CN114647089A - 抬头显示器及车辆 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供一种抬头显示器及车辆。该抬头显示器包括图像源、偏振分光元件、偏振转换元件以及反射组件。图像源用于出射圆偏振光。偏振分光元件用于反射圆偏振光中的S态偏振光，并透射圆偏振光中的P态偏振光。定义偏振分光元件反射的S态偏振光为第一影像光。偏振转换元件用于将P态偏振光转换为S态偏振光。定义偏振转换元件转换的S态偏振光为第二影像光。反射组件用于反射第一影像光和第二影像光至投影介质以分别形成第一虚像和第二虚像。第一虚像和第二虚像的虚像距离和视场角均不同。

Description

抬头显示器及车辆
技术领域
本申请涉及显示技术领域，具体而言，涉及一种抬头显示器及车辆。
背景技术
现有的抬头显示器只有单一的虚像距离和单一的视场角。然而，随着抬头显示器的发展，单一的虚像距离和单一的视场角，已无法满足驾驶需要。
发明内容
本申请第一方面提供一种抬头显示器。该抬头显示器包括：
图像源，所述图像源用于出射影像光，所述影像光为圆偏振光；
偏振分光元件，所述偏振分光元件位于所述图像源的出光侧，用于反射所述圆偏振光中的S态偏振光以起始第一光路，并透射所述圆偏振光中的P态偏振光以起始第二光路，其中定义所述偏振分光元件反射的所述S态偏振光为第一影像光；
偏振转换元件，所述偏振转换元件位于所述第二光路上，用于将所述P态偏振光转换为S态偏振光，其中定义所述偏振转换元件转换的所述S态偏振光为第二影像光；以及
反射组件，所述反射组件位于所述第一光路和所述第二光路上，用于反射所述第一影像光和所述第二影像光至投影介质以分别形成第一虚像和第二虚像，其中所述第一虚像和所述第二虚像的虚像距离和视场角均不同。
该抬头显示器通过设置偏振分光元件，将影像光分为在不同光路传播的P态偏振光和S态偏振光，其中，被偏振分光元件反射的S态偏振光作为第一影像光。而被偏振分光元件透射的P态偏振光经偏振转换元件转换为S态偏振光作为第二影像光。而第一影像光和第二影像光经反射组件反射至投影介质后，同时产生两种虚像距离和两种视场角的虚像，有助于提升驾驶安全性。
本申请第二方面提供一种车辆，其包括：
挡风玻璃；以及
第一方面所述的抬头显示器；
其中，所述挡风玻璃为所述投影介质。
该车辆包括第一方面的抬头显示器，因此，其至少具有与第一方面所述的抬头显示器相同的优点，不再赘述。
附图说明
图1为本申请一实施例的抬头显示器的结构示意图。
图2为P态偏振光和S态偏振光的反射率与挡风玻璃的倾斜角度的关系示意图。
图3为图1中的图像源的结构示意图。
主要元件符号说明：
抬头显示器 100
图像源 10
激光光源 11
红色激光器 111
绿色激光器 112
蓝色激光器 113
合束组件 12
MEMS微反射镜 13
偏振分光元件 20
反射镜 30
偏振转换元件 40
第一扩散元件 51
第二扩散元件 52
反射组件 60
第一自由曲面镜 61
第二自由曲面镜 62
第一虚像 VI1
第二虚像 VI2
挡风玻璃 200
具体实施方式
抬头显示(head up display，HUD)技术又称平视显示技术，近年来逐步在汽车领域、航空航天领域以及航海领域获得了越来越广泛地应用。例如，可以应用于车辆上，也可以应用于飞机、航天航空飞行器、轮船等其他交通工具上。为便于描述，在本申请中，均以车载HUD为例进行描述。但应理解，这并不能作为对本申请的限定。
具体地，抬头显示器利用光学反射的原理，将重要的驾驶相关信息(如，行驶速度、电瓶电压、水箱水温、引擎转速、车辆油耗、导航路线等)投射在挡风玻璃上面，平衡反射进驾驶人员的眼睛中，辅助驾驶人员驾驶车辆，避免驾驶人员在驾驶过程中低头去看仪表板而分心，提高驾驶安全系数，同时也能带来更好的驾驶体验。
虚像距离(Virtual Image Distance，VID)是指人眼到虚像的距离。视场角(Fieldof Vision，FOV)是以驾驶员眼睛为中心，到虚像的水平以及垂直边缘所呈的角度。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
图1为本申请一实施例的抬头显示器的结构示意图。如图1所示，抬头显示器100包括图像源10、偏振分光元件20、第一扩散元件51、反射镜30、偏振转换元件40、第二扩散元件52以及反射组件60。反射组件60包括第一自由曲面镜61和第二自由曲面镜62。
图像源10用于出射影像光。影像光为圆偏振光。偏振分光元件20位于图像源10的出光侧。偏振分光元件20用于反射影像光中的S态偏振光以起始第一光路，并透射影像光中的P态偏振光以起始第二光路。偏振分光元件20例如为偏振分光器(Polarization BeamSplitter，PBS)，但不限于此。例如，偏振分光元件20还可以为具有偏振透反功能的光学膜，该光学膜能够透射P态偏振光，并反射S态偏振光。具体地，该光学膜例如包括多层具有不同折射率的膜层按照一定的堆叠顺序组合而成。
第一光路上依序设置有第一扩散元件51、第一自由曲面镜61和第二自由曲面镜62。第二光路上依序设置有反射镜30、偏振转换元件40、第二扩散元件52、第一自由曲面镜61和第二自由曲面镜62。
第一扩散元件51和第二扩散元件52用于使影像光均匀化并改变视场角。第一扩散元件51和第二扩散元件52为扩散片或微透镜阵列膜片，以消除激光散斑与指向光的问题。扩散片包括能够将入射光束转换为圆形光斑的圆扩散片、能够将入射光束转换为椭圆形光斑的椭圆扩散片和能够将入射光束转换为平顶分布光斑的平顶扩散片至少其中之一。
第一自由曲面镜61和第二自由曲面镜62用于修正与改变虚像的放大率。第一自由曲面镜61和第二自由曲面镜62中至少有一个为位置可调的自由曲面镜。该位置可调的自由曲面镜可在预设角度范围内旋转、平移或摆动，以调节抬头显示器100在投影介质上的图像的位置，从而使图像能够清晰、完整地显示，使得驾驶人员能够看清HUD投影显示的虚像。其他实施例中，反射组件60不限于包括两个自由曲面镜，例如其还可以包括三个以上的自由曲面镜。
偏振转换元件40用于将P态偏振光转换为S态偏振光。偏振转换元件40可为半波片或两个四分之一波片。偏振转换元件40为半波片的情况下，P态偏振光经过半波片转换一次即可得到S态偏振光。偏振转换元件40为四分之一波片的情况下，P态偏振光需要依次经过两个四分之一波片，转换两次进而得到S态偏振光。
具体地，图像源10产生的影像光经偏振分光元件20后，影像光中的S态偏振光被反射。其中，定义偏振分光元件20反射的S态偏振光为第一影像光。该第一影像光经第一扩散元件51后被均匀化处理并具有小的视场角。然后，该第一影像光再分别经由第一自由曲面镜61、第二自由曲面镜62后，被反射至投影介质(如，车辆的挡风玻璃200)，以形成第一虚像VI1。第一虚像VI1入射至人眼后，呈现为近距影像。
图像源10产生的影像光经偏振分光元件20后，影像光中的P态偏振光被透射。该P态偏振光经反射镜30后，被反射至偏振转换元件40。偏振转换元件40将P态偏振光转换为S态偏振光。定义所述偏振转换元件40转换的所述S态偏振光为第二影像光。该第二影像光经第二扩散元件52后被均匀化处理并具有大的视场角。然后，该第二影像光再分别经由第一自由曲面镜61、第二自由曲面镜62后，被反射至投影介质(如，车辆的挡风玻璃200)，以形成第二虚像VI2。第二虚像VI2入射至人眼后，呈现为远距影像。
对于同一驾驶者，第一虚像VI1和第二虚像VI2的虚像距离和视场角均不同。其中，第一虚像VI1的虚像距离VID1小于第二虚像VI2的虚像距离VID2。第一虚像VI1的视场角(HFOV1×VFOV1)小于第二虚像VI2的视场角(HFOV2×VFOV2)。
具体地，第一虚像VI1和第二虚像VI2同时投影至人眼中。速度、油量等简单信息可显示于近距影像(第一虚像VI1)中，近距影像一般位于距离驾驶者1.8m-2.5m左右，以在遇到紧急状况时驾驶者有最好的反应速度。路况信息、导航信息等需与真实世界融合的信息可显示于远距影像(第二虚像VI2)中，远距影像一般可位于距离驾驶者7m之外，以和外部道路的距离匹配融合。
该抬头显示器，通过设置偏振分光元件，将影像光分为在不同光路传播的P态偏振光和S态偏振光，其中，被偏振分光元件反射的S态偏振光作为第一影像光。而被偏振分光元件透射的P态偏振光经偏振转换元件转换为S态偏振光作为第二影像光。而第一影像光和第二影像光经反射组件反射至投影介质后，同时产生两种虚像距离和两种视场角的虚像，有助于提升驾驶安全性。此外，该抬头显示器中，通过设置偏振分光元件进行偏振分光，折叠了第一光路和第二光路，使光路更紧凑，减小了抬头显示器的体积。
一些实施例中，挡风玻璃200的倾斜角度α为40度至50度。挡风玻璃200的倾斜角度α指挡风玻璃200的相较于驾驶中控台面的倾斜角度。图2为P态偏振光和S态偏振光的反射率与挡风玻璃的倾斜角度的关系示意图。如图2所示，挡风玻璃的倾斜角度为40度至50度，P态偏振光反射率极低，而S态偏振光的反射率大致为20％左右。因此，本申请实施例中，利用S态偏振光作为第一影像光和第二影像光，有利于提高光源的利用率。
图3为图1中的图像源的结构示意图。该图像源10为激光束扫描器(Laser BeamScanning，LBS)。如图3所示，激光束扫描器包括激光光源11、合束组件12以及微机电***(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)微反射镜13。激光光源11用于出射不同颜色的激光。合束组件12用于将不同颜色的激光合光。MEMS微反射镜13用于反射不同颜色的激光，以作为影像光。本实施例中，激光光源11包括用于出射红色激光的红色激光器111、用于出射绿色激光的绿色激光器112、以及用于出射蓝色激光的蓝色激光器113。合束组件12例如包括面向红色激光器111的第一分束镜(图未示)、面向绿色激光器112的第二分束镜、面向蓝色激光器113的第三分束镜。红色激光器111发射的红色激光经第一分束镜反射后射出。绿色激光器112发射的绿色激光经第二分束镜反射后射向第一分束镜，并穿透所述第一分束镜与红光混合蓝色激光器113发射的蓝色激光经第三分束镜反射后射向依次穿透第一分束镜和第二分束镜，并与红色激光和绿色激光混合。
其他实施例中，图像源10例如还包括激光光源11和合束组件12之间的准直透镜(图未示)，以使激光在更长距离范围内平行且均匀的作用。
相较于液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)、硅基液晶(Liquid Crystalon Silicon，LCoS)显示器、数字光处理(Digital Light Procession，DLP)显示器等图像源，LBS作为图像源具有体积小型化、热功耗低、安置位置不需调整焦距、直接于挡风玻璃成像、影像强穿透感、高彩度对比、提供优化的无边框HUD显示等优点。
本申请第二方面提供一种车辆。该车辆包括挡风玻璃以及上述的抬头显示器。挡风玻璃为投影介质。该车辆包括第一方面的抬头显示器，因此，其至少具有与第一方面所述的抬头显示器相同的优点，不再赘述。
以上实施方式仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本申请技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种抬头显示器，其特征在于，包括：
图像源，所述图像源用于出射影像光，所述影像光为圆偏振光；
偏振分光元件，所述偏振分光元件位于所述图像源的出光侧，用于反射所述圆偏振光中的S态偏振光以起始第一光路，并透射所述圆偏振光中的P态偏振光以起始第二光路，其中定义所述偏振分光元件反射的所述S态偏振光为第一影像光；
偏振转换元件，所述偏振转换元件位于所述第二光路上，用于将所述P态偏振光转换为S态偏振光，其中定义所述偏振转换元件转换的所述S态偏振光为第二影像光；以及
反射组件，所述反射组件位于所述第一光路和所述第二光路上，用于反射所述第一影像光和所述第二影像光至投影介质以分别形成第一虚像和第二虚像，其中所述第一虚像和所述第二虚像的虚像距离和视场角均不同。
2.根据权利要求1所述的抬头显示器，其特征在于，所述第一虚像的虚像距离小于所述第二虚像的虚像距离；所述第一虚像的视场角小于所述第二虚像的视场角。
3.根据权利要求1所述的抬头显示器，其特征在于，所述抬头显示器还包括第一扩散元件和第二扩散元件；
所述第一扩散元件位于所述偏振分光元件和所述反射组件之间，以使所述第一影像光均匀化；
所述第二扩散元件位于所述偏振转换元件和所述反射组件之间，以使所述第二影像光均匀化。
4.根据权利要求3所述的抬头显示器，其特征在于，所述第一扩散元件和所述第二扩散元件为扩散片或微透镜阵列膜片，所述扩散片包括能够将入射光束转换为圆形光斑的圆扩散片、能够将入射光束转换为椭圆形光斑的椭圆扩散片和能够将入射光束转换为平顶分布光斑的平顶扩散片至少其中之一。
5.根据权利要求1所述的抬头显示器，其特征在于，所述抬头显示器还包括反射镜；
所述反射镜位于所述第二光路上，以将所述偏振分光元件透射的所述P态偏振光反射至偏振转换元件。
6.根据权利要求1所述的抬头显示器，其特征在于，所述反射组件包括至少一个位置可调的自由曲面镜，所述自由曲面镜用于改变所述第一虚像和所述第二虚像的放大率。
7.根据权利要求1所述的抬头显示器，其特征在于，所述偏振转换元件为半波片或两个四分之一波片。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的抬头显示器，其特征在于，所述图像源为激光束扫描器，所述激光束扫描器包括：
多个激光光源，用于出射不同颜色的激光；以及
MEMS微反射镜，用于反射所述不同颜色的激光，以作为所述影像光。
9.一种车辆，其特征在于，包括：
挡风玻璃；以及
根据权利要求1至8中任意一项所述的抬头显示器；
其中，所述挡风玻璃为所述投影介质。
10.根据权利要求9所述的车辆，其特征在于，所述挡风玻璃相较于所述车辆的中控台面的倾斜角度为40度至50度。
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