上曲率渐变，以使所述图像光线形成至少部分沿横向方向上弯曲虚像面；
或，
所述曲面像源(100)的出光面设置为至少部分沿纵向方向上曲率渐变、且至少部分沿横向方向上曲率渐变，以使所述图像光线形成至少部分沿纵向方向弯曲、且至少部分沿横向方向上弯曲的虚像面。
4.根据权利要求3所述的带有曲面像源的抬头显示装置，其特征在于，
所述曲面像源(100)的出光面设置为至少部分沿纵向方向上曲率渐变，使虚像具备以下特征：所述虚像包括沿纵向方向排列的第一虚像部和第二虚像部，其中，所述第一虚像部包括前下方子虚像部和/或前上方子虚像部，所述第二虚像部包括前方子虚像部，其中，所述第一虚像部和第二虚像部的连接部分为直角或圆角，所述前方子虚像部与安装有所述抬头显示装置的交通工具的行车方向前方的路面相贴合；
或，
所述曲面像源(100)的出光面设置为至少部分沿横向方向上曲率渐变，使虚像具备以下特征：所述虚像包括沿横向方向排列的第三虚像部和第四虚像部，其中，所述第三虚像部包括左侧虚像部和/或右侧虚像部，所述第四虚像部包括前下方子虚像部、前方子虚像部和前上方子虚像部之一；
或，
所述曲面像源(100)的出光面设置为至少部分沿纵向方向上曲率渐变、且至少部分沿横向方向上曲率渐变，使虚像具备以下特征：所述虚像包括所述第三虚像部和第五虚像部，其中，所述第五虚像部包括前下方子虚像部、前方子虚像部和前上方子虚像部中的至少之一。
5.根据权利要求1所述的带有曲面像源的抬头显示装置，其特征在于，
所述曲面像源(100)包括支架、以及设置在支架上的多个光源，所述支架设置为调节各光源的位置，使多个光源排列形成曲面；
或，
所述曲面像源(100)包括支架、以及设置在支架上的幕布，所述支架设置为调节幕布的形状以形成曲面。
6.根据权利要求1所述的带有曲面像源的抬头显示装置，其特征在于，
所述调节组件包括自由曲面反射镜(300)；
所述自由曲面反射镜(300)设置为反射所述图像光线至反射成像组件(400)，以使所述图像光线经所述反射成像组件(400)反射后形成放大的虚像。
7.根据权利要求1所述的带有曲面像源的抬头显示装置，其特征在于，
所述曲面像源(100)采用DLP或LCOS像源，
所述DLP或LCOS像源包括成像模块和幕布，所述成像模块包括镜头组件，用于将图像光线出射至幕布；
还包括光补偿组件，设置在所述成像模块和所述幕布之间的传播光路上并且对由所述成像模块的镜头组件传播出射的至少部分图像光线进行至少一次折射，以使所述图像光线在所述幕布上成清晰的像。
8.根据权利要求7所述的带有曲面像源的抬头显示装置，其特征在于，
所述幕布为中心朝向远离图像光线入射方向凸起的凹进形屏幕，并且所述光补偿组件包括：
发散透镜，其用于对图像光线进行一次发散操作；
或者，
发散透镜组件，其包括至少两个按照图像光线额传播方向依次设置的发散透镜，其中每个所述发散透镜用于：对接收到的图像光线进行一次发散操作，以及将发散后的图像光线向下一发散透镜或幕布传播。
9.根据权利要求7所述的带有曲面像源的抬头显示装置，其特征在于，
所述幕布为中心朝向靠近图像光线入射方向凸起的凸起形屏幕，并且所述光补偿组件包括：
汇聚透镜，其用于对由所述成像模块传播来的光线进行一次汇聚操作；
或者，
汇聚透镜组件，其包括至少两个按照所述光线的传播方向依次布置的汇聚透镜，其中的每个汇聚透镜用于：对接收到的图像光线进行一次汇聚操作；以及将汇聚后的图像光线向下一汇聚透镜或幕布传播。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的带有曲面像源的抬头显示装置，其特征在于，还包括：
畸变矫正模块，其设置在所述光补偿组件和幕布之间的传播光路上，用于对所述光补偿组件折射后的图像光线进行汇聚操作，以减小所述光补偿组件对图像光线进行折射所产生的光学畸变。
11.根据权利要求7-9中任一项所述的带有曲面像源的抬头显示装置，其特征在于，所述光补偿组件包括：汇聚透镜和扩散透镜的组合，所述汇聚透镜对所述图像光线进行汇聚操作，所述扩散透镜对所述图像光线进行扩散操作。
12.一种交通工具，其特征在于，包括根据权利要求1-11任一项所述的抬头显示装置。
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| GR01 | Patent grant |