CN220872780U - 增强现实抬头显示装置和车辆 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种增强现实抬头显示装置和车辆。增强现实抬头显示装置包括图像生成元件、曲面衍射波导和反射元件，图像生成元件位于曲面衍射波导的耦入侧，反射元件位于曲面衍射波导的耦出侧；图像生成元件用于产生图像光线并入射曲面衍射波导；曲面衍射波导用于耦入图像生成元件出射的图像光线，并耦出图像光线至反射元件；反射元件用于将图像光线反射至人眼。上述增强现实抬头显示装置中，曲面衍射波导能够实现反射元件带来的像差矫正，同时兼顾衍射波导扩瞳传导的增强现实功能，因此曲面衍射波导集多功能于一体，既不增加像差矫正带来的大体积的矫正镜，又可以实现具备超远虚像视距的增强现实抬头显示能力，兼顾高显示性能与小体积。

Description

增强现实抬头显示装置和车辆

技术领域

本实用新型涉及光学显示技术领域，特别是涉及一种增强现实抬头显示装置和车辆。

背景技术

抬头显示系统(Head Up Display，HUD)也称为平视显示系统，通过将各类驾驶信息虚拟叠加在路况实景上，使驾驶员不用转头、低头就能看到关键数据，从而使驾驶员始终保持抬头的姿态，避免了因目光切换而引起的安全隐患。HUD有助于提升驾驶员的态势感知能力，减少反应时间，降低车辆发生碰撞的风险。因此，HUD是满足车载环境中，人与外界信息交互需求的必然趋势。

现有HUD性能尚不能满足实际车载信息交互需求。更为遗憾的是，随着光学性能提升，HUD体积也随之增大。而车载领域对系统体积极其敏感，HUD体积是决定是否可以上车的重要指标。此外，挡风玻璃是抬头显示装置中必须考虑的组件，同时由于挡风玻璃一般为曲面面型，会引入一定程度的像差，影响了抬头显示装置的显示性能。

实用新型内容

基于此，有必要针对如何兼顾高显示性能与小体积的问题，提供一种增强现实抬头显示装置和车辆。

一种增强现实抬头显示装置，所述增强现实抬头显示装置包括图像生成元件、曲面衍射波导和反射元件，所述图像生成元件位于所述曲面衍射波导的耦入侧，所述反射元件位于所述曲面衍射波导的耦出侧；

其中，所述图像生成元件用于产生图像光线并入射所述曲面衍射波导；

其中，所述曲面衍射波导用于耦入所述图像生成元件出射的图像光线，并耦出所述图像光线至所述反射元件；

其中，所述反射元件用于将所述图像光线反射至人眼。

上述增强现实抬头显示装置中，曲面衍射波导能够实现反射元件带来的像差矫正，同时兼顾衍射波导扩瞳传导的增强现实功能，因此曲面衍射波导集多功能于一体，既不增加像差矫正带来的大体积的矫正镜，又可以实现具备超远虚像视距的增强现实抬头显示能力，兼顾高显示性能与小体积，有利于广泛应用。

在一个可行的实现方式中，所述反射元件为挡风玻璃。

在一个可行的实现方式中，所述反射元件的面型为曲面。

在一个可行的实现方式中，所述曲面衍射波导包括波导基底，所述波导基底包括耦入区域和耦出区域，所述耦入区域用于耦合所述图像生成元件出射的图像光线，所述耦出区域用于耦出所述图像光线并入射所述反射元件。

在一个可行的实现方式中，所述波导基底还包括位于所述耦入区域与所述耦出区域之间的转折区域，由所述耦入区域耦入所述波导基底的图像光线经所述转折区域扩展至所述耦出区域。

在一个可行的实现方式中，所述曲面衍射波导为阵列光波导、浮雕光栅光波导或者体全息光栅光波导。

在一个可行的实现方式中，所述图像生成元件为投影光机。

在一个可行的实现方式中，所述投影光机为LCOS、MEMS、DLP、miniLED或者LCD。

一种车辆，包括上述任一的增强现实抬头显示装置。

上述车辆包括上述任一的增强现实抬头显示装置，曲面衍射波导能够实现反射元件带来的像差矫正，同时兼顾衍射波导扩瞳传导的增强现实功能，因此曲面衍射波导集多功能于一体，既不增加像差矫正带来的大体积的矫正镜，又可以实现具备超远虚像视距的增强现实抬头显示能力，兼顾高显示性能与小体积，有利于广泛应用。

附图说明

图1为传统的增强现实抬头显示装置的示意图；

图2为本实用新型一实施方式的增强现实抬头显示装置的示意图；

图3为本实用新型一实施方式的增强现实抬头显示装置的示意图；

图4为本实用新型一实施方式的在曲面衍射波导上构筑复杂纳米结构的方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文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。本文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例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/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。

为了便于理解本实用新型，下面先介绍传统增强现实抬头显示装置中的挡风玻璃导致图像像差的原因。请参见图1，传统的增强现实抬头显示装置100’包括图像生成元件110’、平面衍射波导120’和挡风玻璃130’，图像生成元件110’位于平面衍射波导120’的耦入侧，挡风玻璃130’位于曲面衍射波导120’的耦出侧。其中，挡风玻璃130’为曲面玻璃，且曲率半径为1000mm。应用上述增强现实抬头显示装置100’时，图像生成元件110’产生的图像光线入射平面衍射波导120’，经平面衍射波导120’衍射扩瞳传导，可以出射多条平行的图像光线，此部分出射的图像光线会继续传导至挡风玻璃130’的表面，之后挡风玻璃130’将图像光线反射至人眼200’。然而由于挡风玻璃130’的面型具备一定的曲率，因此多条平行的图像光线经挡风玻璃130’反射后，成为不具备平行光属性的图像光线组，即代表图像光线的扩展与传导发生了一定程度的变化，这部分变化会引入较大程度的图像像差，比如模糊、重影、扭曲等。

为了矫正传统增强现实抬头显示装置中平行光束经挡风玻璃反射产生的图像像差，同时避免增大体积，本实用新型提供一种能够兼顾高显示性能与小体积的增强现实抬头显示装置和车辆。

请参见图2，本实用新型一实施方式的增强现实抬头显示装置100包括图像生成元件110、曲面衍射波导120和反射元件130，图像生成元件110位于曲面衍射波导120的耦入侧，反射元件130位于曲面衍射波导120的耦出侧。

其中，图像生成元件110用于产生图像光线并入射曲面衍射波导120。曲面衍射波导120用于耦入图像生成元件出射的图像光线，并耦出图像光线至反射元件130。反射元件130用于将图像光线反射至人眼200。

本实施方式中，反射元件130为挡风玻璃。进一步地，反射元件130的面型为曲面。更进一步地，挡风玻璃的曲率半径为1000mm，曲面衍射波导的曲率半径为400mm。需要说明的是，本实用新型的增强现实抬头显示装置中，反射元件不限于挡风玻璃，也可以根据实际需求设定为其他形式的反射元件。挡风玻璃的曲率半径和曲面衍射波导的曲率半径也都不限于本实施方式的具体数值。

请一并参见图3，本实施方式中，曲面衍射波导120包括波导基底121，波导基底121包括耦入区域122和耦出区域123，耦入区域122用于耦合图像生成元件出射的图像光线，耦出区域123用于耦出图像光线并入射反射元件130。其中，曲面衍射波导120的耦出区域123的不同位置的切面曲率不同，从而衍射角度不同，会出现非平行的图像光线组，此部分出射光线会继续传导至挡风玻璃的表面。非平行的图像光线组经过挡风玻璃反射后，可以矫正为平行的图像光线组，即观看时，不会因为图像光线会聚或发散带来的图像像差，因此图像是清晰的。由此可见，基于曲面衍射波导的设计，可以结合挡风玻璃的面型，实现图像光线的像差矫正，提高显示性能，同时无需额外添置像差矫正装置，极大的缩减了装置体积。

需要说明的是，本实用新型的增强现实抬头显示装置中，曲面衍射波导的波导基底不限于此。在另一实施方式中，波导基底还包括位于耦入区域与耦出区域之间的转折区域，由耦入区域耦入波导基底的图像光线经转折区域扩展至耦出区域。

进一步地，本实施方式中，曲面衍射波导可以为阵列光波导、浮雕光栅光波导或者体全息光栅光波导。

进一步地，本实施方式中，图像生成元件110为投影光机。投影光机例如可以为LCOS、MEMS、DLP、miniLED或者LCD。

上述增强现实抬头显示装置中，曲面衍射波导能够实现反射元件带来的像差矫正，同时兼顾衍射波导扩瞳传导的增强现实功能，因此曲面衍射波导集多功能于一体，既不增加像差矫正带来的大体积的矫正镜，又可以实现具备超远虚像视距的增强现实抬头显示能力，兼顾高显示性能与小体积，有利于广泛应用。

此外，本实用新型基于曲面衍射波导的AR-HUD具有的潜在优越性和先进性还表现在以下几个方面：(1)与传统车载仪表显示方法相比，基于曲面衍射波导的AR-HUD提高道路安全降低交通事故率的同时，可充分赋能座舱智能化，让座舱视觉交互更加直观和有效；(2)与传统HUD显示方法相比，基于曲面衍射波导的AR-HUD具备更远的虚像视距，更丰富的信息显示与人车信息交互能力；(3)与三反系统的AR-HUD显示方法相比，基于曲面衍射波导的AR-HUD可实现超过10m的虚像视距，更小的模组体积，对车载前装具备更高的设计与容差。

请参见图4，一实施方式的在曲面衍射波导上构筑复杂纳米结构的方法，包括如下步骤：

步骤1：在光刻基底10表面上涂布一层光刻胶20。

步骤2：通过全息干涉工艺，在光刻基底10表面形成图案化的纳米结构22。

步骤3：通过母版成型工艺，将纳米结构22转移至可重复使用的模具30上。

步骤4：通过纳米压印工艺，在产品基底40上实现纳米结构30的复制。

步骤5：通过薄膜成型工艺，在产品结构50处添置膜层60。

步骤6：通过曲面成型工艺，实现具有纳米结构的产品面型曲面化，得到曲面衍射波导100。

上述在曲面衍射波导上构筑复杂纳米结构的方法工艺简单，能够实现具有纳米结构的曲面衍射波导的面型曲面化，并在曲面衍射波导上构筑复杂的纳米结构。

一实施方式的车辆，包括上述任一的增强现实抬头显示装置。

上述车辆包括上述任一的增强现实抬头显示装置，曲面衍射波导能够实现反射元件带来的像差矫正，同时兼顾衍射波导扩瞳传导的增强现实功能，因此曲面衍射波导集多功能于一体，既不增加像差矫正带来的大体积的矫正镜，又可以实现具备超远虚像视距的增强现实抬头显示能力，兼顾高显示性能与小体积，有利于广泛应用。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种增强现实抬头显示装置，其特征在于，所述增强现实抬头显示装置包括图像生成元件、曲面衍射波导和反射元件，所述图像生成元件位于所述曲面衍射波导的耦入侧，所述反射元件位于所述曲面衍射波导的耦出侧；

其中，所述图像生成元件用于产生图像光线并入射所述曲面衍射波导；

其中，所述曲面衍射波导用于耦入所述图像生成元件出射的图像光线，并耦出所述图像光线至所述反射元件；

其中，所述反射元件用于将所述图像光线反射至人眼。

2.根据权利要求1所述的增强现实抬头显示装置，其特征在于，所述反射元件为挡风玻璃。

3.根据权利要求1所述的增强现实抬头显示装置，其特征在于，所述反射元件的面型为曲面。

4.根据权利要求1所述的增强现实抬头显示装置，其特征在于，所述曲面衍射波导包括波导基底，所述波导基底包括耦入区域和耦出区域，所述耦入区域用于耦合所述图像生成元件出射的图像光线，所述耦出区域用于耦出所述图像光线并入射所述反射元件。

5.根据权利要求4所述的增强现实抬头显示装置，其特征在于，所述波导基底还包括位于所述耦入区域与所述耦出区域之间的转折区域，由所述耦入区域耦入所述波导基底的图像光线经所述转折区域扩展至所述耦出区域。

6.根据权利要求1所述的增强现实抬头显示装置，其特征在于，所述曲面衍射波导为阵列光波导、浮雕光栅光波导或者体全息光栅光波导。

7.根据权利要求1所述的增强现实抬头显示装置，其特征在于，所述图像生成元件为投影光机。

8.根据权利要求7所述的增强现实抬头显示装置，其特征在于，所述投影光机为LCOS、MEMS、DLP、miniLED或者LCD。

9.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1～8中任一项所述的增强现实抬头显示装置。