CN113138463A - 一种车载虚拟现实抬头显示*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车载虚拟现实抬头显示***，该***安装于驾驶员位置前侧的预设位置处，包括显示屏、补偿镜、次镜和混合器；显示屏用于显示车辆信息或者导航信息，显示屏发射的光线经过补偿镜进行像散补偿后入射至次镜，次镜将光线反射至混合器，混合器将次镜反射的光线和路面散射光线进行重叠后投射至人眼附近的虚拟Eye Box，使显示屏经过补偿镜、次镜和混合器后的虚像位于距离驾驶员位置预设距离的路面上。本发明能够将显示屏所显示的信息与路面信息在人眼附近的虚拟Eye Box内相重叠，实现虚拟现实的功能，仿真表明该***实用有效，其不仅可以使汽车仪表盘轻量化，而且可以节约汽车的宝贵空间。

Description

一种车载虚拟现实抬头显示***

技术领域

本发明涉及汽车设备技术领域，特别是涉及一种车载虚拟现实抬头显示***。

背景技术

汽车的形式状态直接关系到汽车的安全性、燃油经济型、操控稳定性等性能，而汽车是通过仪表显示汽车的行驶参数来反映汽车行驶状态的。虽然传统的仪表使用方便、成熟、可靠，但是还存在致命的缺点。传统的仪表盘的不足主要表现在仪表的视认性差。驾驶员的视线从前视野转移到需要观察的仪表盘这一视线由远及近的转移经历了视线转移、双眼焦点调节、读取仪表信息三个步骤。每个环节需要的时间与人眼视力响应时间有关。据统计资料显示，驾驶员视线从前视野转移到目标仪表读取信息然后视线重新转移到前视野这一过程需要4s～7s左右，在这一过程中驾驶员会有3s～5s左右的时间是低头查看仪表盘的。如果车速为100km/h时，汽车在驾驶员低头查看仪表盘的3s～5s的时间内已经行驶了83m～138m。这段低头的时间属于驾驶盲区时间，非常危险，道路中的交通事故约有20％与这段驾驶盲区时间有关。因此，缩短驾驶盲区时间显得尤为重要。车载抬头显示***(HeadsUp Display，HUD)可以使驾驶员不需要在汽车行驶过程中低头查看仪表盘来获取汽车行驶状态信息，有效避免交通事故的发生。

HUD***主要分为直接反射式、挡风玻璃集成式和间接集成式三种类型，其中直接反射式抬头显示***属于后装市场应用，间接集成式抬头显示***在前装和后装市场上均有应用，挡风玻璃集成式抬头显示***属于前装车载应用。三者的应用目的相同，成像显示原理类似，细节有所不同。

直接反射式抬头显示***是最为简化的HUD***，显像器上显示反向的图像，经挡风玻璃反射后一次成像得到正向的虚像。因为只经过一次反射，因此这种方式视距较短，通常不超过0.5m。这种方式的HUD成本低，体积小，开发周期短，为了提高显示效果，发光源一般采用段码式的显示屏，显示内容也只是格式固定的驾驶信息。安装时，需在挡风玻璃上贴上一定大小的特定折射率的显示膜，LED光源将格式固定内容单一的行驶相关信息投射至显示膜上，即可观察到相应的信息。

该直接反射式抬头显示***将重要的信息显示在前挡风玻璃上，安装简单开发成本低，后装市场上应用较多。但也存在严重的缺点：功能简单，色彩比较单一，只能显示预订的、固化格式的信息，清晰度一般，且视距很短，一般只有0.5m左右。

挡风玻璃集成式抬头显示***在真正意义上诠释了其在汽车上的完美应用，与飞机上抬头显示***显示飞机飞行信息有异曲同工之处。它将用户需要的内容通过光学***投射到前挡风玻璃上，人眼透过挡风玻璃观察外界景象时可以在平视范围内观察到HUD虚像。投射光源将图像源投射在显示器上，显示器上的图像经过第一次反射由反射器反射至弧面反射器上，接着经过第二次反射投射至挡风玻璃上，最后挡风玻璃进行第三次反射最终将光线射入用户眼睛。因此，人眼透过挡风玻璃可以观察到平视视野前方的虚像。挡风玻璃集成式抬头显示***能够有效缩短视线移动以及焦点调节的时间，提高了行车安全性，增加了驾驶舒适度。

开发该挡风玻璃集成式抬头显示***有两个技术难点：第一，挡风玻璃制造工艺要求非常苛刻，需用镀膜的方法将一种透明的高折射率材料镀在挡风玻璃的表层部分。为了避免观察到重影现象，该塑料膜是以楔形分布方式覆盖在挡风玻璃上的。第二，整车制造工艺需更加精准，要求整车制造具有很好的一致性。这种方式的抬头显示***的显示视距大于两米，视场较大，能够显示更加丰富的车辆信息。此方式HUD显示内容多样化，可根据需求显示导航、车辆航道偏移提示、限速提醒等信息，在高端车上应用广泛。

间接集成式车载抬头显示***原理与挡风玻璃集成式HUD相同，采用一块辅助显示屏作为混合器进行虚像显示，替代了挡风玻璃。通过合理设计反射装置以及混合器，使得HUD虚像与外界景象很好的融合。混合器的使用降低了***对挡风玻璃安装角度的高精度要求，减小了仪表板和挡风玻璃的依赖，大幅度降低了产品开发难度，增加了整车制造的柔性，在前装、后装车载设备中都取得广泛的应用。间接集成式车载HUD***作为一个独立的显示单元，在配置上具有很大的柔性，目前大多数汽车厂商或消费者选用的就是这类使用混合器的抬头显示***。

根据实验研究，视线由近及远的转移所需的调焦时间比由远及近所需的调焦时间要多，且当眼睛焦距处在通常仪表范围时所需的眼睛焦点调节时间显著增加。驾驶员视焦点的调节时间同样对驾驶安全有一定的影响。为了减少驾驶员视线从路面调焦到HUD的时间，将增强现实(Augmented Reality，AR)技术应用到HUD技术中，可以将探测器识别到的驾驶安全信息与真实的道路环境相融合，在提高驾驶体验的同时，也降低了驾驶员的认知负荷。由于AR-HUD不切断真实驾驶情景、虚实结合、实时交互的特点，将对未来汽车辅助驾驶、车载娱乐、导航的发展起到强大的驱动作用。

随着汽车电子技术的不断发展，传统的机电式模拟汽车仪表被智能化、电子化仪表取代是必然结果。智能化、电子化仪表重量轻、体积小，能迅速、准确实时地显示所需驾驶信息，随着AR-HUD的发展，将有望取代传统仪表盘，这样不仅可以使汽车轻量化，而且可以节约汽车的宝贵空间，这将是汽车产业的又一次革命性的发展。

汽车安全是汽车未来发展的一个主要方面，而AR-HUD技术则是未来智能汽车关于汽车安全的一个重要组成部分。目前，市场上已有的AR-HUD产品普及程度低，界面形式多种多样，因此对AR-HUD的视觉交互界面进行研究是具有前瞻性和规范化意义的。随着AR-HUD的普及推广，探索建立一套行之有效的HUD视觉交互界面设计原则十分重要。车载AR-HUD设备的研发，为今后人车交互设计积累理论基础、储备技术知识和提供科学仪器研制经验。

发明内容

为解决现有技术中AR-HUD产品存在的问题，本发明提供一种车载虚拟现实抬头显示***。

为实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种车载虚拟现实抬头显示***，所述车载虚拟现实抬头显示***安装于驾驶员位置前侧的预设位置处，包括显示屏、补偿镜、次镜和混合器，所述补偿镜、所述次镜和所述混合器呈倒置的Schwarzschild光学***结构；

所述显示屏用于显示车辆信息或者导航信息，所述显示屏发射的光线经过所述补偿镜进行像散补偿后入射至所述次镜，所述次镜将光线反射至所述混合器，所述混合器将所述次镜反射的光线和路面散射光线进行重叠后投射至人眼附近的虚拟Eye Box，使所述显示屏经过所述补偿镜、所述次镜和所述混合器后的虚像位于距离所述驾驶员位置预设距离的路面上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种车载虚拟现实抬头显示***，该***包括显示屏、补偿镜、次镜和混合器，能够将显示屏所显示的信息与路面信息在人眼附近的虚拟Eye Box内相重叠，实现虚拟现实的功能，仿真表明该***实用有效，其不仅可以使汽车仪表盘轻量化，而且可以节约汽车的宝贵空间，有望取代传统仪表盘，在汽车领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明所述的一种车载虚拟现实抬头显示***的工作方式示意图；

图2为本发明所述的一种车载虚拟现实抬头显示***的光学结构示意图；

图3为本发明中虚拟Eye Box的尺寸示意图；

图中：1、显示屏；2、补偿镜；3、次镜；4、混合器；5、虚拟Eye Box。

具体实施方式

下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

本发明公开一种车载虚拟现实抬头显示***，该***为一款具有虚拟现实技术的抬头显示***，可以将***投影信息融入外部环境信息之中，具有较好的应用性。车载虚拟现实抬头显示***的工作方式如图1所示，图1中虚线框内所示即为本发明的车载虚拟现实抬头显示***，车载虚拟现实抬头显示***安装于驾驶员位置前侧的预设位置处，该预设位置与驾驶员位置之间的距离为700mm，例如车载虚拟现实抬头显示***安装于驾驶员正前方700mm处的仪表盘上方。

如图2所示，车载虚拟现实抬头显示***包括显示屏1、补偿镜2、次镜3和混合器4，采用倒置的Schwarzschild光学***结构的补偿镜2、次镜3和混合器4组成AR-HUD，其中，显示屏1用于将要投射给驾驶员的信息(包括但不限于车辆信息和导航信息)进行显示，通过AR-HUD呈现到驾驶员视野内；混合器4将路面散射光线和显示屏1发射的光线进行重叠，即将路面图像和显示屏虚像进行重叠，反射给驾驶员眼睛；虚拟Eye Box是AR技术中一个虚拟的区域，也是显示内容最清晰的区域，在本发明中，虚拟Eye Box 5是驾驶员眼睛可以看到AR-HUD显示的区域，人眼位于该区域内可以清晰地看到AR-HUD投射的图像信息。AR-HUD中的混合器4将路面信息和显示屏信息叠加到一起，同时呈现到位于虚拟Eye Box 5内的人眼上，实现将显示屏1上的信息进行放大、拉远的功能，使得人眼在观察路面的情况下，不需要调焦就可以看清显示屏1上的信息。本发明中的AR-HUD采用远距结构，采用正负镜组分离，正镜组为前组，后镜组为后组。光线经前组汇聚后进入后组，被后组发散成像到焦平面上，使整个***后主面向前移出光学***之外，从而获得比焦距短得多的整体尺寸。AR-HUD光学***采用倒置的Schwarzschild光学***结构，将Schwarzchild光学***倒置应用，将入射光距离调节到有限远，则像面就会向后移动，甚至出现负距离，正好满足AR-HUD光学***的要求。所以AR-HUD光学***首先按照Schwarzschild望远成像光学***进行设计，然后调节入射光距离完成AR-HUD光学***设计。

具体地，显示屏1用于显示车辆信息或者导航信息，显示屏1显示信息时发射的光线依次经过补偿镜2、次镜3和混合器4后投射至驾驶员眼睛附近的虚拟Eye Box 5。补偿镜2用于补偿光学***中主次镜产生的像散，经过补偿镜2进行像散补偿后的光线入射至次镜3，次镜3作为光学***的凸球面起到放大的作用，经过次镜3反射后的光线入射至混合器4，混合器4将次镜3反射的光线和路面散射光线进行重叠后投射至人眼附近的虚拟Eye Box5，使显示屏1经过补偿镜2、次镜3和混合器4后的虚像位于距离驾驶员位置预设距离(例如10m)的路面上，显示屏虚像的横向宽度和竖向宽度如图1所示例，驾驶员的视线与水平路面的夹角为3°，实现显示屏1显示的屏幕信息与路面信息的重合或者混合。

进一步地，本发明中的混合器4包括相互平行的前表面和后表面，并且前表面和后表面均为自由曲面，前表面上镀有半返半透膜，可以将显示屏1发出的光线反射至虚拟EyeBox 5，同时路面散射光线可以透过前后表面照射至虚拟Eye Box 5。

本发明中的补偿镜2为离轴球面透镜，次镜3和混合器4均为离轴高次非球面镜，补偿镜2、次镜3和混合器4的材质均为光学塑料。

如图3所示，本发明的车载虚拟现实抬头显示***经过合理设计后，虚拟Eye Box5的尺寸可以达到140mm×60mm，相较于直径为4mm的人眼瞳孔而言，人眼在较大的区域内都可以看到显示屏1显示的内容。

本发明提供一种车载抬头显示***，特别是一种具有虚拟现实功能的抬头显示***，该***包括显示屏、补偿镜、次镜和混合器，能够将显示屏所显示的信息与路面信息在人眼附近的虚拟Eye Box内相重叠，实现虚拟现实的功能，仿真表明该***实用有效，其不仅可以使汽车仪表盘轻量化，而且可以节约汽车的宝贵空间，有望取代传统仪表盘，在汽车领域具有广阔的应用前景。

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发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种车载虚拟现实抬头显示***，其特征在于，所述车载虚拟现实抬头显示***安装于驾驶员位置前侧的预设位置处，包括显示屏(1)、补偿镜(2)、次镜(3)和混合器(4)，所述补偿镜(2)、所述次镜(3)和所述混合器(4)呈倒置的Schwarzschild光学***结构；

所述显示屏(1)用于显示车辆信息或者导航信息，所述显示屏(1)发射的光线经过所述补偿镜(2)进行像散补偿后入射至所述次镜(3)，所述次镜(3)将光线反射至所述混合器(4)，所述混合器(4)将所述次镜(3)反射的光线和路面散射光线进行重叠后投射至人眼附近的虚拟Eye Box(5)，使所述显示屏(1)经过所述补偿镜(2)、所述次镜(3)和所述混合器(4)后的虚像位于距离所述驾驶员位置预设距离的路面上。

2.根据权利要求1所述的一种车载虚拟现实抬头显示***，其特征在于，

所述混合器(4)包括相互平行的前表面和后表面，且所述前表面和所述后表面均为自由曲面，所述前表面上镀有半返半透膜。

3.根据权利要求1或2所述一种车载虚拟现实抬头显示***，其特征在于，

所述预设位置与所述驾驶员位置之间的距离为700mm。

4.根据权利要求1或2所述一种车载虚拟现实抬头显示***，其特征在于，

所述预设距离为10m。

5.根据权利要求1或2所述一种车载虚拟现实抬头显示***，其特征在于，

所述虚拟Eye Box(5)的尺寸为140mm×60mm。

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