CN219456645U - 一种抬头显示装置和载具 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种抬头显示装置和载具，抬头显示装置包括控制单元、图像生成单元、像源移动单元和成像单元；图像生成单元固定设置在像源移动单元上，用于发射图像光线至风挡，像源移动单元用于带动图像生成单元沿发射图像光线的主光轴方向滑动，成像单元位于图像光线的主光轴上，图像光线经风挡反射至眼盒后形成虚拟图像。通过像源移动单元沿主光轴方向前后移动改变像源位置，从而能够实时调节虚像距离以改变成像系统焦距，使用户眼睛所能感受到的虚像图像在一定范围内的位置发生变化，该装置能够实时调节眼盒焦距，具有结构简单、成本低的优势，可以解决因用户来回切换视线去适应不同距离的物体或者在某些距离范围视线内画面模糊的问题。

Description

一种抬头显示装置和载具

技术领域

本申请涉及抬头显示技术领域，尤其涉及一种抬头显示装置和载具。

背景技术

抬头显示器(Head Up Display)，简称HUD，是运用在汽车上的驾驶辅助仪器，是一种由电子组件、光学部件、控制器等组成的综合电子显示设备。它能将车速、导航信息、告警等信息，以图像、字符的形式，投射到驾驶员前方，可以提升司机安全稳定的驾驶，使驾驶员不用低头就可以看到相关信息，将更多的精力放到观察路面情况上，同时也可以减少驾驶员观察远处道路情况与近距离查看导航、车辆信息视线频繁转换引发的视觉疲劳。

目前，组合型HUD(Combiner HUD，C-HUD)、挡风玻璃型HUD(Windshield HUD，W-HUD)的技术发展上已较为成熟，装车成本也能被部分主机厂所接受。随着增强显示(Augmented Reality，AR)技术的出现，使得AR-HUD的使用范围更加丰富，能更加有效的提高驾驶安全性。AR-HUD即AR技术与抬头显示的结合体，即通过AR与HUD融合，可以在驾驶人视线区域内合理、生动地叠加显示一些驾驶信息，并结合于实际交通路况成像，让用户体验到AR-HUD带来的沉浸式视觉体验和驾驶安全辅助；即AR-HUD的视场大，画面显示的内容信息更多，成像覆盖的距离越远，AR-HUD贴合地面的效果就会越好，用户视觉体验更好。

然而，由于驾驶员视野涉及的车辆前方区域比较广，驾驶员会需要观察不同距离的位置，当驾驶员观察位置与HUD的虚像位置不同时，驾驶员不易在观察环境的同时观察到清晰的投影图像。

实用新型内容

本实用新型提供了一种抬头显示装置和载具，可以调节虚像距离，解决因用户需来回切换视线去适应不同距离的物体或者在某些距离范围视线内画面模糊的问题。

第一方面，本申请提供了一种抬头显示装置，包括控制单元、图像生成单元、像源移动单元和成像单元；

所述控制单元分别与所述图像生成单元和所述像源移动单元连接；所述图像生成单元设置在所述像源移动单元上；

所述图像生成单元用于发射图像光线，所述像源移动单元用于带动所述图像生成单元沿所述发射图像光线的主光轴方向滑动；

所述成像单元位于所述图像光线的主光轴上，所述图像光线经所述成像单元反射至眼盒后形成虚拟图像。

本申请的一个示例，所述像源移动单元包括移动滑轨。

本申请的一个示例，所述移动滑轨沿所述图像光线的主光轴方向的移动距离连续可调。

本申请的一个示例，所述像源移动单元还包括步进电机，所述步进电机分别与所述控制单元和所述移动滑轨连接。

本申请的一个示例，所述像源移动单元还包括至少一个旋转轴；所述像源移动单元可围绕所述旋转轴旋转。

本申请的一个示例，抬头显示装置还包括光路调整单元，所述光路调整单元位于所述图像光线的主光轴上，用于调整所述图像光线的传播方向。

本申请的一个示例，所述光路调整单元包括至少一个平面反射镜；

所述平面反射镜设置在所述图像光线的主光轴上，用于调整所述图像光线的传播方向。

本申请的一个示例，所述光路调整单元还包括曲面反射镜；

所述曲面反射镜设置在所述图像光线的主光轴上，用于放大图像。

本申请的一个示例，抬头显示装置还包括壳体，所述控制单元、所述图像生成单元、所述光路调整单元和所述像源移动单元位于所述壳体内；

所述壳体包括出光口，所述出光口位于所述图像光线的主光轴上。

第二方面，本申请提供了一种载具，包括第一方面提供的抬头显示装置以及风挡；所述风挡用于将来自所述抬头显示装置的图像光线反射至眼盒形成虚拟图像。

综上，本申请提供的抬头显示装置，包括控制单元、图像生成单元和像源移动单元；通过像源移动单元沿主光轴方向前后移动改变像源位置，从而能够实时调节虚像距离以改变成像系统焦距，使用户眼睛所能感受到的虚像图像在一定范围内的位置发生变化，即用户能够在不同距离和视角上能够看到清晰的虚像图像。该装置能够实时调节眼盒焦距，具有结构简单、成本低的优势，可以解决因用户来回切换视线去适应不同距离的物体或者在某些距离范围视线内画面模糊的问题。

附图说明

图1是本申请提供的一种抬头显示装置的结构示意图；

图2是本申请提供的又一种抬头显示装置的结构示意图；

图3是本申请提供的又一种抬头显示装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。以下，对本申请中的部分用语进行解释说明。需要说明的是，这些解释是为了便于本领域技术人员理解，并不是对本申请所要求的保护范围构成限定。

1)眼盒(eyebox)，眼盒通常是指驾驶员的眼睛能够看到全部显示图像的范围，可参见上述图1。为了适应驾驶员的身高的差异，一般眼盒尺寸大小是130mm×50mm，即驾驶员的眼睛在纵向上有约±50mm的移动范围，在横向上有约130mm的移动范围。若驾驶员的眼睛处于眼盒范围内，可以看到完整且清晰的虚拟图像。若驾驶员的眼睛超出眼盒范围，可能会看到图像扭曲、显色错误等，甚至无法看到图像。

2)虚像距离(Virtual Image Distance，VID)，虚像距离是指眼盒(eyebox)中心与虚像的中心之间的距离，可参见上述图1。本申请的示例中，第一虚像距离是L1指眼盒中心与第一虚像V1中心之间的距离，第二虚像距离L2是指眼盒中心与第二虚像V1之间的距离。

3)主光轴，主光轴是指图像光线(光柱)的中心线，或者光学系统的对称轴。

本实用新型鉴于现有技术中所存在的上述问题中的一个或多个而提出的一种抬头显示装置。图1是本申请提供的一种C型抬头显示装置(C-HUD)的结构示意图。如图1所示，为本申请提供的一种可能的应用场景，该应用场景是抬头显示装置应用于车载进行示例的。

本申请的一个示例提供的一种抬头显示装置包括控制单元1、图像产生单元2、像源移动单元3和成像单元4；控制单元1分别与图像生成单元2和像源移动单元3连接；图像生成单元2设置在像源移动单元3上；图像生成单元2用于发射图像光线S，像源移动单元3用于带动图像生成单元2沿发射图像光线S的主光轴L方向滑动；成像单元4位于图像光线S的主光轴L上，图像光线S经成像单元4反射至眼盒(eyebox)后形成虚拟图像。

示例性的，结合图1所示，本申请的实施例中的控制单元1可以中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其它通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Rray，FPGA)或者其它可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件，硬件部件或者其任意组合。通用处理器可以是微处理器，也可以是任何常规的处理器。

图像生成单元2可以是显示面板或者投影仪等，用于出射图像光线S，可以提供待显示图像。其中，显示图像可以是含有仪表盘信息、导航信息、车道指示符、施工指示符、事故指示符、行人检测指示符等信息。

结合图1所示，成像单元4位于图像光线S的主光轴L上，成像单元4可以是一块反射镜，材料可以采用树脂，可以将图像光线S反射至眼盒(eyebox)后形成虚拟图像。

本申请的一个示例，将图像生成单元2设置在像源移动单元3上，像源移动单元3可沿着图像光线S的主光轴L方向往复滑动。控制单元1与图像生成单元2连接，控制单元1可以控制图像生成单元2出射图像光线；控制单元1与像源移动单元3连接，控制单元1可以控制像源移动单元3沿着图像光线S的主光轴L方向机械滑动，从而可以调节图像生成单元2出射的图像光线S到达成像单元4的光程。

本申请的一个示例，结合图1、表1和表2所示，在光学软件中可以固定挡风玻璃、眼盒数据、下视角、虚像距离、视场角(Field of view，FOV)，VID等光学设计参数，保证其初始光学设计的FOV/下视角/眼盒等数据不变的情况下，只调整图像源，当调整了像源的位置角度时，随之在光学软件中计算出沿主光轴方向图像生成单元2出射的图像光线S的光程，从而可通过改变光程，改变眼盒所观看到的虚像距离。

表1为虚像距离VID、光程、像源移动距离Δ的对应关系

VID/m	光程/mm	Δ
			7.5	299.613	5.38723
10	305.000
			20	312.249	-7.24871
50	316.432	-11.43157
			100	317.779	-12.7793
150	318.224	-13.22429
			200	318.445	-13.44497

其中，表1中的Δ是指：以VID＝10m，光程为305mm为基准，改变VID后所对应的光程位移，即像源移动距离Δ。例如，表1中，初始VID＝10m、初始光程为305mm，当改变VID，使得VID＝7.5m时，所对应的光程为299.613mm，则Δ＝305-299.613＝5.38723mm，换言之，若将初始光程距离305.00mm向前向后移动，焦距随之发生改变，虚像距离VID远近可调。

表2为虚像距离VID、光程、像源移动距离Δ的对应关系

VID/m	光程/mm	Δ
			7.5	292.768	12.232
10	297.874	7.126
			20	305.000
50	308.961	-3.961
			100	310.248	-5.248
150	310.670	-5.670
			200	310.880	-5.880

表2中的Δ是指：以VID＝20m，光程为305mm为基准，改变VID后所对应的光程位移，即像源移动距离Δ。例如，表2中，初始VID＝20m、初始光程为305mm，当改变VID，使得VID＝7.5m时，所对应的光程为292.768mm，则Δ＝305-292.768＝12.232mm，换言之，若将初始光程距离305.00mm向前向后移动，焦距随之发生改变，虚像距离VID远近可调。

需要说明的是，表1和表2也可称之为VID与主光轴移动距离Δ的对应关系。可将其中任一VID作为初始VID，在此不作具体限定。表1是将VID为10作为初始VID；表2是将VID为20作为初始VID。

本申请的一个示例，结合图1所示，沿图像光线S的主光轴L方向，存在第一位置P1和第二位置P2，通过控制像源移动单元3带动图像生成单元2沿X方向由第一位置P1移动到第二位置P2。当图像生成单元2位于第一位置P1，图像光线S经成像单元4反射后进入眼盒区域形成第一虚拟图像V1，其中，眼盒中心与第一虚像V1中心之间的距离为第一虚像距离L1；当图像生成单元2位于第二位置P2，图像光线S经成像单元4反射后进入眼盒区域形成第二虚拟图像V2，其中，眼盒中心与第二虚像V1之间的距离为第二虚像距离L2。

在光学系统中光学元件固定的基础上，也就是成像距离固定的基础上，通过像源移动单元3沿主光轴方向前后移动改变像源位置，从而能够实时调节虚像距离以改变成像系统焦距，使用户眼睛所能感受到的虚像图像在一定范围内的位置发生变化，即用户能够在不同距离和视角上能够看到清晰的虚像图像。该装置能够实时调节眼盒焦距，具有结构简单、成本低的优势，可以解决因用户来回切换视线去适应不同距离的物体或者在某些距离范围视线内画面模糊的问题。

图2是本申请提供的又一种抬头显示装置的结构示意图；图3是本申请提供的又一种抬头显示装置的结构示意图。图2和图3示意的HUD可以是W-HUD或者AR-HUD。

本申请的一个示例，如图2和图3所示，本申请还提供了一种抬头显示装置，抬头显示装置还包括光路调整单元5，光路调整单元5位于图像光线S的主光轴L上，用于调整图像光线S的传播方向。其中，成像单元4可以是摩托车、汽车、飞机、火车、高铁等的挡风玻璃。在一种可能的实现方式中，风挡玻璃包括楔型风挡或者平面风挡，本申请对此不做限制。

示例性的，为了进一步压缩显示装置的体积，满足实际应用中狭小空间的设置需求，可以在图像光线S的主光轴L上增设光路调整单元5，通过调整图像光线S的传播方向，压缩光路体积占空。

本申请的一个示例，如图2所示，光路调整单元5还包括曲面反射镜51；曲面反射镜51位于图像光线S的主光轴L上，可以对图像生成单元2显示的图像进行放大，并且可以弥补因为挡风玻璃的面型导致的图像畸变。

本申请的一个示例，如图3所示，光路调整单元5包括至少一个平面反射镜52；平面反射镜52设置在图像光线S的主光轴L上，用于调整图像光线S的传播方向。

示例性的，图2仅示了一个平面反射镜52，利用反射镜调整图像光线S的传播方向，调整图像生成单元2的位置，从而压缩显示装置的光路体积。

本申请的一个示例，继续结合图1-图3所示，像源移动单元3包括移动滑轨。

具体的，采用可以采用线型的移动滑轨，将图像生成单元2固定在移动滑轨上，移动滑轨的移动方向与图像光线S的主光轴L方向平行。控制移动滑轨移动，可以改变图像生成单元2的出光口出射的图像光线S至成像单元4的光程，能够实时调节虚像距离改变成像系统焦距，获得不同焦距的虚拟图像。

本申请的一个示例，继续结合图1-图3、表1和表2所示，移动滑轨沿图像光线S的主光轴L方向的移动距离连续可调。

需要说明的是，表1和表2中的参数只是示例性的说明。本申请设置移动滑轨的移动距离连续可调，可以使得成像系统焦距连续可调，获得连续焦距的虚拟图像，有利于各个距离范围视线内的画面清晰，提高AR-HUD的视觉体验。

本申请的一个示例，继续结合图1-图3所示，像源移动单元3还包括步进电机(图中未示出)，步进电机分别与控制单元1和移动滑轨连接。

示例性的，控制单元1通过控制步进电机带动移动滑轨沿图像光线S的主光轴L方向的移动，能够提高图像光线S至成像单元4的光程调节精度，实现精密调节成像系统焦距，获得不同焦距的虚拟图像，提高AR-HUD的视觉体验。

本申请的一个示例，继续结合图1-图3所示，像源移动单元3还包括至少一个旋转轴O。像源移动单元3可一围绕旋转轴O旋转。

具体的，像源移动单元3还可以围绕至少一个旋转轴O顺时针或者逆时针旋转，从而带动图像生成单元2旋转，改变图像光线S照射在成像单元4的位置，调整图像光线在眼盒中的成像范围，以满足不同的虚拟成像需求。

本申请的一个示例，继续结合图3所示，本申请还提供的抬头显示装置还包括壳体6，控制单元1、图像生成单元2、和像源移动单元3位于壳体6内；壳体6包括出光口(图中未示出)，出光口位于图像光线S的主光轴L上，且朝向成像单元4。壳体6用于固定和收纳抬头显示装置中的器件，根据不同应用场景的体积要求，可以灵活设计壳体6的外观形貌，这里不做具体限制。

基于同样的实用新型构思，本实用新型实施例还提供了一种载具。继续结合图1-图3所示，本申请实施例提供的载具包括车辆、摩托车、快艇、潜水艇、飞机等中的任意一种交通工具，载具包括上述实施例提供的抬头显示装置。

应理解，图1-图3所示的硬件结构仅是一个示例。本申请所适用的载具可以具有比图1-图3中所示载具更多的或者更少的部件，可以组合两个或更多的部件，或者可以具有不同的部件配置。例如，该载具为车辆，车辆还可以包括其他器件，例如方向盘、处理器、存储器、无线通信装置和传感器等，本实用新型实施例对此不作特殊限定。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互组合和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种抬头显示装置，其特征在于，包括控制单元、图像生成单元、像源移动单元和成像单元；

所述控制单元分别与所述图像生成单元和所述像源移动单元连接；所述图像生成单元设置在所述像源移动单元上；

所述图像生成单元用于发射图像光线，所述像源移动单元用于带动所述图像生成单元沿所述发射图像光线的主光轴方向往复滑动；

所述成像单元位于所述图像光线的主光轴上，所述图像光线经所述成像单元反射后至眼盒后形成虚拟图像。

2.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述像源移动单元包括移动滑轨。

3.根据权利要求2所述的抬头显示装置，其特征在于，所述移动滑轨沿所述图像光线的主光轴方向的移动距离连续可调。

4.根据权利要求2所述的抬头显示装置，其特征在于，所述像源移动单元还包括步进电机，所述步进电机分别与所述控制单元和所述移动滑轨连接。

5.根据权利要求2所述的抬头显示装置，其特征在于，所述像源移动单元还包括至少一个旋转轴；所述像源移动单元可以围绕所述旋转轴旋转。

6.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，还包括光路调整单元，所述光路调整单元位于所述图像光线的主光轴上，用于调整所述图像光线的传播方向。

7.根据权利要求6所述的抬头显示装置，其特征在于，所述光路调整单元包括至少一个平面反射镜；

所述平面反射镜设置在所述图像光线的主光轴上，用于调整所述图像光线的传播方向。

8.根据权利要求6所述的抬头显示装置，其特征在于，所述光路调整单元还包括曲面反射镜；

所述曲面反射镜设置在所述图像光线的主光轴上。

9.根据权利要求6所述的抬头显示装置，其特征在于，还包括壳体，所述控制单元、所述图像生成单元、所述光路调整单元和所述像源移动单元位于所述壳体内；所述壳体包括出光口，所述出光口位于所述图像光线的主光轴上。

10.一种载具，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所示的抬头显示装置。