CN115097637A - 一种平视显示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及平视显示技术领域，具体涉及一种平视显示器，包括用于输出投影光线的投影光机；设置在投影光机的输出光路上的第一偏振器；设置在第一偏振器的输出光路上的PVG器件；其中，PVG器件包括单片PVG元件和/或PVG阵列；设置在PVG器件的输出光路上的反射镜，用于对经过PVG器件输出的光线反射输出。本申请中利用PVG器件实现对投影光线的扩瞳输出，从而在一定程度上实现对平视显示器输出的投影画面的放大，避免因受限于投影光机空间尺寸的问题导致对应的眼盒过小的问题，有利于平视显示器更有效显示驾驶信息，有利于平视显示器的广泛应用。

Description

一种平视显示器

技术领域

本发明涉及平视显示技术领域，特别是涉及一种平视显示器。

背景技术

平视显示器（Head-up display，简称HUD）常用于飞机、车辆驾驶中，通过将时速、导航方向和车辆（或飞机）状态等重要驾驶信息投影到挡风玻璃上，以便驾驶员在看向挡风玻璃之外的视野时，在不低头、不转头的同时也能够看到该重要驾驶信息，为驾驶员及时了解驾驶信息提供较大的便利性，有利于缩短驾驶员在遇到突发情况时的反应时间，提高驾驶安全性和驾驶体验。

尽管平视显示器具有较多的优点，但如果平视显示器所对应的眼盒过小，驾驶者只能够在特定的较小区域才能接收观看到所需的驾驶信息，反而使得驾驶者获得驾驶信息的难度增大，显然会对平视显示器的应用带来一定的限制。因此，如何解决平视显示器眼盒过小导致平视显示器使用不便的问题对平视器的广泛应用至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种平视显示器，实现了平视显示器投影画面的扩瞳从而增大了平视显示器的眼盒。

为解决上述技术问题，本发明提供一种平视显示器，包括：

用于输出投影光线的投影光机；

设置在所述投影光机的输出光路上的第一偏振器；

设置在所述第一偏振器的输出光路上的PVG器件；其中，所述PVG器件包括单片PVG元件和/或PVG阵列；

设置在所述PVG器件的输出光路上的反射镜，用于对经过所述PVG器件输出的光线反射输出；

当所述PVG器件包括所述单片PVG元件，所述第一偏振器用于将所述投影光机输出的投影光线调制成偏振光并输出至所述单片PVG元件；所述单片PVG元件用于将所述偏振光进行部分衍射并向所述反射镜输出方向各不相同的一路左旋圆偏振光、一路右旋圆偏振光以及一路透射光线；

当所述PVG器件为PVG阵列，所述第一偏振器用于将所述投影光线调制为圆偏振光并依次入射至所述PVG阵列中各个PVG元件，每个所述PVG元件用于对入射的偏振光按照对应的设定比例产生部分衍射和部分透射产生向所述反射镜输出的衍射圆偏振光和向相邻的下一个PVG元件输出的透射圆偏振光；且所述PVG阵列最后一个PVG元件用于对入射的透射圆偏振光完全被衍射入射至所述反射镜。

可选地，还包括设置在所述投影光机和所述反射镜之间的光路上的矫正元件。

可选地，所述矫正元件为平反射镜、反射式体全息光栅、自由曲面反射镜中的任意一种光学元件。

可选地，当所述PVG器件包括所述单片PVG元件；所述投影光机和所述第一偏振器之间还设置有对所述投影光机输出的投影光线进行一维扩瞳的的光波导；

所述投影光机输出的投影光线经过所述光波导一维扩瞳后入射至所述第一偏振器。

可选地，所述单片PVG元件和所述反射镜之间设置有矫正元件，所述矫正元件用于对所述单片PVG元件输出的光线进行反射或衍射至所述反射镜。。

可选地，当所述PVG器件为包括多个PVG元件的PVG阵列，所述PVG阵列背离所述投影光机的一侧设置有矫正元件；且所述矫正元件为反射元件或衍射元件；

所述PVG阵列和所述矫正元件之间还设置有波片；

其中，各个所述PVG元件用于对所述第一偏振器输出的圆偏振依次透射并经过所述波片入射至所述矫正元件，并对所述矫正元件衍射或反射后通过所述波片输出的圆偏振光依次进行部分衍射输出至所述反射镜。

可选地，当所述PVG器件为PVG阵列，所述PVG阵列背离所述第一偏振器的一侧设置有矫正元件；且所述矫正元件为反射元件或衍射元件；所述矫正元件用于将所述投影光机输出的依次经过所述第一偏振器和所述PVG阵列透射的投影光线进行衍射或反射至所述PVG阵列；

还包括多个依次设置在所述矫正元件的输出光路上的第二偏振器，且每个所述第二偏振器对应设置在一个所述PVG元件的输入光路上；所述第二偏振器用于对经过所述矫正元件输出并依次向所述第二偏振器对应的所述PVG元件入射的光线调制成椭圆偏振光，以便对应的所述PVG元件对所述椭圆偏振光进行部分衍射和部分透射，其中，各个所述第二偏振器调制形成的椭圆偏振光的偏振态不完全相同。

可选地，当所述PVG器件为PVG阵列，所述PVG阵列包括第一PVG阵列和第二PVG阵列；

其中，所述第一PVG阵列包括多个依次设置在所述第一偏振器的输出光路上的第一PVG元件；所述第二PVG阵列包括多个依次设置在所述第一PVG阵列的衍射输出光路上的第二PVG元件；且所述第一PVG阵列所在直线和所述第二PVG阵列所在直线不重合或平行；

每个所述第一PVG元件用于对所述第一偏振器的输出圆偏振光进行衍射输出的衍射光线均依次经过各个所述第二PVG元件，并通过每个所述第二PVG元件进行部分衍射和部分透射，且形成的衍射光线入射至所述反射镜。

可选地，所述第一PVG阵列背离所述投影光机的一侧依次设置有第一波片和第一矫正元件；所述第二PVG阵列背离所述第一PVG阵列的一侧依次设置有第二波片和第二矫正元件。

可选地，当所述PVG器件为PVG阵列，所述PVG阵列的各个所述PVG元件分别用于对入射偏振光中特定波段圆偏振光分量衍射其他波段偏振光分量透射，且各个所述PVG元件对应的可衍射的圆偏振光的波段范围不同。

可选地，当所述PVG器件为PVG阵列，所述投影光机和所述第一偏振器之间还设置有用于对所述投影光机输出的投影光线进行一维扩瞳的的光波导；

所述投影光机输出的投影光线经过所述光波导一维扩瞳后入射至所述第一偏振器。

本发明所提供的一种平视显示器，包括用于输出投影光线的投影光机；设置在投影光机的输出光路上的第一偏振器；设置在第一偏振器的输出光路上的PVG器件；其中，PVG器件包括单片PVG元件和/或PVG阵列；设置在PVG器件的输出光路上的反射镜，用于对经过PVG器件输出的光线反射输出；当PVG器件包括单片PVG元件，第一偏振器用于将投影光机输出的投影光线调制成偏振光并输出至单片PVG元件；单片PVG元件用于将偏振光进行部分衍射并向反射镜输出方向各不相同的一路左旋圆偏振光、一路右旋圆偏振光以及一路透射光线；当PVG器件为PVG阵列，第一偏振器用于将投影光线调制为圆偏振光并依次入射至PVG阵列中各个PVG元件，每个PVG元件用于对圆偏振光按照对应的设定比例产生部分衍射和部分透射产生向反射镜输出的衍射圆偏振光和向相邻的下一个PVG元件输出的透射圆偏振光；且PVG阵列最后一个PVG元件用于对入射的透射圆偏振光完全被衍射入射至反射镜。

本申请中的平视显示器在投影光机的输出光路上设置PVG器件，对于单片PVG元件，利用其可以对入射的偏振光同时产生透射和衍射且可产生两个不同方向的衍射光光线这一特性，实现同一投影光线同时向多个不同方向的扩展输出，并通过反射镜反射输出至人眼，从而实现投影光线的扩瞳；而对于PVG阵列，利用其中每个PVG元件依次对投影光线部分透射和部分衍射，进而使得投影光线可以依次通过不同的PVG元件衍射至反射镜后反射输出，同样可以实现投影光线的扩瞳输出。

由此，本申请中利用PVG器件实现对投影光线的扩瞳输出，从而在一定程度上实现对平视显示器输出的投影光线的扩瞳，使得投影光线的发散角增大，从而避免因受限于投影光机空间尺寸的问题导致投影光线发散角较小进而导致平视显示器对应眼盒较小的问题，提升驾驶员观看驾驶信息的便利性，有利于平视显示器的广泛应用。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的反射式PVG的衍射光路示意图；

图2为本申请实施例提供的透射式PVG的衍射光路示意图；

图3为本申请实施例提供的平视显示器的第一种光路结构示意图；

图4为本申请实施例提供的平视显示器的第二种光路结构示意图；

图5为本申请实施例提供的平视显示器的第三种光路结构示意图；

图6为本申请实施例提供的平视显示器的第四种光路结构示意图；

图7为本申请实施例提供的平视显示器的第五种光路结构示意图；

图8为本申请实施例提供的平视显示器的第六种光路结构示意图。

具体实施方式

在平视显示器用于飞机驾驶或汽车驾驶中时，其显示的驾驶信息等画面主要是通过其内部的投影光机输出的投影光线通过光学***投影至挡风玻璃上的反射光线成像所形成的。可以理解的是，当投影光机输出的投影光线经挡风玻璃向人眼反射的发散角较小时，人眼只能在一个较小的区域内才能够接收到该反射的投影光线，对应的驾驶员的眼盒较小；也就是说驾驶员在获得显示驾驶信息的虚拟投影图像时，只有驾驶员眼睛处于固定很小的区域才能看到该虚拟投影图像，而在驾驶员动态驾驶过程中，显然难以保持眼睛处于较小眼盒的状态，反而会在一定程度上影响驾驶员的专注力，产生安全隐患。由此可知，平视显示器输出的画面尺寸过小，并不利于驾驶信息的有效显示。

而在平视显示器中要输出大尺寸的投影画面，就需要在投影光机中增加较多的几何光学元件，例如各种光学透镜，以扩大输出的投影画面。但受限于平视显示器的安装空间，投影光机的安装空间尺寸往往并不能很大，这也就在一定程度上限制了投影光机输出的投影画面的大小。

为此，本申请中提出了一种能够实现平视显示器输出的投影光线的扩瞳，进而增大平视显示***对应的眼盒的技术方案，有利于平视显示器的广泛应用。 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了便于后续实施例的理解，下面对PVG的特性进行简单介绍，PVG全称Polarization Volume Grating，即偏振体全息光栅。PVG可分为反射式PVG和透射式PVG；参照图1和图2，图1为本申请实施例提供的反射式PVG的衍射光路示意图；图2为本申请实施例提供的透射式PVG的衍射光路示意图。

当偏振光入射至PVG时，该偏振光可以发生部分衍射和部分透射，形成一路衍射圆偏振光和一路透射圆偏振光。根据偏振光线的矢量合成原理，入射到PVG的偏振光线可以是线偏振光、圆偏振光或椭圆偏振光，只要可以是由两个圆偏振光矢量合成获得的偏振光即可；当PVG为反射式PVG时，该衍射圆偏振光为反射式衍射输出；而当PVG为透射式PVG时，则该衍射圆偏振光为透射式衍射输出。

此外，当线偏振光以特定角度入射至PVG时，该线偏振光还可以发生和上述不同的另一种衍射和透射，衍射和透射之后可输出两路衍射光线和一路透射光线，其中两路衍射光线为偏振旋转方向不同且输出方向也不同的两路圆偏振光，而透射光线的输出方向也和两路圆偏振光的输出方向不同，由此可见，在这一衍射和透射的过程中，线偏振光经过PVG之后可输出三个不同方向的光线。

根据上述PVG的特性，当PVG对入射的偏振光线产生衍射时，其衍射光线和透射光线的比例，可以通过设定的入射角度、偏振状态、PVG的厚度进行调节设定，甚至可以实现对某一特定角度入射且满足特定偏振状态的偏振光线的衍射效率接近甚至达到100%。

基于上述论述，本申请中的平视显示器中即可利用PVG器件实现对投影光机输出的投影光线的扩瞳，进而实现平视显示器的大尺寸画面的显示。

参照图3、图4、图5、图6、图7、图8；图3为本申请实施例提供的平视显示器的第一种光路结构示意图；图4为本申请实施例提供的平视显示器的第二种光路结构示意图；图5为本申请实施例提供的平视显示器的第三种光路结构示意图；图6为本申请实施例提供的平视显示器的第四种光路结构示意图；图7为本申请实施例提供的平视显示器的第五种光路结构示意图；图8为本申请实施例提供的平视显示器的第六种光路结构示意图。

需要说明的是，在上述各个附图所涉及到的光路中，仅仅用直线或带箭头的直线大致示意光线的传输路径，而入射光线和出射光线之间并不严格遵守衍射、反射以及透射传输中入射角、反射角以及衍射角之间应当满足的准确的对应关系。并且在各个附图中简单显示为相互平行的多个光学元件，例如PVG阵列中多个PVG元件之间也并不必然是相互平行的。

在本申请的具体实施例中，平视显示器的光路基本上可以包括：

用于输出投影光线的投影光机1；

设置在投影光机的输出光路上的第一偏振器2；

设置在第一偏振器2的输出光路上的PVG器件；

设置在PVG器件的输出光路上的反射镜4，用于对经过PVG器件输出的光线反射输出。

需要说明的是，在本实施例中的投影光机1，具体可以采用LED、OLED、Mini-LED、Micro-LED、L-COS等任意一种类型光源所形成的光机，是为平视显示器提供带有驾驶信息等数据图像的图像源。

此外，本实施例中的第一偏振器2可以是能够将投影光机1输出的投影光线调制成特定偏振光线的器件，具体是调制成特定线偏振光或是椭圆圆偏振光，依据PVG器件的类型的不同而定。

进一步地，对于本实施例中的反射镜4，其本质上也即挡风玻璃；该挡风玻璃上可以设置增反增透膜增加PVG器件输出的光线的反射率而增加自然光的透射率；也可以在该挡风玻璃上贴上全息膜，使得投影光线高效率的反射式衍射入人眼，同时又能够保证自然光高效率透射。

如前所述的PVG的不同工作特性，PVG器件可以存在多种不同的实施方式。

在PVG器件为单片PVG元件30的实施例中，可以利用单片PVG元件30能够对线偏振光进行衍射产生两路不同的圆偏振光和一路透射光线的特性来实现的。

在图3所示的实施例中，第一偏振器2可以为波片，也可以是其他类型的偏振器，只要能够将投影光机1输出的投影光线调制形成满足该单片PVG元件30的衍射要求的线偏振光即可，此时，该单片PVG元件30用于将线偏振光进行部分衍射和部分透射并向反射镜4输出方向各不相同的一路左旋圆偏振光、一路右旋圆偏振光以及一路透射光线。

可以理解的是，在本申请的实施例中，单片PVG元件30对线偏振光进行了部分衍射形成了两路衍射光线，即一路左旋圆偏振光和一路右旋圆偏振光，还对该线偏振光进行了部分透射，形成了一路透射光线。该透射光线的输出方向和入射至单片PVG元件31的线偏振光的方向相同，而左旋圆偏振光和右旋圆偏振光则分别以相反方向偏离该透射光线一定角度方向输出，由此使得该线偏振光分成了三路不同方向输出的光线，实现了线偏振光发散角的扩展，该三路不同方向输出的光线经过反射镜4反射输出至人眼，即可在一定程度上实现对平视显示器输出的投影画面的扩瞳。

此外，在图3所示实施例中仅仅只包含由一个单片PVG元件30，单一方向的投影光线经过单片PVG元件30输出的左旋圆偏振光、右旋圆偏振光以及透射光线位于同一平面内，也就是说单片PVG元件30仅仅只能实现对投影光线实现在平行于左旋圆偏振光、右旋圆偏振光以及透射光线所在平面的扩瞳。在投影光机1输出的投影画面只需要一维扩瞳的实施例中，采用类似于图3所示的实施例即可实现投影画面的清楚显示。

但在实际应用中，投影光机1大多是投影显示的图像是二维图像，因此往往需要对投影光机1进行二维扩瞳才能清楚显示投影画面的具体实施例。为此，在本申请的一种可选地实施例中，可以设置两片单片PVG元件30；以PVG器件包括第一单片PVG元件和第二单片PVG元件为例；相应地，该第一偏振器2包括第一偏振器一和第一偏振器二；

该平视显示器的光路结构可以包括：

投影光机1、设置在投影光机1的输出光路上的第一偏振器一、设置在第一偏振器的输出光路上的第一单片PVG元件、设置在第一单片PVG元件的输出光路上的第一偏振器二、设置在第一偏振器二的输出光路上的第二单片PVG元件、设置在第二单片PVG元件的输出光路上的反射镜；其中，第一单片PVG元件和第二单片PVG元件对入射的线偏振光线的扩瞳方向不相互平行。

当投影光机1输出的投影光线经过第一偏振器一，即可调制成线偏振光，并入射至第一单片PVG元件输出形成三路不同方向的光线，实现投影光线的一维扩瞳，该三路不同方向的光线均经过第一偏振器二，重新调制形成线偏振光并入射至第二单片PVG元件，三路不同方向的偏振光线在次分别实现扩瞳，且扩瞳方向和第一单片PVG元件的扩瞳方向不相互平行，可以是相互垂直，由此即可实现投影光线的二维扩瞳，也即是实现平视显示器的二维扩瞳输出，从而扩大投影显示画面的尺寸。

当然，在实际应用中还可以采用其他具有扩瞳功能的光学元件和单片PVG元件30相结合实现平视显示器的投影画面的二维扩瞳。参照图4，在本申请的一种可选地实施例中，在PVG器件包括单片PVG元件30的基础上，投影光机1和第一偏振器2之间还设置有对投影光机输出的投影光线进行一维扩瞳的的光波导；投影光机1输出的投影光线经过光波导一维扩瞳后入射至第一偏振器2。

参照图4，该光波导包括波导元件6、设置在波导元件6上的耦入光栅61以及设置在波导元件6上的耦出光栅62。投影光机1输出的投影光线入射至该波导元件6上，因为耦入光栅61将投影光线耦入到波导元件6中并以全反射的方式传输，而因为波导元件6表面还设置有耦出光栅62，投影光线在波导元件6中全反射传输的过程中，每经过一次波导元件6和耦出光栅62之间的界面，即可产生部分衍射和部分反射，其中衍射光线即可耦出波导元件6输出，而反射光线则继续以全反射的方式向前传输，直到下一次再次到达波导元件6和耦出光栅62之间的界面，则再次产生部分衍射和部分反射，由此再次输出一路衍射光线，如此重复即可实现多路衍射光线从波导元件6的不同位置输出，从而实现投影光线在波导元件6内全反射传输方向上的一维扩瞳。

投影光机1输出的投影光线经过光波导一维扩瞳输出至第一偏振器2上，即可被调制形成线偏振光，并通过单片PVG元件30实现投影光线的二维扩瞳。可以理解的是，单片PVG元件30对投影光线的扩瞳方向应当和光波导对投影光线的扩瞳方向并不平行，可以是相互垂直。

对于光波导中的耦入光栅61，可以采用偏振体全息光栅、面浮雕光栅或体全息光栅；对于光波导中的耦出光栅62，可以采用体全息光栅，还可以采用PVG，但需要在光波导和投影光机1之间增加设置偏振器件，还可以采用其他实施方式，对此本申请中不一一列举。耦入光栅61和耦出光栅62可以采用透射式光栅或反射式光栅，最优选的，在本实施例中，耦入光栅61和耦出光栅62位于波导元件6的同一侧、且其中一个为透射式光栅、一个为反射式光栅。

进一步地，考虑到单片PVG元件30在实现投影光线扩瞳的过程中，不可避免的会对投影光线所形成的投影画面产生畸变。为此，在本申请的一种可选地实施例中，可以进一步地在投影光机1和反射镜4之间的光路中设置矫正元件5，该矫正元件5主要用于对投影光线的矫正。对于该矫正元件5可以根据其设置的位置的不同而采用不同类型的光学元件。

在本申请的一种可选地实施例中，可以将该矫正元件5设置在单片PVG元件30和反射镜4之间，该矫正元件5可以采用反射元件或者衍射元件；该平视显示器的光路结构可以依次包括投影光机1、第一偏振器2、单片PVG元件30、矫正元件5以及反射镜4。

投影光机1输出的投影光线经过第一偏振器2形成圆偏振光，圆偏振光入射至单片PVG元件30后，再从单片PVG元件30入射至矫正元件5，入射至矫正元件5的光线产生反射或衍射，同时实现图像畸变的矫正后输出至反射镜4，最终通过反射镜4反射输出至人眼。

在本实施例中，该矫正元件5具体可以是反射镜或者是衍射元件，例如可以是平反射镜组合元件、反射式体全息光栅、一个或多个自由曲面反射镜中的任意一种光学元件，对此本申请中不做具体限制。当然可以理解的是，本申请中也并不排除该矫正元件5为光学透镜的实施例，例如可以是设置在投影光机1和第一偏振器2之间，其具体的工作方式和原理参照光学领域中常规的对图像进行畸变矫正的原理即可，对此，本申请中不做详细说明。

在对投影光机输出的投影光线进而二维扩瞳的一种可选地实施例中，该平视显示器的光路结构可以包括：投影光机1、光波导、第一偏振器2、单片PVG元件30、矫正元件5以及反射镜4。

本实施例中的光线传输路径以及各个光路元件的作用和上述实施例类似，在此本实施例中不再赘述。

在本申请的对投影光机输出的投影光线进而二维扩瞳的另一种可选地实施例中，该平视显示器的光路结构可以包括：投影光机1、第一偏振器一、第一单片PVG元件、矫正元件一、第一偏振器二、第二单片PVG元件、矫正元件二、以及反射镜4。

在本实施例中，该投影光机输出的投影光线依次经过第一偏振器一和第一单片PVG元件后输出衍射光线入射至矫正元件一，通过矫正元件一衍射或反射或透射入射至第一偏振器二，并通过第一偏振器二入射至第二单片PVG元件后输出的衍射光线入射至矫正元件二，并由矫正元件二入射至反射镜最终输出。本实施例中相当于具有两组由第一偏振器20、单片PVG元件30以及矫正元件5构成的光路结构，每组光路结构中各个光学元件的工作方式和原理均与图3所示的实施例相同，在此不再赘述。

基于上述论述，下面将进一步地对PVG器件包括PVG阵列31的实施例进行详细介绍。

在本申请的一种可选地实施例中，参照图5，该平视显示器的光路结构可以包括投影光机1、第一偏振器2、PVG阵列31以及反射镜4。

其中，第一偏振器2用于将投影光线调制为偏振光并依次入射至PVG阵列31中各个PVG元件；每个PVG元件用于对入射的偏振光按照对应的设定比例产生部分衍射和部分透射产生向反射镜输出的衍射圆偏振光和向相邻的下一个PVG元件输出的透射圆偏振光；且PVG阵列31中最后一个PVG元件用于将入射的透射圆偏振光进行完全衍射至反射镜4。

在本实施例中投影光机和反射镜均与上述任意实施例中的投影光机1相同，在此不做赘述。而对于第一偏振器2和上述PVG器件为单片PVG元件30的实施例不同，本实施例中的第一偏振器2为用于将投影光机1输出的投影光线调制成满足PVG元件要求的偏振光的器件。

以图5所示的实施例为例，该PVG阵列中包括PVG元件一311、PVG元件二312、PVG元件三313等三个PVG元件。且各个PVG元件均为可以对右旋圆偏振光产生部分衍射部分透射的透射式PVG元件。当投影光机1输出的投影光线经过第一偏振器2之后，可以通过第一偏振器2将投影光线调制形成右旋圆偏振光，该右旋圆偏振光先入射到PVG元件一311，该PVG元件一311对该右旋圆偏振光产生部分衍射和部分透射，部分衍射形成的衍射光线入射至反射镜由反射镜4输出至人眼，而部分透射形成的透射光线入射至PVG元件二312，显然，该透射光线也同样是右旋圆偏振光，可以由PVG元件二312再次产生部分反射和部分透射，形成的衍射光线同样入射至反射镜4并反射至人眼，而形成的透射光线则入射至PVG元件三313，因为PVG元件三313为PVG阵列31中沿光路方向最后一个PVG元件，因此，该PVG元件三313的衍射效率设置成百分百，也即是对入射的透射光线全部衍射。

参照图5可知，PVG阵列31中各个PVG元件分别向反射镜4上依次衍射输出投影光线，实现投影光线在反射镜4上的扩散输出，该扩散后的投影光线经过反射镜4反射至人眼，即可形成扩大后的投影画面，也即实现了平视显示器输出的投影画面的扩瞳。

可以理解的是，本实施例中所指PVG阵列中沿光路方向最后一个PVG元件，即PVG元件三313，对入射过来的的圆偏振光完全衍射，衍射效率达到百分之百，并非绝对的完全衍射，而是接近完全衍射，或者可以近似的视为衍射效率达到百分之百即可，未衍射的光能量可以忽略不计。

另外，对于PVG阵列31中的各个PVG元件而言，其对入射的偏振光进行部分衍射和部分透射的比例可以基于实际需要设定，具体地可以通过设定PVG元件的厚度尺寸、偏振状态、入射光线的入射角等方式进行调节设定；且当入射到PVG元件的偏振光线为圆偏振光时，其对圆偏振光线进行衍射和透射的比例主要通过设定PVG元件的厚度尺寸来实现调节，后续实施例中类似情况不再重复赘述。

例如，在图5中所示的包含三个PVG元件的实施例中，可以先设定PVG元件一311对圆偏振光入射的光线产生衍射和透射的光能量比例为1:2；而PVG元件二312对PVG元件一311透射输出的光线产生衍射和透射的比例是1:1；最后PVG元件三313对入射过来的光线则是完全衍射；由此对于PVG元件一311、PVG元件二312、PVG元件三313分别衍射输出的光线能量比也即是1:1:1。当三个PVG元件分别向反射镜4上不同位置输出衍射光线形成投影画面时，即可保证整个投影画面的亮度均匀性。

可以理解的是，PVG阵列中仅包含三个PVG元件仅仅是本申请的一种可选地实施例，在实际应用中，可以基于实际需要和安装环境的需求，设置包含更多个PVG元件的PVG阵列31，其工作方式和原理与图5所示的实施例类似。

另外，上述实施例中以PVG阵列31中的各个PVG元件为可对右旋圆偏振光部分衍射部分透射的透射式PVG为例进行说明的，在实际应用中，也并不排除PVG阵列31中各个PVG元件可以对左旋圆偏振光进行部分衍射和部分透射的实施例，只要第一偏振器2相应地设置为可将投影光机1输出的光线调制成左旋圆偏振光即可。更进一步地，该PVG阵列31中的各个PVG元件也并不必然是对圆偏振光进行透射式衍射，也可以是反射式衍射，对此，本申请中均不做具体限制。

此外，在对投影光机1输出的投影光线进行扩瞳的过程中，还可以按照不同颜色波段进行扩瞳。在本申请的一种可选地实施例中，该平视显示器的光路结构可以包括投影光机1、第一偏振器2、PVG阵列31以及反射镜4；且PVG阵列31的各个PVG元件也是依次设置在第一偏振器的输出光路上；而每个PVG元件用于对入射偏振光中特定波段圆偏振光分量衍射其他波段偏振光分量透射，且各个PVG元件对应的可衍射的圆偏振光的波段范围不同。

在本实施例中同样可以将图5所示的光路结构作为参照，为了便于简化说明，可以设定图5所示的PVG阵列中PVG元件一311、PVG元件二312、PVG元件三313分别对应于可对红色波段的圆偏振光进行衍射的R-PVG元件、对绿色波段的圆偏振光进行衍射的G-PVG元件、对蓝色波段的圆偏振光进行衍射的B-PVG元件。

投影光机1输出的投影光线经过第一偏振器2的调制形成由红色波段圆偏振光、绿色波段圆偏振光和蓝色波段圆偏振光合成后的偏振光线，当该偏振光线经过PVG元件一311时，红色波段圆偏振光完全衍射入射至反射镜4，而绿色波段圆偏振光和蓝色波段圆偏振光透射入射至PVG元件二312，PVG元件二312对绿色波段圆偏振光进行完全衍射入射至反射镜4，而蓝色波段圆偏振光则透射入射至PVG元件三313，经PVG元件313全部衍射输出至反射镜4。

由此可见，当各个三个不同颜色波段范围的圆偏振光衍射输出至反射镜后，并经过反射镜输出后所形成的投影画面中，不同衍射的成像区域是相互分散开的，由此即可实现投影光线中不同颜色光线之间的扩散，形成不同颜色成像画面分区域显示的效果。那么在实际应用中，也就可以采用不同颜色的投影光线投射显示不同的信息或画面，例如，对于驾驶速度信息是驾驶员需要重点关注的信息，可以用红色光线投影显示，而剩余油量是仅次于驾驶速度的重要信息，可以采用绿色光线投影显示，而当前环境温度等次要信息则可以采样蓝色光线投影显示等。

可以理解的是，在实际应用中，对投影光线不同波段的划分，也并不仅限于红绿蓝三原色的划分，例如还可以是黄色波段、紫色波段、橙色波段等，也即是说PVG阵列31中，各个PVG元件分别对应的可衍射圆偏振光的波段范围并不仅限于红绿蓝三个波段，还可以是其他不同波段，对此本申请中不做限制。

另外，考虑到对于每个波段范围内的投影光线可能也需要单独扩瞳，由此，也可以针对每个或某个波段范围内的投影光线对应设置多个可对其圆偏振光进行衍射的PVG元件，且各个PVG元件对可衍射的波段范围内的圆偏振光的衍射效率可以各不相同。

例如可以在第一偏振器2的输出光路上依次设置三个R-PVG元件，三个G-PVG元件，以及一个B-PVG元件，那么经过第一偏振器输出的偏振光中红色波段圆偏振光分量即可依次经过前两个R-PVG元件发生部分衍射和部分透射，并经过第三个R-PVG元件完全衍射，而绿色波段圆偏振光分量先依次经过三个R-PVG元件透射，再经过三个G-PVG元件产生部分衍射和部分投射，并在最后一个G-PVG元件完全衍射；而蓝色波段圆偏振光分量先依次经过三个R-PVG元件、三个G-PVG元件透射，最后入射到B-PVG元件完全衍射。

由此也可以实现不同颜色波段光线成像画面的分区域显示以及每种颜色波段光线的扩瞳。

考虑到PVG阵列31以及各个其他光学元件在投影光线传输的过程中不可避免的会引起投影画面的畸变。为此，在本实施例中还可以进一步地增加矫正元件，以该矫正元件为反射元件或衍射元件为例，PVG阵列31背离投影光机1的一侧设置有矫正元件5；PVG阵列31和矫正元件5之间还设置有波片70；

其中，各个PVG元件用于对第一偏振器2输出的圆偏振依次透射并经过波片70入射至矫正元件，并对矫正元件衍射或反射后通过波片70输出的圆偏振光依次进行部分衍射输出至反射镜4。

参照图6，投影光机1输出的投影光线经过第一偏振器2形成左旋偏振光，使得该左旋偏振光可以依次经过PVG阵列31中各个PVG元件完全透射，之后再通过波片70入射至矫正元件，经过该矫正元件5的反射或衍射作用之后再次经过波片70透射，此时的投影光线两次经过波片70，该投影光线也由左旋圆偏振光转换为右旋圆偏振光，该右旋圆偏振光再次向PVG阵列31中各个PVG元件入射，首先入射到PVG元件三313产生部分衍射和部分透射，和上述实施例相同，衍射形成的衍射光线入射至反射镜4，并被反射镜4反射输出至人眼，而透射光线则入射至PVG元件二312，并在PVG元件二312产生部分衍射和部分透射，同样是衍射光线入射至反射镜而透射光线则入射至PVG元件一311，此时该PVG元件一311为PVG阵列31沿光路上的最后一个PVG元件，可以对入射的光线完全衍射至反射镜4，进而即可实现对投影光线的扩瞳。

本实施例中将投影光机1和矫正元件5分别设置在PVG阵列31的两侧，使得投影光线两次经过PVG阵列31，在一定程度上使得用于矫正投影光线的光路和用于实现投影光线衍射扩瞳的光路在空间上重合，进而使得整个光路结构更为紧凑，有利于平视显示器的轻量化。

此外，对于本实施例中的PVG阵列31也可以是对右旋圆偏振光透射，以及各个PVG元件对左旋圆偏振光的衍射也可以是透射式衍射，并不必然如图6所示的反射式衍射，对此本实施例中不再详细赘述。

此外，图6所示的实施例中利用了波片实现圆偏振光的旋转方向的转换，但在实际应用中也并不必然采用该波片。在本申请的另一可选地实施例中，该平视显示器的光路结构可以包括：

投影光机1、第一偏振器2、PVG阵列31、矫正元件5、多个第二偏振器以及反射镜；

该PVG阵列31背离第一偏振器2的一侧设置有矫正元件5；且矫正元件5为反射元件或衍射元件；矫正元件5用于将投影光机1输出的依次经过第一偏振器2和PVG阵列31透射的投影光线进行衍射或反射至PVG阵列31；

还包括多个依次设置在矫正元件5的输出光路上的第二偏振器，且每个第二偏振器对应设置在一个PVG元件的输入光路上；第二偏振器用于对经过矫正元件5输出并依次向第二偏振器对应的PVG元件入射的光线调制成椭圆偏振光，以便对应的PVG元件对椭圆偏振光进行部分衍射和部分透射。

可以理解的是，本实施例中的第二偏振器的数量和PVG阵列31中PVG元件的数量相同，每个PVG元件的输入光路上对应设置一个第二偏振器；以图7所示的实施例为例，该PVG阵列31中距离矫正元件的最近是PVG元件三313，在PVG元件三313和矫正元件5之间即设置PVG元件三313对应的一个第二偏振器三73，而在PVG元件二312和PVG元件三313之间则设置有PVG元件二312对应的第二偏振器二72，且PVG元件二312和PVG元件一311之间则设置有PVG元件一311对应的第二偏振器一71；那么在投影光机1输出的投影光线依次经过第一偏振器2、PVG阵列31透射入射至矫正元件5，并被矫正元件5反射或衍射后再次向PVG阵列31入射，当从该矫正元件5输出的光线依次入射到每个PVG元件之前，显然，可以先经过各个PVG元件对应的第二偏振器，并被第二偏振器调制成对应的椭圆偏振光；其中，各个第二偏振器调制形成的椭圆偏振光的偏振态不完全相同。

以图7所示的实施例为例，矫正元件5输出的圆偏振光首先入射到第二偏振器三73，被调制成椭圆偏振光，该PVG元件三313对该椭圆偏振光进行部分衍射形成衍射光线入射至反射镜4，还进行部分透射输出至第二偏振器二72，再次被调制形成另一偏振态的椭圆偏振光并入射至PVG元件二312，PVG元件二312再次对该椭圆偏振光产生部分衍射形成衍射光线输出至反射镜4，并产生部分透射光线入射至第二偏振器一71，并被该第二偏振器一71再次调制形成又一偏振态的椭圆偏振光，并最终被PVG元件一311完全衍射。

需要说明的是，之所以需要各个第二偏振器分别将需要入射到对应的PVG元件中的光线调制成不同偏振态的椭圆偏振光，是为了实现对各个PVG元件对入射的光线进行衍射和透射的比例的调节，对于不同偏振态的椭圆偏振光，其偏振的最大振动矢量的方向各不相同，进而最终输入至PVG元件的衍射效率也不同，对于各个第二偏振器调制形成的椭圆偏振光的具体偏振态，本申请中不做具体限制，只要满足最终各个PVG元件衍射光线的能量均衡，或者满足应用需求即可。

此外，可以理解的是，当投影光机1输出的投影光线经过第一偏振器2之后经过PVG阵列31透射的过程中，该投影光线是不经过各个第二偏振器的，也即是说，经第一偏振器2输出的投影光线在PVG阵列31中透射和矫正元件5输出的光线入射至PVG阵列31时，是分别经过该PVG阵列31中各个PVG元件的不同区域，是均经过PVG阵列31但在空间中不相互重合的两路光路。

基于上述论述，在上述实施例中主要以PVG阵列31仅仅只包括一列PVG元件，实现投影光线的一位扩瞳为例进行说明的，在实际应用中，同样可以采用两列PVG实现投影光线的二维扩瞳。

在本申请的一种可选地实施例中，PVG阵列31包括第一PVG阵列32和第二PVG阵列33；

其中，第一PVG阵列32包括多个依次设置在偏振器的输出光路上的第一PVG元件321；第二PVG阵列33包括多个依次设置在第一PVG阵列31的衍射输出光路上的第二PVG元件331；且第一PVG阵列32所在直线和第二PVG阵列33所在直线不重合或平行；

每个第一PVG元件321对偏振器的输出圆偏振光进行衍射输出的衍射光线均依次经过各个第二PVG元件331，并通过每个第二PVG元件331进行部分衍射和部分透射，且形成的衍射光线入射至反射镜4。

和上述图5所示的实施例类似，本实施例中的PVG阵列设置有两列，投影光线先通过第一偏振器2调制形成圆偏振光之后入射至第一PVG阵列32，第一PVG阵列32中各个第一PVG元件321对圆偏振光的衍射和透射方式与图5所示的实施例相同；不同的是各个第一PVG阵列32输出的衍射光线入射至第二PVG阵列33，而第二PVG阵列33中各个第二PVG元件331对每个第一PVG元件321输出的衍射光线同样是部分衍射和部分透射，且衍射和透射的方式和第一PVG元件321对圆偏振光的透射和衍射的方式完全相同，最终使得各个第二PVG元件331衍射输出的光线依次入射至反射镜4，进而实现投影光线的二维扩瞳。

更进一步地，在PVG器件包括第一PVG阵列32和第二PVG阵列33的实施例中，同样可以在光路中增加矫正元件5，该矫正元件5可以包括第一矫正元件51和第二矫正元件52，参照图8，对应的平视显示器的具体光路可以包括：

第一PVG阵列32背离投影光机1的一侧依次设置有第一波片701和第一矫正元件51；所述第二PVG阵列33背离第一PVG阵列32的一侧依次设置有第二波片702和第二矫正元件52。

和上述图6所示的实施例类似，本实施例中投影光机输出的投影光线先经过第一偏振器2调制成圆偏振光，该圆偏振光经过第一PVG阵列32透射后，通过第一波片701入射至第一矫正元件51，由第一矫正元件51反射或衍射后再次经过第一波片701输出至第一PVG阵列32，该圆偏振光两次经过第一波片701之后旋转方向发生改变，入射至第一PVG阵列32时，各个第一PVG元件321可以依次对入射的圆偏振光进行部分衍射和部分透射，衍射和透射的方式和图6所示的实施例相同，在此不再赘述。

各个第一PVG元件321衍射输出的衍射光线均入射至第二PVG阵列33，该衍射光线同样属于圆偏振光，该圆偏振光先经过第二PVG阵列33透射，并经过第二波片702入射至第二矫正元件52，进而使得第二矫正元件52对该圆偏振光进行衍射或反射后再次经过第二波片702输出至第二PVG阵列33，第二PVG阵列33中各个第二PVG元件331同样对入射的圆偏振光部分衍射和部分透射，其工作方式和原理与第一PVG元件321相同，在此不再详细赘述，最终第二PVG元件331衍射输出的光线入射至反射镜4。

可以理解的是，本实施例中的同样可以考虑采用多个第二偏振器代替第一波片701以及第二波片702；并且第一PVG阵列32和第二PVG阵列33中每个PVG元件可以根据实际需要设定光线合理的入射角或者PVG元件的厚度，最终实现对圆偏振光按照设定比例的进行衍射和透射。

当然，在实际应用中也并不必然利用两列PVG阵列，在本申请的一种可选地实施例中，平视显示器的光路结构还可以包括：

投影光机1、用于对所述投影光机输出的投影光线进行一维扩瞳的的光波导、第一偏振器2、PVG阵列31、反射镜4。

可选地，在PVG阵列31和反射镜4之间还可以设置波片70和矫正元件5。

对于该光波导对投影光线的扩瞳方式参照图4所对应的实施例，而PVG阵列31对光波导输出的光线的扩瞳方式和上述任意实施例中的PVG阵列31的扩瞳方式相同，对此，本实施例中不再重复赘述。

在本申请的又一可选的实施例中，该平视显示器的光路结构还可以包括：

投影光机1、第一偏振器2、单片PVG元件30、PVG阵列31、反射镜4；

可选地，还可以在单片PVG元件30和PVG阵列31之间，以及PVG阵列31和反射镜4之间增加用于矫正畸变的矫正元件5。

对于本实施例中的单片PVG元件30和PVG阵列31的工作方式和上述实施例中类似，在此不再详细赘述。

综上所述，本申请所提供的平视显示器，充分利用了PVG器件中单片PVG元件即可在一定程度上对投影光线进行扩瞳，而PVG阵列可以利用每个PVG元件分别对投影光线部分衍射和部分透射的特性最终实现对投影光机输出的投影光线的扩瞳，进而使得平视显示器输出的投影光线的面积及视场角扩大，进而增大对应的驾驶者的眼盒，有利于提升驾驶者获得平视显示器的投影画面所携带的驾驶信息的便利性，进而保证平视显示器应用于投射驾驶信息时的驾驶安全性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、 “包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (11)

1.一种平视显示器，其特征在于，包括：

用于输出投影光线的投影光机；

设置在所述投影光机的输出光路上的第一偏振器；

设置在所述第一偏振器的输出光路上的PVG器件；其中，所述PVG器件包括单片PVG元件和/或PVG阵列；

设置在所述PVG器件的输出光路上的反射镜，用于对经过所述PVG器件输出的光线反射输出；

当所述PVG器件包括所述单片PVG元件，所述第一偏振器用于将所述投影光机输出的投影光线调制成偏振光并输出至所述单片PVG元件；所述单片PVG元件用于将所述偏振光进行部分衍射并向所述反射镜输出方向各不相同的一路左旋圆偏振光、一路右旋圆偏振光以及一路透射光线；

当所述PVG器件为PVG阵列，所述第一偏振器用于将所述投影光线调制为偏振光并依次入射至所述PVG阵列中各个PVG元件；每个所述PVG元件用于对入射的偏振光按照对应的设定比例产生部分衍射和部分透射产生向所述反射镜输出的衍射圆偏振光和向相邻的下一个PVG元件输出的透射圆偏振光；且所述PVG阵列最后一个PVG元件用于对入射的透射圆偏振光完全被衍射入射至所述反射镜。

2.如权利要求1所述的平视显示器，其特征在于，还包括设置在所述投影光机和所述反射镜之间的光路上的矫正元件。

3.如权利要求2所述的平视显示器，其特征在于，所述矫正元件为平反射镜、反射式体全息光栅、自由曲面反射镜中的任意一种光学元件。

4.如权利要求1至3任一项所述的平视显示器，其特征在于，当所述PVG器件包括所述单片PVG元件；所述投影光机和所述第一偏振器之间还设置有对所述投影光机输出的投影光线进行一维扩瞳的光波导；

所述投影光机输出的投影光线经过所述光波导一维扩瞳后入射至所述第一偏振器。

5.如权利要求4所述的平视显示器，其特征在于，所述单片PVG元件和所述反射镜之间设置有矫正元件，所述矫正元件用于对所述单片PVG元件输出的光线进行反射或衍射至所述反射镜。

6.如权利要求1至3任一项所述的平视显示器，其特征在于，当所述PVG器件为包括多个PVG元件的PVG阵列，所述PVG阵列背离所述投影光机的一侧设置有矫正元件；且所述矫正元件为反射元件或衍射元件；

所述PVG阵列和所述矫正元件之间还设置有波片；

其中，各个所述PVG元件用于对所述第一偏振器输出的圆偏振依次透射并经过所述波片入射至所述矫正元件，并对所述矫正元件衍射或反射后通过所述波片输出的圆偏振光依次进行部分衍射输出至所述反射镜。

7.如权利要求1至3任一项所述的平视显示器，其特征在于，当所述PVG器件为PVG阵列，所述PVG阵列背离所述第一偏振器的一侧设置有矫正元件；且所述矫正元件为反射元件或衍射元件；所述矫正元件用于将所述投影光机输出的依次经过所述第一偏振器和所述PVG阵列透射的投影光线进行衍射或反射至所述PVG阵列；

还包括多个依次设置在所述矫正元件的输出光路上的第二偏振器，且每个所述第二偏振器对应设置在一个所述PVG元件的输入光路上；所述第二偏振器用于对经过所述矫正元件输出并依次向所述第二偏振器对应的所述PVG元件入射的光线调制成椭圆偏振光，以便对应的所述PVG元件对所述椭圆偏振光进行部分衍射和部分透射，其中，各个所述第二偏振器调制形成的椭圆偏振光的偏振态不完全相同。

8.如权利要求1至3任一项所述的平视显示器，其特征在于，当所述PVG器件为PVG阵列，所述PVG阵列包括第一PVG阵列和第二PVG阵列；

其中，所述第一PVG阵列包括多个依次设置在所述第一偏振器的输出光路上的第一PVG元件；所述第二PVG阵列包括多个依次设置在所述第一PVG阵列的衍射输出光路上的第二PVG元件；且所述第一PVG阵列所在直线和所述第二PVG阵列所在直线不重合或平行；

每个所述第一PVG元件用于对所述第一偏振器的输出圆偏振光进行衍射输出的衍射光线均依次经过各个所述第二PVG元件，并通过每个所述第二PVG元件进行部分衍射和部分透射，且形成的衍射光线入射至所述反射镜。

9.如权利要求8所述的平视显示器，其特征在于，所述第一PVG阵列背离所述投影光机的一侧依次设置有第一波片和第一矫正元件；所述第二PVG阵列背离所述第一PVG阵列的一侧依次设置有第二波片和第二矫正元件。

10.如权利要求1至3任一项所述的平视显示器，其特征在于，当所述PVG器件为PVG阵列，所述PVG阵列的各个所述PVG元件分别用于对入射偏振光中特定波段圆偏振光分量衍射其他波段偏振光分量透射，且各个所述PVG元件对应的可衍射的圆偏振光的波段范围不同。

11.如权利要求1至3任一项所述的平视显示器，其特征在于，当所述PVG器件为PVG阵列，所述投影光机和所述第一偏振器之间还设置有用于对所述投影光机输出的投影光线进行一维扩瞳的光波导；

所述投影光机输出的投影光线经过所述光波导一维扩瞳后入射至所述第一偏振器。

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