CN219285513U - 一种车载抬头显示装置及车辆 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种车载抬头显示装置及车辆，涉及显示装置技术领域，该种车载抬头显示装置包括挡风玻璃、图像生成单元和平面反射元件；所述平面反射元件位于挡风玻璃和图像生成单元之间；所述平面反射元件具有主平面，该平面反射元件呈透明状，所述平面反射元件包括透明板或透明薄膜；该平面反射元件厚度范围为0.01mm‑1mm；通过平面反射单元的反射实现图像的反射呈现，平面反射单元为标准的平面镜反射成像，该平面反射元件不会造成反射的图像的畸变；该平面反射元件厚度范围为0.01mm‑1mm，两个主平面界面的反射图像光线的错位程度小于人眼的分辨能力；从而避免挡风玻璃反射带来的图像畸变和重影问题。

Description

一种车载抬头显示装置及车辆

技术领域

本实用新型涉及显示装置领域技术，尤其是指一种车载抬头显示装置及车辆。

背景技术

HUD(Head-up-Display)平视显示系统是应用在车辆上的一种安全辅助设备，它使得驾驶员能够做到不低头或转头，仅需平视前方就可以得知行驶时的车辆信息，使得驾驶员能够最大程度地去关注道路情况，有效地提升行车安全。从HUD出射后的光线投射至挡风玻璃上，挡风玻璃将光线反射回人眼当中，令人眼能够观察到HUD带来的虚像。然而挡风玻璃并非一个理想的反射面，其至少带来两个明显的问题。

挡风玻璃反射成像的第一个问题是其并非一个平面，而是带有一定曲率的曲面，这使得通过挡风玻璃后的入眼图像带有畸变，使驾驶员观察到的图像不符合原本的设计，影响HUD的使用感。这种畸变可以通过在系统中添加畸变矫正的光学元件来实现，通过在系统中增加凹透镜或凸透镜或全息光学元件来实现风挡畸变的矫正；也可以采用一定曲率的反射镜来矫正风挡的畸变；而在实际应用中，由于汽车风挡玻璃加工的误差，不同的风挡的曲率会有差异，采用固定的矫正透镜无法保证不同风挡玻璃矫正后图像的一致性，或经过固定矫正元件矫正后的HUD所呈现的虚像不同，影响消费者体验。

挡风玻璃反射的第二个问题是其反射面并非只有一个界面，而是分别位于车内和车外的两个玻璃-空气界面，这两个玻璃-空气界面由于挡风玻璃具有一定厚度而在空间上存在错位，进而导致这两个界面反射的图像位置在空间上不重叠，即产生重影。并且，两个界面的反射图像重影因为上述提到的挡风玻璃的曲面特性而进一步加重；通常的重影解决方案为采用楔形玻璃，通过在前挡风玻璃内添加楔形夹层，使得前挡风玻璃两个表面反射的图像相互重合，从而实现图像重影消除。该方案需要精确控制楔形夹层的楔角，实现成本较高，且该楔角需要与图像生成单元所生成图像的虚像距离相对应，特定楔角只能解决特定虚像距离的重影问题，不具备普适性。

综上所述，基于挡风玻璃反射的车载抬头显示系统，由于风挡曲面面型和双层界面的特性或造成图像畸变和重影的技术问题，因此，针对此现状，迫切需要开发一种车载抬头显示装置及车辆，以满足实际使用的需要。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种车载抬头显示装置及车辆，其通过平面反射单元的反射实现图像的反射呈现，平面反射单元为标准的平面镜反射成像，该平面反射元件不会造成反射的图像的畸变；该平面反射元件厚度范围为0.01mm-1mm，两个主平面界面的反射图像光线的错位程度小于人眼的分辨能力；从而避免挡风玻璃反射带来的图像畸变和重影问题。

为实现上述目的，本实用新型采用如下之技术方案：

一种车载抬头显示装置，其包括挡风玻璃、用于产生初始图像光线的图像生成单元和用于接收并反射初始图像光线形成反射图像光线的平面反射元件，所述反射图像光线进入观察者的眼睛后成像；所述平面反射元件位于挡风玻璃和图像生成单元之间；所述平面反射元件位于图像生成单元的出光方向上；所述平面反射元件具有主平面，该平面反射元件呈透明状，所述平面反射元件包括透明板或透明薄膜；该平面反射元件厚度范围为0.01mm-1mm。

作为一种优选方案：所述初始图像光线的电矢量振动方向位于初始图像光线传播方向与平面反射元件的主平面法线方向所形成的入射面内。

作为一种优选方案：所述图像生成单元中设置有起偏元件，该起偏元件包括偏振片。

作为一种优选方案：所述图像生成单元所产生的初始图像光线为p偏振光。

作为一种优选方案：所述平面反射元件采用双折射材料，所述初始图像光线透过具备双折射效应的平面反射元件后转变为p偏振光。

作为一种优选方案：所述图像生成单元所产生的初始图像光线为非p偏振的单一偏振光，该非p偏振的单一偏振光在透过平面反射元件后转变为p偏振光。

作为一种优选方案：所述平面反射元件为偏振反射透明薄膜，该平面反射元件对p偏振光的反射率至少是对s偏振光反射率的5倍。

作为一种优选方案：所述平面反射元件为透明薄膜，该平面反射元件可拉伸或收卷式设置于挡风玻璃的下方。

作为一种优选方案：所述透明薄膜连接有卷轴，该透明薄膜可拉伸或收卷式设置于卷轴上。

一种车辆，其包括所述的一种车载抬头显示装置。

本实用新型与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知，在挡风玻璃和图像生成单元之间，或挡风玻璃下方增设平面反射单元，该平面反射单元可以是一层平面透明薄膜，通过所增设的平面反射单元的反射实现图像的反射呈现，增设的平面反射单元替代风挡玻璃的反射；平面反射元件为平面，为标准的平面镜反射成像，该平面反射元件不会造成反射的图像的畸变；该平面反射元件厚度范围为0.01mm-1mm，即使其像挡风玻璃一样，也具有两个主平面界面，这两个主平面界面的反射图像光线的错位程度很小，小于人眼的分辨能力，对观察者而言，反射图像没有重影；从而避免挡风玻璃反射带来的图像畸变和重影。

为更清楚地阐述本实用新型的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。

附图说明

图1为本实用新型之车载抬头显示装置第一视角立体结构示意图；

图2为本实用新型之车载抬头显示装置第二视角立体结构示意图；

图3为本实用新型之初始图像光线、反射图像光线和挡风玻璃角度关系示意图；

图4为本实用新型之空气-挡风玻璃界面的不同偏振光线的入射角相关反射率曲线图；

图5为本实用新型之平面反射单元反射p偏振的初始图像光线示意图；

图6为本实用新型之平面反射单元透过p偏振的初始图像光线示意图。

附图标识说明：

图中：100、图像生成单元；101、初始图像光线；102、反射图像光线；200：挡风玻璃；300：平面反射元件。

具体实施方式

本实用新型如图1至图6所示，一种车载抬头显示装置，其包括挡风玻璃200、用于产生初始图像光线101的图像生成单元100和用于接收并反射初始图像光线101形成反射图像光线102的平面反射元件300，其中；

该反射图像光线102进入观察者的眼睛后成像；该平面反射元件300位于挡风玻璃200和图像生成单元100之间；该平面反射元件300位于图像生成单元100的出光方向上；该平面反射元件300具有主平面，该平面反射元件300呈透明状，该平面反射元件300包括透明板或透明薄膜；该平面反射元件300厚度范围为0.01mm-1mm。

交通工具，例如小汽车的挡风玻璃200由于减小车辆行驶风阻和美观等的需要，通常被设计为曲面面型，这一曲面面型导致其在作为车载显示设备例如抬头显示器的某个中间成像元件时造成图像的畸变；并且，因为挡风玻璃200内外两个界面反射图像的不重叠，其还会带来反射图像的重影问题；本申请通过在交通工具内，具体为在挡风玻璃200和图像生成单元100之间，或挡风玻璃200下方增设额外的平面反射单元，该平面反射单元可以是一层平面透明薄膜，通过所增设的平面反射单元的反射实现图像的反射呈现，从而规避了挡风玻璃200反射带来的图像质量问题；增设的平面反射单元替代风挡玻璃的反射，从而避免挡风玻璃200反射带来的图像畸变和重影；所增设的平面反射元件300可以为透明薄膜，方便收置。

该初始图像光线101的电矢量振动方向位于初始图像光线101传播方向与平面反射元件300的主平面法线方向所形成的入射面内。

该图像生成单元100中设置有起偏元件，该起偏元件包括偏振片。

该图像生成单元100所产生的初始图像光线101为p偏振光。

该平面反射元件300采用双折射材料，该初始图像光线101透过具备双折射效应的平面反射元件300后转变为p偏振光。

该图像生成单元100所产生的初始图像光线101为非p偏振的单一偏振光，该非p偏振的单一偏振光在透过平面反射元件300后转变为p偏振光。

该平面反射元件300为偏振反射透明薄膜，该平面反射元件300对p偏振光的反射率至少是对s偏振光反射率的5倍。

由于驾驶的外部视野需求，所增设的平面反射元件300必须为高透明元件，其透明的特点，导致其通常无法100％反射初始图像光线101，即通常会有一部分初始图像光线101透过该平面反射元件300入射到挡风玻璃200上，这部分光线若不能很好处理，其被挡风玻璃200反射后同样也会叠加到反射图像光线102中，从而造成图像重影；本申请通过控制图像生成单元100所生成的初始图像光线101的偏振态来解决这一问题。

常规汽车前挡风玻璃200相对于竖直方向角度在55°到65°之间，即如图3中所示角度α，其典型值为60°。驾驶员驾驶时视线近乎水平，基于风挡反射的HUD系统，初始图像光线101在入射到挡风玻璃200前与竖直方向的夹角，即图3中角度β，典型值为30°；其入射到挡风玻璃200上的入射角，即图中角度θ，为60°。常规汽车前挡风玻璃200的折射率为1.5，可以计算出折射率在1.5时，空气-玻璃界面的不同偏振光线的入射角相关反射率曲线，如4所示。

图4中：Rs代表空气-玻璃界面S偏振光的反射率曲线，Rp代表空气-玻璃界面P偏振光的反射率曲线，可以看出对于绝大角度范围入射角，P偏振光的反射率Rp都显著低于P偏振光的反射率Rs；特别在上述分析入射角典型值θ＝60°附近，P偏振光的反射率近似为0。因此可以控制图像生成单元100所生成的初始图像光线101为P偏振光，使得即使该光线透过平面反射元件300入射到挡风玻璃200上时，其反射的光线强度很低，可以忽略，从而对所呈现的图像没有影响。

由图5和图6可知，由于图像生成单元100所产生的初始图像光线101的p偏振特性，挡风玻璃200对其反射低，所以该部分光线大部分透过挡风玻璃200，而不会被反射；p偏振光为光线的电矢量振动方向位于入射面内的线偏振光，入射面为光线传播方向与界面法线方向构成的平面；s偏振光，为光线的电矢量振动方向垂直于入射面的线偏振光。

若平面反射元件300具有偏振转换功能，例如，其具有半波片的功能，其可以将s偏振光转变为p偏振光，被转换后的p偏振光相对于挡风玻璃200同样具有很低的反射率，同样可以达到消除挡风玻璃200反射的效果；此时初始入射光线可以为非p偏振光，只需要保证透过平面反射元件300后的光线为p偏振光即可。

图像生成单元100产生的图像通常为一定图像距离处的无畸变的标准图像，由于汽车前挡风玻璃200为弯曲的弧面，并且挡风玻璃200由于加工误差的影响，挡风玻璃200上每个位置处的弧面曲率不同，若图像生成单元100产生的标准图像经过弧面挡风玻璃200反射后再入射到人眼成像，势必会携带挡风玻璃200不规则弧面造成的图像畸变；这部分畸变可以如背景材料中所述的通过增加额外的补偿元件来矫正，会带来额外的成本和设计难度。

另一方面，由于挡风玻璃200具有内外两个反射面，这两个反射面反射形成的虚拟图像位置不重叠，即会造成重影；本申请解决上述畸变和重影的办法为增加额外的简单的平面反射元件300，使得最终进入人眼的图像由平面反射元件300反射产生；由于平面反射元件300的反射面即主平面为平面，所以其不会造成图像畸变，又因为平面反射元件300厚度范围为0.01mm-1mm，其两个反射主平面位置相近，所以两个主平面反射形成的虚拟图像位置也很相近，近到人眼无法分辨其为两个图像的程度，即人眼观察到的图像没有重影。

因为所增加的平面反射元件300为透明元件，其只反射部分初始图像光线101进入人眼成像，大部分初始图像光线101会透过平面反射元件300照射到挡风玻璃200上，需要避免这部分透射的图像光线在遇到挡风玻璃200时发生反射，否则挡风玻璃200反射的光线进入人眼后还会造成图像畸变和重影的问题；避免这部分光线反射的方法即控制入射到挡风玻璃200上的光线为P偏振光，因为挡风玻璃200对p偏振光基本无反射，从而避免的挡风玻璃200反射的问题。

由于所增设的平面反射元件300为平面，为标准的平面镜反射成像，所以该平面反射元件300不会造成反射的图像的畸变；又因为该平面反射元件300厚度范围为0.01mm-1mm，即使其像挡风玻璃200一样，也具有两个主平面界面，这两个主平面界面的反射图像光线102的错位程度很小，小于人眼的分辨能力，所以对观察者而言，反射图像没有重影。

常规人眼的角分辨能力为1arcmin,即0.017°。平面反射元件300两个主平面反射造成的图像错位基本与其厚度相当，以0.1mm厚度的平面反射单元为例，其两个界面形成的反射图像的位置错位也近似为0.1mm，通常抬头显示设备所呈现的虚像距离观察者人眼距离大于2米，图像错位形成的角度差异为0.003°，远小于人眼的角度分辨率；若平面反射元件300的厚度为1mm，可以计算出挡虚拟图像距离观察者的眼睛距离大于3.5m时，图像错位无法被人眼察觉；因此，对于比较薄的，例如0.01mm到1mm厚度内的平面反射元件300，其两个界面的反射不会造成明显的重影问题。

同时，通过控制图像生成单元100的初始图像光线101的偏振态，控制初始图像光线101偏振态的方法可以简单地通过在图像生成单元100中添加起偏元件，例如偏振片实现；使得其为挡风玻璃200基本反射的p偏振光，从而消除挡风玻璃200反射带来的图像问题，使得基本所有进入人眼的图像光线都来自于平面反射单元的反射；通过增设平面反射元件300，可以同时解决挡风玻璃200反射造成的图像畸变和重影问题。

该平面反射元件300为透明薄膜，该平面反射元件300可拉伸或收卷式设置于挡风玻璃200的下方。

该透明薄膜连接有卷轴，该透明薄膜可拉伸或收卷式设置于卷轴上。

平面反射元件300的厚度薄，例如厚度为0.1mm的透明薄膜，其在不使用时可以收置于车内某一位置，例如挡风玻璃200上边缘，使用时可以拉伸展平为反射平面；通过卷轴将透明薄膜进行伸展或收卷，操作简单，方便收置，不占用空间。

一种车辆，其包括一种车载抬头显示装置。

该一种车载抬头显示装置及车辆的使用方法及原理如下：

平面反射元件的反射面即主平面为平面，所以其不会造成图像畸变，又因为平面反射元件厚度范围为0.01mm-1mm，其两个反射主平面位置相近，两个主平面反射形成的虚拟图像位置也很相近，近到人眼无法分辨其为两个图像的程度，即人眼观察到的图像没有重影；通过控制图像生成单元的初始图像光线的偏振态，使得其为挡风玻璃基本反射的p偏振光，从而消除挡风玻璃反射带来的图像问题，使得基本所有进入人眼的图像光线都来自于平面反射单元的反射。

本实用新型的设计重点在于，在挡风玻璃和图像生成单元之间，或挡风玻璃下方增设平面反射单元，该平面反射单元可以是一层平面透明薄膜，通过所增设的平面反射单元的反射实现图像的反射呈现，增设的平面反射单元替代风挡玻璃的反射；平面反射元件为平面，为标准的平面镜反射成像，该平面反射元件不会造成反射的图像的畸变；该平面反射元件厚度范围为0.01mm-1mm，即使其像挡风玻璃一样，也具有两个主平面界面，这两个主平面界面的反射图像光线的错位程度很小，小于人眼的分辨能力，对观察者而言，反射图像没有重影；从而避免挡风玻璃反射带来的图像畸变和重影。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型的技术范围作任何限制，故凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种车载抬头显示装置，其特征在于；包括挡风玻璃、用于产生初始图像光线的图像生成单元和用于接收并反射初始图像光线形成反射图像光线的平面反射元件，所述反射图像光线进入观察者的眼睛后成像；所述平面反射元件位于挡风玻璃和图像生成单元之间；所述平面反射元件位于图像生成单元的出光方向上；所述平面反射元件具有主平面，该平面反射元件呈透明状，所述平面反射元件包括透明板或透明薄膜；该平面反射元件厚度范围为0.01mm-1mm。

2.根据权利要求1所述的一种车载抬头显示装置，其特征在于；所述初始图像光线的电矢量振动方向位于初始图像光线传播方向与平面反射元件的主平面法线方向所形成的入射面内。

3.根据权利要求1所述的一种车载抬头显示装置，其特征在于；所述图像生成单元中设置有起偏元件，该起偏元件包括偏振片。

4.根据权利要求3所述的一种车载抬头显示装置，其特征在于；所述图像生成单元所产生的初始图像光线为p偏振光。

5.根据权利要求1所述的一种车载抬头显示装置，其特征在于；所述平面反射元件采用双折射材料，所述初始图像光线透过具备双折射效应的平面反射元件后转变为p偏振光。

6.根据权利要求5所述的一种车载抬头显示装置，其特征在于；所述图像生成单元所产生的初始图像光线为非p偏振的单一偏振光，该非p偏振的单一偏振光在透过平面反射元件后转变为p偏振光。

7.根据权利要求1所述的一种车载抬头显示装置，其特征在于；所述平面反射元件为偏振反射透明薄膜，该平面反射元件对p偏振光的反射率至少是对s偏振光反射率的5倍。

8.根据权利要求1所述的一种车载抬头显示装置，其特征在于；所述平面反射元件为透明薄膜，该平面反射元件可拉伸或收卷式设置于挡风玻璃的下方。

9.根据权利要求8所述的一种车载抬头显示装置，其特征在于；所述透明薄膜连接有卷轴，该透明薄膜可拉伸或收卷式设置于卷轴上。

10.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的一种车载抬头显示装置。

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