CN219778042U - 一种抬头显示系统及车辆 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例涉及抬头显示技术领域，公开了一种抬头显示系统及车辆，该抬头显示系统包括图像生成单元、中继组件和一维扩瞳波导，中继组件设置在所述图像生成单元的出光侧，一维扩瞳波导设置在所述中继组件的出光侧，中继组件还包括至少两个转折元件，图像生成单元生成的图像光经过两个转折元件进行至少两次转折，并通过一维扩瞳波导后输出，本实用新型实施例提供的抬头显示系统通过至少两个转折元件折叠光路，以减小抬头显示系统的体积，且通过波导扩瞳，实现大视场、大眼动范围的成像。

Description

一种抬头显示系统及车辆

技术领域

本实用新型实施例涉及抬头显示技术领域，特别涉及一种抬头显示系统及车辆。

背景技术

抬头显示(Head Up Display，HUD)系统，作为一种车载平视显示装置，它不仅可以将传统车载仪表盘上的时速、里程、燃油等重要的行车信息通过汽车前挡风玻璃投影到驾驶员的眼睛里，还能投射增强现实(Augmented Reality，AR)显示的内容，如导航信息等。传统的抬头显示系统中通常采用多个反射式自由曲面组成的离轴投影成像系统，结合车辆前部的挡风玻璃，将图像投影至挡风玻璃以实现虚拟图像的呈现，人眼即可观察到AR图像。

在实现本实用新型实施例过程中，发明人发现以上相关技术中至少存在如下问题：为了保证图像的视觉呈现效果和行车安全，需要在远离前挡风玻璃约1米处的驾驶员人眼位置处实现较大的眼动观察范围，也即在较远的适眼距下实现较大的眼动范围，受限于光学理论，投影成像系统需要采用的自由曲面的尺寸较大，导致整个光学系统的体积也相应增大，使得整个车载抬头显示系统在汽车中控台下会占用极大的空间。

实用新型内容

本申请实施例提供了一种抬头显示系统及车辆。

本实用新型实施例的目的是通过如下技术方案实现的：

为解决上述技术问题，第一方面，本实用新型实施例中提供了一种抬头显示系统，包括：图像生成单元，用于生成图像光；中继组件，设置在所述图像生成单元的出光侧，所述中继组件包括至少两个转折元件，用于将所述图像光进行至少两次转折后输出；一维扩瞳波导，设置在所述中继组件的出光侧，用于将所述进行至少两次转折后输出的图像光进行扩瞳。

在一些实施例中，所述中继组件包括按照光路方向依次设置的第一转折元件、中继镜头和第二转折元件，所述图像光经所述第一转折元件发生第一次转折、经所述中继镜头调制图像光、经所述第二转折元件发生第二次转折后输出至所述一维扩瞳波导。

在一些实施例中，所述中继组件还包括设置在所述图像生成单元和所述第一转折元件之间的扩散板。

在一些实施例中，所述第一转折元件和/或所述第二转折元件为反射镜或转折棱镜。

在一些实施例中，所述中继镜头为由若干片透镜组成的透镜组，所述若干片透镜共光轴设置。

在一些实施例中，所述中继镜头包括按照光路方向依次设置的第一透镜，第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，所述第一透镜为双凹透镜，所述第二透镜为平凸透镜且凸面朝向所述第三透镜设置，所述第三透镜为双凸透镜，所述第四透镜为平凹透镜且凹面朝向所述第五透镜设置，所述第五透镜为双凸透镜。

在一些实施例中，所述一维扩瞳波导为一维阵列光波导，所述一维阵列光波导具有若干个阵列分光面，所述若干个阵列分光面的排列方向与所述透镜组中若干片透镜的排列方向平行。

为解决上述技术问题，第二方面，本实用新型实施例中提供了一种车辆，包括：如第一方面所述的抬头显示系统。

在一些实施例中，所述车辆还包括：挡风玻璃，设置在所述抬头显示系统中一维扩瞳波导的出光侧，用于接收所述抬头显示系统输出的图像光并呈现虚拟图像。

在一些实施例中，所述挡风玻璃镀设有偏振分光膜或者非偏振分光膜，或者利用空气和玻璃界面之间的布儒斯特角反射偏振光束，和/或，所述挡风玻璃为自由曲面或平面镜。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型实施例中提供了一种抬头显示系统及车辆，该抬头显示系统包括图像生成单元、中继组件和一维扩瞳波导，中继组件设置在所述图像生成单元的出光侧，一维扩瞳波导设置在所述中继组件的出光侧，中继组件还包括至少两个转折元件，图像生成单元生成的图像光经过两个转折元件进行至少两次转折，并通过一维扩瞳波导后输出，本实用新型实施例提供的抬头显示系统通过至少两个转折元件折叠光路，以减小抬头显示系统的体积，且通过波导扩瞳，实现大视场、大眼动范围的成像。

附图说明

一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块表示为类似的元件/模块，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本实用新型实施例提供的一种抬头显示系统的结构框图；

图2是本实用新型实施例提供的一种抬头显示系统的结构及在挡风玻璃上的成像光路示意图；

图3是图2所示抬头显示系统的中继组件和一维扩瞳波导的局部结构及成像光路示意图；

图4是图3所示结构的中继组件在Z方向的视图；

图5是图3所示结构的中继组件在Y方向的视图；

图6是具有表1所示设计参数的中继镜头的调制传递函数曲线图；

图7是具有表1所示设计参数的中继镜头的轴向色差曲线图、色散曲线图以及畸变曲线图；

图8是本实用新型实施例提供的一种车辆的结构框图；

附图标记：100、抬头显示系统；10、图像生成单元；20、中继组件；30、一维扩瞳波导；21、第一转折元件；22、中继镜头；23、第二转折元件；24、扩散板；G1、第一透镜；G2、第二透镜；G3、第三透镜；G4、第四透镜；G5、第五透镜；1000、车辆；200、挡风玻璃。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以作出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，如果不冲突，本实用新型实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了解决当前抬头显示系统无法兼顾大视场/大眼动范围与小型化的需求，本实用新型实施例提供了一种抬头显示系统及车辆，该抬头显示系统通过至少两个转折元件折叠光路，以减小抬头显示系统的体积，且通过波导扩瞳，实现大视场、大眼动范围的成像。且有，本申请的抬头显示系统中不采用自由曲面，因此对装配精度要求不高，相较于传统的采用多个反射自由曲面的系统，极大地减少了组装量产的难度。波导HUD出光为平行光，可以获得无限远的虚像距离，远比常规HUD的虚像显示距离更远，且无需挡风玻璃采用楔形膜等方式消除挡风玻璃前后表面的重影，极大地降低波导HUD对不同车型的适配复杂度。

具体地，下面结合附图，对本实用新型实施例作进一步阐述。

本实用新型实施例提供了一种抬头显示系统100，请参见图1，其表示本实用新型实施例提供的一种抬头显示系统100的结构框图，所述抬头显示系统100包括：图像生成单元10、中继组件20、一维扩瞳波导30。

图像生成单元10(Picture Generation Unit，PGU)，用于生成图像光；其中，所述图像生成单元10可以是薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)、数字光处理(DigitalLight Processing，DLP)光机、硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)和激光扫描投影(Laser Beam Scanning，LBS)光机等不同类型的图像源生成模组，其产生的图像源通过所述中继组件20进行扩束、准直等调制后输出，具体地，所述图像生成单元10采用的图像源、芯片、光机、模组可根据实际需要进行选择，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。

中继组件20，设置在所述图像生成单元10的出光侧，所述中继组件20包括至少两个转折元件，用于将所述图像光进行至少两次转折后输出，并将转折、调制后的图像光导入到所述一维扩瞳波导30中；本实用新型实施例通过至少两个转折元件折叠光路，一方面保证中继组件20对图像光的调制作用，另一方面还能够有效缩小光学器件占用的体积。

具体地，请参见图2，其表示本实用新型实施例提供的一种抬头显示系统100的结构及在挡风玻璃200上的成像光路，所述中继组件20包括按照光路方向依次设置的第一转折元件21、中继镜头22和第二转折元件23，所述图像光经所述第一转折元件21发生第一次转折、经所述中继镜头22调制图像光、经所述第二转折元件23发生第二次转折后输出至所述一维扩瞳波导30。第一转折元件21的设置可以减小中继组件在X方向的尺寸；第二转折元件23的设置可以减小中继组件在Y方向的尺寸，从而在达到同等效果的前提下，增加第一转折元件21、第二转折元件23可以有效地减小中继组件20所占据的空间。

优选地，所述第一转折元件21和/或所述第二转折元件23为反射镜或转折棱镜，其中，相较于转折棱镜的方案，所述第一转折元件21和/或所述第二转折元件23采用反射镜时可以占用的体积更小，且不会因转折棱镜侧壁的反射等引入鬼像杂光。

优选地，所述中继镜头22为由若干片透镜组成的透镜组，所述若干片透镜共光轴设置，所述中继镜头22用于将所述图像光准直、调制后输出。本实用新型实施例采用透镜组，相较于自由曲面的方案，能够保证对图像光的调制作用，占用的空间较小，且组装难度也较小，有利于低成本加工，通过调整透镜组中各透镜的设计参数，还能够有效提升成像效果。

具体地，请一并参见图3、图4和图5，其中，图3表示图2所示抬头显示系统100的中继组件20和一维扩瞳波导30的局部结构及成像光路图，图4是图3所示结构的中继组件20在Z方向的视图，图5是图3所示结构的中继组件20在Y方向的视图，所述中继镜头22包括按照光路方向依次设置的第一透镜G1，第二透镜G2、第三透镜G3、第四透镜G4和第五透镜G5，所述第一透镜G1为双凹透镜，所述第二透镜G2为平凸透镜且凸面朝向所述第三透镜G3设置，所述第三透镜G3为双凸透镜，所述第四透镜G4为平凹透镜且凹面朝向所述第五透镜G5设置，所述第五透镜G5为双凸透镜。

请参见下表1，其为本实用新型实施例提供的一种中继镜头22的设计参数，其中，R1表示各透镜的入光面，R2表示各透镜的出光面。

表1

且有，请一并参见图6和图7，其中，图6为具有表1所示设计参数的中继镜头22的调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)曲线图，图7为具有表1所示设计参数的中继镜头22的轴向色差曲线、色散曲线以及畸变曲线图，通过图6和图7可以看出，极限奈奎斯特频率下，MTF＞0.6，轴向色差和色散控制在较小范围内，畸变控制在<0.5％内，本实用新型实施例提供的中继镜头22具有较好的成像质量。

需要说明的是，在图3所示示例中，所述中继镜头22由五片透镜组成，且各透镜优选采用低折射率、低成本的玻璃制成，在其他的一些实施例中，所述中继镜头22是否全由透镜构成、透镜组中透镜的数量、透镜的材料等可根据实际需要进行调整，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。

所述中继组件20还包括设置在所述图像生成单元10和所述第一转折元件21之间的扩散板24，所述扩散板24用于将所述图像生成单元10输出的图像光扩散、光束发散角增大后输出，图像光在输入中继镜头22之前，会不断扩展，扩展到一定程度后再经中继镜头22处理，这个过程中，图像光需要一段距离边传输边扩展，在所述图像生成单元10生成图像光后，采用扩散板24可以增大光束的光学扩展量，有利于HUD大EyeBox的实现。

需要说明的是，所述中继组件20不局限于图2至图5所示示例，例如，转折元件的数量可以不只是第一转折元件21和第二转折元件23这两个，位置也不限制于图示所示位置，除了转折元件以外的其他光学元器件也可以根据实际的成像需求进行搭配，不需要局限于仅采用中继镜头和扩散板，具体可根据实际成像需求进行调整。

所述一维扩瞳波导30，设置在所述中继组件20的出光侧，用于将所述进行至少两次转折后输出的图像光进行扩瞳。本实用新型实施例通过采用具有大幅面的一维扩瞳波导30扩大抬头显示系统100的视场角，以使抬头显示系统100输出成像时具有更大的眼动范围。

优选地，如图3所示，所述一维扩瞳波导30为一维阵列光波导，所述一维阵列光波导具有若干个阵列分光面，所述若干个阵列分光面的排列方向与所述透镜组中若干片透镜的排列方向平行，通过所述中继镜头22调制后的图像光进入所述一维扩瞳波导30后，在所述一维扩瞳波导30内全反射传输，在每到达一个阵列分光面时部分透射、部分反射，所述部分反射的光反射出射并到达挡风玻璃200处成像，所述部分透射的光继续沿着原方向全反射传输并在到达下一阵列分光面时部分透射、部分反射，以此类推，并在最后一个分光面上全部从所述一维扩瞳波导30反射出射。需要说明的是，所述一维扩瞳波导30也可以是全息光波导、超表面光波导等其他类型的能够大幅面扩瞳的一维光波导。

本实用新型实施例还提供了一种车辆1000，请参见图8，其表示本实用新型实施例提供的一种车辆1000的结构框图，所述车辆1000包括：上述实施例及图1至图5所述的抬头显示系统100。

所述车辆1000还包括：挡风玻璃200，设置在所述抬头显示系统100中一维扩瞳波导30的出光侧，用于接收所述抬头显示系统100输出的图像光并呈现虚拟图像Image。其中，所述挡风玻璃200可以是图2中所示的挡风玻璃200，且有，所述挡风玻璃200镀设有偏振分光膜或者非偏振分光膜，或者利用空气和玻璃界面之间的布儒斯特角反射偏振光束，和/或，所述挡风玻璃200为自由曲面或平面镜。

请一并参见图2，所述抬头显示系统100工作时，图像生成单元10生成图像源并输出图像光，图像光经过所述中继组件20的扩散板24进行光学扩展量增大后，通过第一转折元件21进行第一次转折，然后，通过中继镜头22将扩束后的光线进行准直、放大等调制，接着在通过第二转折元件23进行第二次转折，使得调制后的图像光进入到一维扩瞳波导30中，在一维扩瞳波导30中扩瞳后投影至挡风玻璃200，光线经过挡风玻璃200反射出射至人眼的视窗Eyebox处，从而实现AR成像。

本实用新型实施例中提供了一种抬头显示系统及车辆，该抬头显示系统包括图像生成单元、中继组件和一维扩瞳波导，中继组件设置在所述图像生成单元的出光侧，一维扩瞳波导设置在所述中继组件的出光侧，中继组件还包括至少两个转折元件，图像生成单元生成的图像光经过两个转折元件进行至少两次转折，并通过一维扩瞳波导后输出，本实用新型实施例提供的抬头显示系统通过至少两个转折元件折叠光路，以减小抬头显示系统的体积，且通过波导扩瞳，实现大视场、大眼动范围的成像。

需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其他变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种抬头显示系统，其特征在于，包括：

图像生成单元，用于生成图像光；

中继组件，设置在所述图像生成单元的出光侧，所述中继组件包括至少两个转折元件，用于将所述图像光进行至少两次转折后输出；

一维扩瞳波导，设置在所述中继组件的出光侧，用于将所述进行至少两次转折后输出的图像光进行扩瞳。

2.根据权利要求1所述的抬头显示系统，其特征在于，

所述中继组件包括按照光路方向依次设置的第一转折元件、中继镜头和第二转折元件，所述图像光经所述第一转折元件发生第一次转折、经所述中继镜头调制图像光、经所述第二转折元件发生第二次转折后输出至所述一维扩瞳波导。

3.根据权利要求2所述的抬头显示系统，其特征在于，

所述中继组件还包括设置在所述图像生成单元和所述第一转折元件之间的扩散板。

4.根据权利要求2所述的抬头显示系统，其特征在于，

所述第一转折元件和/或所述第二转折元件为反射镜或转折棱镜。

5.根据权利要求2-4任一项所述的抬头显示系统，其特征在于，

所述中继镜头为由若干片透镜组成的透镜组，所述若干片透镜共光轴设置。

6.根据权利要求5所述的抬头显示系统，其特征在于，

所述中继镜头包括按照光路方向依次设置的第一透镜，第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，

所述第一透镜为双凹透镜，所述第二透镜为平凸透镜且凸面朝向所述第三透镜设置，所述第三透镜为双凸透镜，所述第四透镜为平凹透镜且凹面朝向所述第五透镜设置，所述第五透镜为双凸透镜。

7.根据权利要求5所述的抬头显示系统，其特征在于，

所述一维扩瞳波导为一维阵列光波导，所述一维阵列光波导具有若干个阵列分光面，所述若干个阵列分光面的排列方向与所述透镜组中若干片透镜的排列方向平行。

8.一种车辆，其特征在于，包括：如权利要求1-7任一项所述的抬头显示系统。

9.根据权利要求8所述的车辆，其特征在于，

所述车辆还包括：挡风玻璃，设置在所述抬头显示系统中一维扩瞳波导的出光侧，用于接收所述抬头显示系统输出的图像光并呈现虚拟图像。

10.根据权利要求9所述的车辆，其特征在于，

所述挡风玻璃镀设有偏振分光膜或者非偏振分光膜，或者利用空气和玻璃界面之间的布儒斯特角反射偏振光束；

和/或，

所述挡风玻璃为自由曲面或平面镜。