CN116774446A - 一种抬头显示器及汽车 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种抬头显示器及汽车，其中，抬头显示器设于可视窗口上，抬头显示器包括：像源，像源包括第一显示区域和第二显示区域；第一显示区域用于将第一图像以第一平行光的形式朝向第一超表面发射，第二显示区域用于将第二图像以第二平行光的形式朝向第二超表面发射；第一超表面，用于聚集并反射第一平行光至观察点，以使在观察点处能够通过可视窗口观测到第一图像的虚像；观察点用于表征肉眼观察的位置；第二超表面，用于聚集并反射第二平行光至观察点，以使在观察点处能够通过可视窗口观测到第二图像的虚像；第一超表面和第二超表面贴设与可视窗口上；第一平行光从第一显示区域至观察点的距离，大于第二平行光从第二显示区域至观察点的距离。

Description

一种抬头显示器及汽车

技术领域

本申请涉及显示技术领域，尤其涉及一种抬头显示器及汽车。

背景技术

道路环境变化莫测，驾驶员的目光在车内近距离车辆行驶信息和车外远距离实时路况之间来回切换时，极易导致交通事故。抬头显示(Head-up display,HUD)的应用，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。

但在实际应用中，抬头显示设备只能显示一个平面的信息，单一平面的显示几乎没有立体效果，难以适应日益增长的视觉需求。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种抬头显示器及汽车。

具体地，本申请是通过如下技术方案实现的：

本申请的第一方面，提供一种抬头显示器，抬头显示器设于可视窗口上，抬头显示器包括：

像源，像源包括第一显示区域和第二显示区域；第一显示区域用于将第一图像以第一平行光的形式朝向第一超表面发射，第二显示区域用于将第二图像以第二平行光的形式朝向第二超表面发射；

第一超表面，用于聚集并反射第一平行光至观察点，以使在观察点处能够通过可视窗口观测到第一图像的虚像；观察点用于表征肉眼观察的位置；

第二超表面，用于聚集并反射第二平行光至观察点，以使在观察点处能够通过可视窗口观测到第二图像的虚像；第一超表面和第二超表面贴设与可视窗口上；

其中，第一平行光从第一显示区域至观察点的距离，大于第二平行光从第二显示区域至观察点的距离。

本申请的第二方面，提供一种汽车，汽车包括：可视窗口，可视窗口为挡风玻璃、侧窗玻璃或天窗玻璃中的至少一种；本申请第一方面提供的的抬头显示器。

通过上述方案，本申请至少具有以下有益效果：

划分不同的显示区域以发射不同的平行光线，进一步由能够设计不同屈光能力的多个超表面针对不同的平行光线形成不同的虚像，由于观察点距离各个虚像的距离不同，因此肉眼从观察点观看时，能够看到不同焦距的虚像，一个虚像代表着一个焦面，多焦距的显示能够带来更强的立体视觉效果，能够适应日益增长的视觉需求。

附图说明

图1是本申请一示例性实施例示出的一种抬头显示器的光路的示意图。

图2a是本申请一示例性实施例示出的包含三个超表面的抬头显示器的光路的示意图。

图2b是本申请一示例性实施例示出的可视窗口朝下的抬头显示器的光路的示意图。

图3a是本申请一示例性实施例示出的包含反光镜的像源的示意图。

图3b是本申请一示例性实施例示出的包含透光镜的像源的示意图。

图4是本申请一示例性实施例示出的超表面的纳米结构的示意图。

图5是本申请一示例性实施例示出的一种可视窗口为弧面的超表面纳米结构的分布示意图。

图6是本申请一示例性实施例示出的一种可视窗口为平面的超表面纳米结构的分布示意图。

图7是本申请一示例性实施例示出的另一种可视窗口为平面的超表面纳米结构的分布示意图。

图8是本申请一示例性实施例示出的一种汽车的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

抬头显示器(HUD，Head-up Display)在汽车领域的应用趋势正逐渐增长。这是因为HUD在提升驾驶安全性、提供便利的信息显示和增强驾驶舒适性方面具有显著优势。HUD将关键驾驶信息直接投影到驾驶员的视野中，无需分散注意力查看仪表盘或其他显示屏，提高了驾驶员的集中注意力和反应速度，从而提升了驾驶安全性。

同时，HUD还可以提供实时导航指示、车辆状态和警告等重要信息，使驾驶员能够更方便地获取所需信息，提供了更好的驾驶体验和便利性。随着技术的进步和成本的下降，越来越多的汽车制造商开始在中高端车型中安装HUD，推动了其可用性和普及程度的增加。

在HUD将在更多汽车中得到应用的趋势下，提升驾驶的安全性、便利性和舒适性，为驾驶者提供更智能化的驾驶体验是研究的方向。

对此发明人发现，目前市面上的HUD只能显示一层画面，HUD所呈现的视觉效果较差，难以满足驾驶体验在内的视觉需求。

本申请则针对HUD的视觉效果方面提出了一种抬头显示器，可以参考图1，抬头显示器10设于可视窗口11上，抬头显示器10可以包括：

像源101，像源101包括第一显示区域1011和第二显示区域1012；第一显示区域1011用于将第一图像以第一平行光的形式朝向第一超表面102发射，第二显示区域1012用于将第二图像以第二平行光的形式朝向第二超表面103发射；

第一超表面102，用于聚集并反射第一平行光至观察点104，以使在观察点104处能够通过可视窗口11观测到第一图像的虚像105；观察点104用于表征肉眼观察的位置；

第二超表面103，用于聚集并反射第二平行光至观察点104，以使在观察点104处能够通过可视窗口11观测到第二图像的虚像106；第一超表面102和第二超表面103贴设与可视窗口11上；

其中，第一平行光从第一显示区域1011至观察点104的距离，大于第二平行光从第二显示区域1012至观察点104的距离。

在传统的HUD中，通过半透明的凹面镜实现对光线的反射和聚集，而超表面(Metasurface)是一种具有特殊设计的二维结构，它能够控制和调节入射电磁波的相位、幅度和极化，从而实现对电磁波的高度定制化操控，由于可见光属于电磁波的一种，因此超表面在保持二维结构(即无需考虑厚度)的同时，能够对可见光的方向进行偏折且不会增加厚度。因此超表面材料适合对空间和定制化要求较高的HUD中。

可以理解的是，在上述方案中，第一平行光从第一显示区域1011至观察点104的距离可以理解为第一图像的虚像105距离观察点104的距离，同理第二平行光从第二显示区域1012至观察点104的距离可以理解为第二图像的虚像106距离观察点104的距离。

在上述方案中，通过划分得到两个显示区域，再通过两个不同的超表面分别反射聚焦，在同一观察点能够观察到两个不同的显示画面，由于两个显示区域与观察点之间的距离上的差异，因此不同的显示画面产生了不同的焦距，每个画面所在的面可以称为焦面，不同焦面的画面相较单一画面，显示效果更丰富、更有层次。

本申请中的“第一”和“第二”并非表示显示区域、平行光、超表面等仅为两个，可以理解为一种先后顺序，如图2a中，具有三个超表面以及对应的显示区域、平行光和虚像。其中，讨论标号为102和标号为103的超表面时，可以称“标号为102的超表面”为“第一超表面”、称“标号为103的超表面”为“第二超表面”；而讨论标号为103和标号为104的超表面时，可以称“标号为103的超表面”为“第一超表面”、称“标号为104的超表面”为“第二超表面”。同理显示区域、平行光和虚像的“第一”“第二”也并非限制数量为两个。因此当数量不少于2时，均落入本申请的保护范围内。

在类似图2a的实施例中，还可以称第三显示区域1013、第三超表面107、第三图像的虚像108，“第三”与“第二”的关系可以参考“第二”与“第一”的关系。

此外，本申请中，可视窗口的朝向并非一层不变的，如图1、图2a所示的实施例为朝向斜上方的可视窗口。在一些实施例中，如图2b所示，可以是朝向斜下方的可视窗口，能够用于飞行器等设备。此外，还可以采用其他需要的朝向的可视窗口，比如汽车的天窗等，由于抬头显示器整体可发生角度的变化以适应不同的可视窗口，本申请不做一一赘述。

由于信息的种类不同，不同种类的信息重要程度也不同，因此在上述实施例方案的基础上，在一实施例方案中，为了便于快速获取不同的信息，第一图像和第二图像可以属于不同类别的信息。具体的，一实施例中，第一图像和第二图像属于以下信息类型的其中两种：导航信息；车况信息；道路信息。

可以理解的是：导航信息，主要为驾驶员提供路线信息和导航服务；车况信息，包含车辆速度、油箱信息等；道路信息，包含前方障碍物、指示牌、行人等信息。

在一实施例中，像源可以有三个显示区域，可以分别用于显示导航信息、车况信息、道路信息。

根据上述方案，用户可以按照成像位置以及成像的焦距快速查找需要的信息类型。

由于不同超表面需要聚集平行光至同一观察点，因此不同超表面的聚光能力不同，因此成像时不同的虚像在高度上有所差别，也即成像平面会呈现间距。两个平面间的间距设置是多平面显示中的一个重要参数。为了渲染一幅完美的连续画面，需要使平面的间距更小来显示更多的平面数量。但是在实际操作中，显示如此多的画面层数对显示设备、变焦元器件、图像渲染都提出了巨大的挑战。

为了控制不同画面的虚像之间的差距，在上述实施例方案的基础上，第一图像的虚像105和观察点104之间的连线，与第二图像的虚像106和观察点104之间的连线的最小夹角不大于预设夹角，以使在观察点处观测第一图像的虚像和第二图像的虚像时需要的屈光度不大于0.6D。

为了便于理解，当成像时，第一图像的虚像105的覆盖范围与第二图像的虚像106的覆盖范围之间会存在间距，这一间距相对观察点形成的夹角，即为最小夹角，如图2a所示的D1或D2。

由于肉眼屈光调节的能力在于±0.3D(D是屈光度，代表屈光的能力)，因此利用了人眼有效焦深只有±0.3D的特性，相邻两个平面的间距不大于0.6D时便可以渲染一幅连续的画面显示。

用于发射光线的像源，在长期的使用过程中容易发生积灰的现象，对于常规仪器而言可以忽略或者简单擦拭，而像源作为发光元件，其亮度的损失不可忽视，不易擦拭，擦拭也容易造成像源的损伤。

针对上述技术问题，本申请提出了两种解决方案：

其一，参考图3a，像源101还可以包括反光镜1014，反光镜1014用于将第一平行光反射至第一超表面102、将第二平行光反射至第二超表面103。

通过反光镜的参与，像源的出光口可以朝向不易落灰的方向，比如图示水平方向，或朝下，减少了落灰的可能，同时也避免了擦拭，而反光镜1014则容易擦拭和替换，维护周期较短。

其二，参考图3b，像源101还可以包括透光镜1015，透光镜1015设于像源101的出光处。

通过增设透光镜1015，灰尘或其他脏污无法进入到像源中，因此无需擦拭像源的发光元件，当透光镜脏污时可直接擦拭，必要时可直接更换。

上述两种避免脏污的方案可以选择其一实施，也可以同时实施，如在图3a的像源中，具有反光镜1014的同时，还可以加入透光镜1015，起到双重保障的作用。

需要理解的是，添加反光镜后，若要保证成像不变，需要把经过反光镜前的光线路径也计算进入到从发光区域到观察点的距离当中。

在本申请中，最终虚像的显示效果为本申请所追求的目标，由于光路可逆，而超表面材料设计并加工完成后其光学性能会定型。因此在实际的设计过程中，需要先按照前文所述的方案规划好成像的光路，也即先确定观察点和成像位置，根据成像的光路反推像源、超表面的位置以及加工工艺。

而达成目标光路的决定性因素在于超表面的光学性能，超表面受到结构设计、材料特性、工作波长、入射角度、光的极化状态、加工误差和制造限制等因素的影响，其中结构设计是重重之重，超表面的性能受到其纳米结构的设计和排列方式的影响。由于超表面依附在可视窗口上，因此可视窗口的形态也会影响纳米结构的设计。

如图4所示，超表面材料由基底和纳米结构组成，图4中401表示与可视窗口接触、用于承接纳米结构的基底，402、403、404、405为示例的几种纳米结构，不同的纳米结构的屈光能力不同。

因此在一实施例中，可视窗口为弧形透明材料时，第一超表面包括至少一种纳米结构，第二超表面包括至少一种纳米结构，纳米结构用于调节第一超表面或第二超表面的屈光能力。

在上述方案中，参考图5，由于可视窗,11为弧形透明材料(如弧形挡风玻璃)，因此会引起贴合的第一超表面102的基底和纳米结构弯曲，因此对于纳米结构而言相当于改变了光的入射角度，因此仅使用一种纳米结构即可实现类似凹面镜的聚光效果。

另一实施例中，可视窗口为平面透明材料时，第一超表面包括至少两种纳米结构，第二超表面包括至少两种纳米结构，纳米结构用于调节第一超表面或第二超表面的屈光能力。

为了便于理解，可以参考图6，由于可视窗口11为平面，因此无法依据光的入射角来实现聚光效果，需要采用至少两种纳米结构才能使入射的平行光在反射后聚集。

又一实施例中，可视窗口为平面透明材料，且第一超表面的基底和第二超表面的基底均为弧形时，第一超表面包括至少一种纳米结构，第二超表面包括至少一种纳米结构，纳米结构用于调节第一超表面或第二超表面的屈光能力。

参考前两个实施例，结合图7可知，虽然可视窗口为平面，但由于实施例中将基底设为了弧形，因此其上的纳米结构也发生相应的变化，因此即使采用一种结构，合理布局后，也会因为每个纳米结构接收的光的入射角度不同而发生光线的聚集。

上述多个实施例可以选择其一进行，在一些实施例中，为了提升超表面的光学能力，也可以将上述多个实施例进行结合。

除纳米结构的种类外，还可以对纳米结构的排列方式进行设计以符合预期的光路，具体的，第一超表面的相位可以通过以下公式进行计算：

其中(x₁,y₁)是第一超表面阵列上任意位置到该超表面中心点的距离，f₁是第一超表面等效的聚焦透镜的焦距，λ₁是入射光束的波长(也即第一平行光的波长)，α为该光束的衍射角。

当计算其他超表面时，对应修改(x₁,y₁)以及f₁的值即可，λ₁和α在像源统一时不发生变化，无需额外取值。

在本申请中，像源可以采用以下至少一种微型显示器：

DLP(Digital Light Processing，数字光处理)，

LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示)，

LCoS(Liquid Crystal on Silicon，硅胶液晶)，

OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)，

Micro-LED(Micro-Light Emitting Diode，微型发光二极管)。

相应的，参考图8，本申请还提供了一种汽,80，汽车80可以包括：

可视窗口11，可视窗口11为挡风玻璃、侧窗玻璃或天窗玻璃中的至少一种；

以及本申请任一实施例中的抬头显示器10。

在此基础上，为了达到良好的成像位置，像源可以安装于汽车的仪表台。

虽然本说明书包含许多具体实施细节，但是这些不应被解释为限制任何发明的范围或所要求保护的范围，而是主要用于描述特定发明的具体实施例的特征。本说明书内在多个实施例中描述的某些特征也可以在单个实施例中被组合实施。另一方面，在单个实施例中描述的各种特征也可以在多个实施例中分开实施或以任何合适的子组合来实施。此外，虽然特征可以如上所述在某些组合中起作用并且甚至最初如此要求保护，但是来自所要求保护的组合中的一个或多个特征在一些情况下可以从该组合中去除，并且所要求保护的组合可以指向子组合或子组合的变型。

类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应被理解为要求这些操作以所示的特定顺序执行或顺次执行、或者要求所有例示的操作被执行，以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实施例中的各种***模块和组件的分离不应被理解为在所有实施例中均需要这样的分离，并且应当理解，所描述的程序组件和***通常可以一起集成在单个软件产品中，或者封装成多个软件产品。

由此，主题的特定实施例已被描述。其他实施例在所附权利要求书的范围以内。在某些情况下，权利要求书中记载的动作可以以不同的顺序执行并且仍实现期望的结果。此外，附图中描绘的处理并非必需所示的特定顺序或顺次顺序，以实现期望的结果。在某些实现中，多任务和并行处理可能是有利的。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种抬头显示器，其特征在于，所述抬头显示器设于可视窗口上，所述抬头显示器包括：

像源，所述像源包括第一显示区域和第二显示区域；所述第一显示区域用于将第一图像以第一平行光的形式朝向第一超表面发射，所述第二显示区域用于将第二图像以第二平行光的形式朝向第二超表面发射；

所述第一超表面，用于聚集并反射所述第一平行光至观察点，以使在所述观察点处能够通过所述可视窗口观测到所述第一图像的虚像；所述观察点用于表征肉眼观察的位置；

所述第二超表面，用于聚集并反射所述第二平行光至所述观察点，以使在所述观察点处能够通过所述可视窗口观测到所述第二图像的虚像；所述第一超表面和所述第二超表面贴设与所述可视窗口上；

其中，所述第一平行光从所述第一显示区域至所述观察点的距离，大于所述第二平行光从所述第二显示区域至所述观察点的距离。

2.根据权利要求1所述的抬头显示器，其特征在于，

所述像源还包括反光镜，所述反光镜用于将所述第一平行光反射至所述第一超表面、将所述第二平行光反射至所述第二超表面；

和/或，

所述像源还包括透光镜，所述透光镜设于所述像源的出光处。

3.根据权利要求1所述的抬头显示器，其特征在于，所述可视窗口为弧形透明材料时，所述第一超表面包括至少一种纳米结构，所述第二超表面包括至少一种纳米结构，所述纳米结构用于调节所述第一超表面或所述第二超表面的屈光能力。

4.根据权利要求1所述的抬头显示器，其特征在于，所述可视窗口为平面透明材料时，所述第一超表面包括至少两种纳米结构，所述第二超表面包括至少两种纳米结构，所述纳米结构用于调节所述第一超表面或所述第二超表面的屈光能力。

5.根据权利要求1所述的抬头显示器，其特征在于，所述可视窗口为平面透明材料，且所述第一超表面的基底和所述第二超表面的基底均为弧形时，所述第一超表面包括至少一种纳米结构，所述第二超表面包括至少一种纳米结构，所述纳米结构用于调节所述第一超表面或所述第二超表面的屈光能力。

6.根据权利要求1所述的抬头显示器，其特征在于，所述第一图像和第二图像属于以下信息类型的其中两种：

导航信息；车况信息；道路信息。

7.根据权利要求1所述的抬头显示器，其特征在于，所述第一图像的虚像和所述观察点之间的连线，与所述第二图像的虚像和所述观察点之间的连线的最小夹角不大于预设夹角，以使在所述观察点处观测第一图像的虚像和所述第二图像的虚像时需要的屈光度不大于0.6D。

8.根据权利要求1所述的抬头显示器，其特征在于，所述像源采用以下至少一种微型显示器：

DLP，LCD，LCoS，OLED，Micro-LED。

9.一种汽车，其特征在于，所述汽车包括：

可视窗口，所述可视窗口为挡风玻璃、侧窗玻璃或天窗玻璃中的至少一种；

如权利要求1-8任一项所述的抬头显示器。

10.根据权利要求9所述的汽车，其特征在于，所述像源安装于所述汽车的仪表台。