CN204439938U - 成虚像的放大显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种成虚像的放大显示装置，该放大显示装置包括：影像显示装置；第一自由曲面，设置于影像显示装置显示图像一侧的前端，用于对影像显示装置投射的影像光束进行透射；第二自由曲面，设置在经过第一自由曲面透射后的影像光束的光路上，第二自由曲面接收来自第一自由曲面的光束，可对来自第一自由曲面的光束进行反射或全反射；以及第三自由曲面，设置在经过第二自由曲面反射后的影像光束的光路上透射来自第二自由曲面的影像光束。该成虚像的放大显示装置结构紧凑合理，且相对观察者视线来说，虚像显示位置与外界景象并不融合一起，受日光干扰较小，因此对成虚像的放大显示装置的亮度要求较小，容易实现，且成本比较低。

Description

成虚像的放大显示装置

技术领域

本发明涉及虚像显示***，尤其涉及用于成虚像的放大显示装置。

背景技术

目前，虚像显示装置主要往小型化及轻量化进行突破，并且在保证高质画面的情况下实现广角化，近年来得到人们的广泛关注与研究，尤其是在汽车领域，可虚像显示车速、转速、水温、电压、导航等信息。例如头戴式显示器(HMD)或者平视显示器(HUD)等通常都是利用光学反射与折射进行虚像显示。HUD和HMD将影像信息映射在风窗玻璃的全息半镜上，具有下述优点：驾驶员不必低头，就可以看到信息，从而避免分散对前方道路的注意力；驾驶员不必在观察远方的道路和近处的仪表之间调节眼睛，可避免眼睛的疲劳。但是HUD和HMD虚像显示于远方道路，与外界的景象融合在一起，因此显示的虚像应具有足够的大小和亮度，才能清楚的分辨外界景象与虚像显示信息，对虚像显示***的显示亮度要求较高，因而也加大了制造的成本与难度。

实用新型内容

基于上述问题，本实用新型的目的在于提供了一种结构紧凑，实用性强，且成本比较低，对虚像放大显示***的亮度要求较小的成虚像的放大显示装置。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了一种成虚像的放大显示装置，包括：影像显示装置，用于显示需放大显示的影像画面；第一自由曲面，设置于影像显示装置显示图像一侧的前端，用于对影像显示装置投射的影像光束进行透射；第二自由曲面，设置在经过第一自由曲面透射后的影像光束的光路上，第二自由曲面接收来自第一自由曲面的光束，可对来自第一自由曲面的光束进行反射或全反射；以及第三自由曲面，设置在经过第二自由曲面反射后的影像光束的光路上，透射来自第二自由曲面的影像光束，并对影像光束进行放大，在所设计的距离得到一个放大的虚像显示。

优选地，所述第一自由曲面、第二自由曲面以及第三自由曲面同时设置于光学元件一上，所述光学元件一为至少包括三个自由曲面的自由曲面部件。

优选地，所述第一自由曲面和第三自由曲面同时设置于光学元件二上，第二自由曲面设置于光学元件三上。

优选地，所述光学元件二为至少包括两个自由曲面的自由曲面部件，所述光学元件三为至少包括一个自由曲面的自由曲面部件。

优选地，所述光学元件三为至少包括一个自由曲面的自由曲面反射镜。

优选地，所述第一自由曲面、第二自由曲面以及第三自由曲面分别设置于光学元件四、光学元件五和光学元件六上。

优选地，所述光学元件四和/或光学元件五和/或光学元件六分别为至少包括一个自由曲面的自由曲面部件。

优选地，所述自由曲面设置在自由曲面部件的入射面或出射面。

优选地，还包括：可对光束进一步整形的中继透镜，设置于第三自由曲面的光束出射面的前端。

优选地，所述第二自由曲面的光束入射面镀有反射膜，或者第二自由曲面与来自第一自由曲面的影像光束之间的角度按照一定规律设置，使得来自第一自由曲面的影像光束经过第二自由曲面反射后满足全反射规律。

与现有技术相比，本实用新型的成虚像的放大显示装置具有如下有益效果：采用三个光学曲面作为导光部件，结构紧凑合理，实用性强；另外，相对观察者视线来说，虚像显示位置与外界景象并不融合一起，受日光干扰较小，因此对虚像放大显示***的亮度要求较小，实用性强，容易实现，且成本比较低。

附图说明

图1为本实用新型的成虚像的放大显示装置实施例一的结构示意图；

图2为本实用新型的成虚像的放大显示装置实施例二的结构示意图；

图3为本实用新型的成虚像的放大显示装置实施例三的结构示意图；

图4为本实用新型的成虚像的放大显示装置实施例四的结构示意图；

图5为本实用新型的成虚像的放大显示装置实施例二的使用状态一的示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

下面结合附图详细说明本实用新型的具体实施内容。

图1为本实用新型的成虚像的放大显示装置实施例一的结构示意图。如图1所示，本实用新型的成虚像的放大显示装置，包括：影像显示装置10，用于显示需放大显示的影像画面，并将影像光束投射出去；自由曲面部件11(即光学元件一)，位于影像显示装置10的显示图像一侧的前端，用于引导影像显示装置投射的影像光束进入观察者的视线范围，其包括：第一自由曲面S1，第二自由曲面S2以及第三自由曲面S3。

所述第一自由曲面S1与影像显示装置10近距离相邻，使得第一自由曲面S1满足能够将影像显示装置10发出的图像光束透射出去，并且在保证投影质量的前提下，距离优选越近越好，使得成虚像的放大显示装置的结构紧凑,重量体积更小。第一自由曲面设置于影像显示装置显示图像一侧的前端，位于影像显示装置10发出的图像光束的光路上，用于对影像显示装置投射的影像光束进行透射。第二自由曲面S2，设置在第一自由曲面S1背对影像显示装置10一侧的前端，位于经过第一自由曲面S1透射后的影像光束的光路上，可对来自第一自由曲面S1的光束进行反射或全反射。第三自由曲面S3，设置在经过第二反射自由曲面S2反射后的影像光束的光路上，透射来自第二反射自由曲面S2的影像光束，并对影像光束进行放大，在所设计的距离得到一个放大的虚像显示，这个设计的距离可以根据观察者的眼睛距离第三自由曲面S3的远近来设置。影像显示装置10所发出的影像光束先经过自由曲面部件11的第一自由曲面S1透射进入自由曲面部件11，第一自由曲面S1透射来自影像显示装置10的光束，然后在自由曲面部件11的第二自由曲面S2发生反射或全反射，最后经过自由曲面部件11的第三自由曲面S3透射进入人眼，形成虚像显示，第三自由曲面S3的设置不但可以放大虚像还可以校正像差。第一自由曲面S1除了透射来自影像显示装置10的光束，还可以对来自影像显示装置10的光束进行均匀化，整形及校正等，根据实际情况的需要而定。

其中，第一自由曲面S1，第二自由曲面S2，和第三自由曲面S3同时设置在自由曲面部件11上，三者设置的位置和设置的角度可以如图所示，也可以按照其他的位置和角度来设置，只要能满足上述三个自由曲面所实现的功能即可。自由曲面部件11包括但不限于三个自由曲面，还可包括其他的曲面或者平面，可以根据实际情况还包括其他类型的曲面或者平面。

自由曲面部件11的材料为玻璃或者塑料，或者其他透光性好的材料。优选地，第一自由曲面S1的光束入射面为凹的收敛面，透射来自影像显示装置10的光束并对光束进行均匀化；第二自由曲面S2镀有反射膜，或者第二自由曲面S2与来自第一自由曲面S1的影像光束之间的角度可以按照一定规律设置，使得来自第一自由曲面S1的影像光束经过第二自由曲面S2反射后满足全反射规律，第二自由曲面S2可以对入射的光线发生反射或全反射；第三自由曲面S3的光束出射面为凸的收敛面，不仅对影像光束有透射放大的作用还可校正影像光束的像差；

另外，第一自由曲面S1和/或第三自由曲面S3也可镀增透膜，增大影像光束的透过率；自由曲面部件11的三个光学曲面(第一自由曲面S1、第二自由曲面S2和第三自由曲面S3)的面型满足以下方程：

$\begin{array}{c}z(x,y)=\frac{C(x^2+y^2)}{1+\sqrt{1-(1+k)C^2(x^2+y^2)}}+c_4{x}^2+c_6{y}^2+c_8{x}^{2}y+c_{10}{y}^3\\ +c_{11}{x}^4+c_{13}{x}^2{y}^2+c_{15}{y}^4+c_{17}{x}^{4}y+c_{19}{x}^2{y}^2+c_{21}{y}^5+...\end{array}$

其中，C为曲面曲率半径，C_j为多项式系数。

所述影像显示装置10可以是投影仪或者手机或者平板电脑等电子设备，显示图片、视频、文本等多媒体信息。

图2为本实用新型的成虚像的放大显示装置实施例二的结构示意图。如图2所示，与实施例一不同的是，所述第一自由曲面A1和第三自由曲面A3设置于同一光学元件二21，第二自由曲面A2独立设置于光学元件三22上；所述光学元件二21为至少有两个自由曲面的自由曲面部件，可以根据实际情况还包括其他类型的曲面或者平面。光学元件二21的光学面A4可以是平面或者曲面，透射影像光束。

光学元件三22可以是仅具有一个自由曲面的部件，或者光学元件三22为至少有一个自由曲面的自由曲面部件，可以是仅有一个自由曲面的自由曲面反射镜，可以根据实际情况还包括其他类型的曲面或者平面。第二自由曲面A2可以镀有反射膜，或者第二自由曲面A2与来自光学元件二21的影像光束之间的角度满足全反射规律。影像显示装置20所发出的影像光束先经过光学元件二21的第一自由曲面A1和光学面A4，然后经过光学元件三22的第二自由曲面A2并发生反射或全反射，最后再经过光学元件二21的第三自由曲面A3透射进入人眼，形成虚像显示，第三自由曲面A3的设置不但可以放大虚像还可以校正像差。

图3为本实用新型的成虚像的放大显示装置实施例三的结构示意图。如图3所示，与实施例一不同的是，所述第一自由曲面B1、第二自由曲面B2以及第三自由曲面B3分别设置于光学元件四31、光学元件五32和光学元件六33上。光学元件四31和/或光学元件五32和/或光学元件六33分别为至少包括一个自由曲面的自由曲面部件，可以根据实际情况还包括其他类型的曲面或者平面。第一自由曲面B1可以设置在光学元件四31的图像光束出射面上，光学元件四31的图像光束入射面设置成平面；第一自由曲面B1还可以设置在光学元件四31的图像光束入射面上，光学元件四31的图像光束出射面设置成平面。第三自由曲面B3可以设置在光学元件六33的光束出射面上，光学元件六33的光束入射面设置成平面；第三自由曲面B3还可以设置在光学元件六33的图像光束入射面上，光学元件六33的图像光束出射面设置成平面。光学元件五32可以是仅仅设置有一个第二自由曲面B2的透镜或反射镜。第二自由曲面B2也可以设置在光学元件五32的光束入射面上，其他面可以根据需要设置成平面或者曲面；也可以是经过第一自由曲面B1透射的光束，先经过设置在光学元件五32上的平面，透射到第二自由曲面B2上，再对光束进行反射或全反射。

影像显示装置30所发出的影像光束先经过光学元件四31的第一自由曲面B1发生透射整形，然后经过光学元件五32的第二自由曲面B2并发生反射或全反射，最后再经过光学元件六33的第三自由曲面B3透射进入人眼，形成虚像显示。其中，光学元件四31和光学元件六33为自由曲面部件，可对影像光束进行透射和整形；光学元件五32为自由曲面部件或者自由曲面反射镜，第二自由曲面B2镀有反射膜，或者第二自由曲面B2与来自光学元件四31的影像光束之间的角度满足全反射规律，第三自由曲面B3的设置不但可以放大虚像还可以校正像差。

图4为本实用新型的成虚像的放大显示装置实施例四的结构示意图。在施例一或实施例二或实施例三的基础上，成虚像的放大显示装置可多设置一个中继透镜,可对来第三自由曲面的影像光束进一步整形。如图4所示，与实施例一不同的是，仅在实施例一的基础上成虚像的放大显示装置可多设置一个可对光束进一步整形的中继透镜42，设置于第三自由曲面C3的光束出射面的前端，自由曲面部件41与观测者之间。影像显示装置40所发出的影像光束先经过自由曲面部件41的第一自由曲面C1进入自由曲面部件41，其次在自由曲面部件41的第二自由曲面C2发生反射或全反射，然后经过自由曲面部件41的第三自由曲面C3透射放大，最后经中继透镜42整形进入人眼，形成虚像显示。

图5为本实用新型的成虚像的放大显示装置实施例二的使用状态一的示意图。上述的成虚像的放大显示装置可应用于汽车显示领域，如图5所示，将成虚像的放大显示装置51放置于汽车显示平台上方50靠近挡风玻璃52处，来自成虚像的放大显示装置51的影像光束入射到观察者的眼睛E后，观察者可透过挡风玻璃52在汽车外观察到放大的虚像X和道路实景S，该放大虚像X与观察者视线范围内的道路实景S不重叠(放大虚像X在道路实景S与观察者之间)，受日光干扰较小，因此成虚像的放大显示装置的显示亮度相对HUD和HMD来说要求更低，即可满足虚像的清晰显示，制造成本比较低。

综上所述，本实用新型所公开的成虚像的放大显示装置采用采用三个光学曲面作为导光部件，结构紧凑合理，实用性强，结构紧凑合理，实用性强，容易实现，且成本比较低；另外，相对观察者视线来说，虚像显示位置与外界景象并不融合一起，受日光干扰较小，因此对虚像放大显示***的亮度要求较小。本实用新型所述的光学元件和自由曲面部件可以根据情况设置成透镜或反射镜。在实现本实用新型实施例所述的各种功能的基础上，本实用新型所述的光学元件和自由曲面部件还可以根据实际情况包括其他的平面或者曲面。本实用新型所述的光学元件和自由曲面部件除了实现本实用新型所述的各种功能之外，还可以根据实际情况同时实现其他的功能，比如在放大或透射的同时进行过滤、整形等等。

以上内容是结合优选技术方案对本实用新型所做的进一步详细说明，不能认定实用新型的具体实施仅限于这些说明。对本实用新型所属技术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，可以做出简单的推演及替换，都应该视为本实用型新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种成虚像的放大显示装置，其特征在于，包括：

影像显示装置，用于显示需放大显示的影像画面；

第一自由曲面，设置于影像显示装置显示图像一侧的前端，用于对影像显示装置投射的影像光束进行透射；第二自由曲面，设置在经过第一自由曲面透射后的影像光束的光路上，第二自由曲面接收来自第一自由曲面的光束，可对来自第一自由曲面的光束进行反射或全反射；以及第三自由曲面，设置在经过第二自由曲面反射后的影像光束的光路上，透射来自第二自由曲面的影像光束，并对影像光束进行放大，在所设计的距离得到一个放大的虚像显示。

2.根据权利要求1所述的成虚像的放大显示装置，其特征在于，所述第一自由曲面、第二自由曲面以及第三自由曲面同时设置于光学元件一上，所述光学元件一为至少包括三个自由曲面的自由曲面部件。

3.根据权利要求1所述的成虚像的放大显示装置，其特征在于，所述第一自由曲面和第三自由曲面同时设置于光学元件二上，第二自由曲面设置于光学元件三上。

4.根据权利要求3所述的成虚像的放大显示装置，其特征在于，所述光学元件二为至少包括两个自由曲面的自由曲面部件，所述光学元件三为至少包括一个自由曲面的自由曲面部件。

5.根据权利要求3所述的成虚像的放大显示装置，其特征在于，所述光学元件三为至少包括一个自由曲面的自由曲面反射镜。

6.根据权利要求1所述的成虚像的放大显示装置，其特征在于，所述第一自由曲面、第二自由曲面以及第三自由曲面分别设置于光学元件四、光学元件五和光学元件六上。

7.根据权利要求6所述的成虚像的放大显示装置，其特征在于，所述光学元件四和/或光学元件五和/或光学元件六分别为至少包括一个自由曲面的自由曲面部件。

8.根据权利要求7所述的成虚像的放大显示装置，其特征在于，所述自由曲面设置在自由曲面部件的入射面或出射面。

9.根据权利要求1-8任一项所述的成虚像的放大显示装置，其特征在于，还包括：可对光束进一步整形的中继透镜，设置于第三自由曲面的光束出射面的前端。

10.根据权利要求1-8任一项所述的成虚像的放大显示装置，其特征在于，所述第二自由曲面的光束入射面镀有反射膜，或者第二自由曲面与来自第一自由曲面的影像光束之间的角度按照一定规律设置，使得来自第一自由曲面的影像光束经过第二自由曲面反射后满足全反射规律。