CN205679855U - 使用凸透镜的汽车用平视显示器*** - Google Patents

Abstract

一种使用凸透镜的汽车用平视显示器***，它是由外壳和内部的光学和电子元件组成的一个盒式部件，驾驶员是通过汽车导航对HUD进行参数设置，然后导航将设置好的参数传给HUD中的单片机使用，其要点在于它的内部元件包括单片机、TFT屏、平面反光镜、凸透镜，单片机将图文信息传输给TFT屏，TFT屏发出的图文信息顺序通过平面反光镜、凸透镜投射到汽车的前挡风玻璃，外壳上设计有调试接头,调试接头的与单片机相连。本实用新型制作容易，有利于提高生产的良品率，降低生产成本，对于前挡风玻璃制造过程中的形变要求可以大幅放宽,并且也降低了前挡风玻璃装配精度的要求。

Description

使用凸透镜的汽车用平视显示器***

技术领域

本专利属于汽车配件，尤其属于汽车平视显示器（HUD）显示***。

背景技术

平视显示器（Head Up Display），以下简称HUD，量产的部分中高端车型都带有HUD显示功能，可以将速度和导航等图文信息投射到前挡风玻璃上，驾驶员是通过汽车导航对HUD进行参数设置，然后导航将设置好的参数传给HUD中的单片机4使用。如宝马的HUD显示***，它由外壳和内部的光学和电子元件组成的一个盒式部件，固定在驾驶员的视线正前方的仪表台下方。为了便于描述，将宝马HUD的内部光路及成像原理简单表示为如图1所示：其中7为单片机，将图文信息传给TFT屏，1为TFT屏，用于显示速度和导航等图文信息；2为平面反光镜，将TFT中显示的内容反射到自由曲面反光镜3中，目的为增加光路长度。整个HUD光学***中，驾驶员看到的是通过前挡风玻璃后反射的图文信息，这是一个虚像，驾驶员感觉虚像是在前挡风玻璃的前方，HUD的光路越长，则驾驶员会觉得虚像会离前挡风玻璃越远。所以增加平面反光镜的目的就是增加光路的长度；3为自由曲面反光镜，为HUD光路的核心组件；5为汽车的前挡风玻璃，作为光路的组成部分，将HUD的光线反射到驾驶员的眼睛；4为驾驶员的眼睛，即驾驶员可以观察到HUD显示的图文信息和信息，驾驶员会认为这是一个显示在前挡风玻璃前方的虚像。

自由曲面反光镜3，其功能详细描述如下：

功能1：该反光镜有一定的曲率，是一个凹面的反光镜，有放大的作用，宝马HUD的TFT规格为2.2英寸，但驾驶员观察到放大后的图文信息约为7.9英寸，放大率约为3.6倍，这个放大功能就是由自由曲面反光镜实现。

功能2：在放大图文信息的同时，也等效于增加光路的长度，增加的长度与放大倍数相同，在这里图像放大3.6倍，也相当于将光路延长3.6倍，因此原来只有0.47米长的总光路，经过延长之后实现虚像离驾驶员眼睛为1.7米的长度。

功能3：汽车的前挡风玻璃不是一个平面，而是一个非线性变化的曲面，并且在显示区域的每个位置的曲率变化均不相同，这样会导致正常的图文信息会产生畸变，因此自由曲面反光镜在保持图文信息放大功能的前提下，必须对显示区域内的前挡风玻璃在显示区域内的曲率变化产生图文信息的畸变进行反向补偿，用于抵消前挡风玻璃产生的光学畸变。

功能4：由于TFT显示屏比较小，只有2.2英寸，放大后的图文信息为7.9英寸，并且光路中还有反光镜和前挡风玻璃的存在，因此导致从TFT不同显示位置到前挡风玻璃反射到驾驶员眼睛的光路长度不一样，也也会导致图文信息发生畸变，在HUD中，也是靠自由曲面反光镜来校正和抵消光路长度不一样而产生的畸变。

在宝马HUD中，由于是依靠自由曲面反光镜对前挡风玻璃曲率和光路长度不一样的畸变进行校正，因此在设计自由曲面反光镜时就必须针对某一车型的HUD内部结构、HUD安装位置、前挡风玻璃显示区域的位置和形状等因素进行定制，对自由曲面反光镜的设计要求极高，使用自由曲面反光镜的HUD必须是专车专用，如果安装到不同的车型，或者车辆更改前挡风玻璃的造型，则HUD的自由曲面反光镜必须重新设计，因此HUD主机是无法通用的。在不通用的情况下，也对与光路相关部件的制造误差和装配误差的要求严格，如果误差偏大，就会导致图文信息畸变等问题发生。

由于自由曲面反光镜对加工精度要求极高，因此加工难度大，并且由于曲面镜的凹面形状，因此对模具的加工也提出很高的要求；由于自由曲面反光镜要实现光路畸形校正功能，因此对其的变形和反光率等指标要求很高，由于材料特性，在高温加工后回到正常状态都有一定的收缩率，这会导致生产良品率低,生产成本高。由于自由曲面反光镜与前挡风玻璃的曲率变化结果需要相互抵消，则对前挡风玻璃的精度和变形也提出很高的要求，如果超出范围，也会导致图文信息明显畸变，因此也会导致前挡风玻璃的制造成本大幅上升。

发明内容

本专利目的在于克服目前汽车的HUD显示***中因使用自由曲面反光镜所造成的加工难度大、生产成本高的缺点，提供一种加工容易、生产成本低的使用凸透镜的汽车用平视显示器***。

本发明所采用的技术方案为一种使用凸透镜的汽车用平视显示器***，它是由外壳和内部的光学和电子元件组成的一个盒式部件，驾驶员是通过汽车导航对HUD进行参数设置，然后导航将设置好的参数传给HUD中的单片机使用，其要点在于它的内部元件包括单片机、TFT屏、平面反光镜、凸透镜，单片机将图文信息传输给TFT屏，TFT屏发出的图文信息顺序通过平面反光镜、凸透镜投射到汽车的前挡风玻璃，外壳上设计有调试接头, 调试接头的与单片机相连。

本发明是在现有的平视显示器***基础上进行改进，外壳与电子***与现有技术相似，利用普通凸透镜代替自由曲面反光镜，具有加工容易、生产成本低，普通凸透镜代替自由曲面反光镜后的代替原理如下：

功能1：使用普通凸透镜实现图文信息内容放大的功能，这点容易理解，通过调整凸透镜与TFT和平面反光镜之间的距离，实现放大的作用，并且放大倍数可以根据需要进行调节。在本专利实现的HUD中，选用普通的双凸透镜，凸透镜的直径在150-180mm之间，焦距在140-180mm之间，如果焦距太短则曲率大，不容易加工，焦距太长则同样的放大倍数需要更远的距离，导致HUD的体积过大，由于在放大成为实像，因此必须选择一倍焦距到二倍焦距之间，通过计算，当凸透镜的直径在150-180mm之间，焦距为140mm，凸透镜与TFT之间的光路距离为179mm时正好放大倍数为3.6倍，当距离改变时，放大倍数也可以随之改变。

功能2：在放大图文信息的同时，也同样实现光路的延长，这个延长倍数与放大倍数是一样的，也是延长3.6倍。

即在使用普通凸透镜代替自由曲面反光镜后，同样实现了自由反光镜的放大和延长光路的功能，与自由反光镜效果完全相当。

所述的单片机传输给TFT屏的图文信息是通过软件进行预变形的，实现抵消前挡风玻璃的曲率非线性和光路长度不一样等光学因素产生的光学畸变，最终实现HUD显示。

由于选用的是普通的凸透镜，因此无法实现自由曲面反光镜一样通过光学的方式对光路畸变进行校正，因此本专利中通过单片机中的软件对TFT显示的图文信息进行反向较正，即TFT显示的图文信息为一个根据存储的参数进行预先畸变，这个畸变的方向与前挡风玻璃曲率和光路长度不一样而产生的畸变效果完全相反，正好互相抵消，因此实现驾驶员观察到的虚像正好是无畸变的图文信息。

汽车导航上设计有调节功能选择，设定为坐姿的高位、中位和低位，驾驶员选定合适的高度的坐姿位置之后，导航将驾驶员选定的信息传送给单片机。

摄像头位置调高或调低的距离为40mm。

在设计的常规驾驶员眼睛位置进行校正之外，也对该位置的上下各40mm位置进行校正，分别得到校正参数，驾驶员选定合适的高度的坐姿位置作为最终的显示校正参数。

本专利使用普通凸透镜实现HUD显示功能，与使用自由曲面反光镜实现HUD功能的车辆相比，优势明显，主要如下：

1、自由曲面反光镜的模具加工难度大，加工精度要求高。由于自由曲面反光镜对加工精度要求极高，因此加工难度大，并且由于曲面镜的凹面形状，因此对模具的加工也提出很高的要求。而普通凸透镜对模具的要求不高，使用普通的设备就可以加工完成，使用普通设备就可以实现模具抛光。加上本专利中是安装完HUD之后才使用软件校正，因此凸透镜的变形和误差均可以通过软件消除，所以凸透镜的模具制作容易。

2、由于自由曲面反光镜要实现光路畸形校正功能，因此对其的变形和反光率等指标要求很高，由于材料特性，在高温加工后回到正常状态都有一定的收缩率，这会导致生产良品率低,生产成本高。并且由于凹面镜的凹面不便于抛光,导致生产出来的不良品不能重新抛光后再次使用,也会导致生产良品率低。本专利中使用安装完HUD之后才使用软件校正，可以实现抵消凸透镜变形等不良问题,对凸透镜的要求不高,并且凸透镜不良品还可以重新抛光进行补救,大幅提高生产的良品率，降低生产成本。

3、由于自由曲面反光镜与前挡风玻璃的曲率变化结果需要相互抵消，则对前挡风玻璃的精度和变形也提出很高的要求，如果超出范围，也会导致图文信息明显畸变，因此也会导致玻璃的制造成本大幅上升。本专利中是安装完HUD之后才使用软件校正，对于玻璃制造过程中的形变要求可以大幅放宽,并且也降低了前挡风玻璃装配精度的要求。

附图说明

图1为宝马的HUD显示***光路的原理示意图

图2为本发明光路的原理示意图

图3为本发明调试过程示意图

其中1TFT屏2平面反光镜3自由曲面反光镜4驾驶员的眼睛5汽车的前挡风玻璃6凸透镜7单片机8摄像头。

具体实施方式

下面对本专利进行详细的描述，所述的实施例可以使本专业的技术人员更理解本专利，并且很容易实现同样的功能。

如图2、3所示，一种使用凸透镜的汽车用平视显示器***，与现有的HUD显示***相同，都是它由外壳和内部的光学和电子元件组成的一个盒式部件，固定在驾驶员的视线正前方的仪表台下方，驾驶员是通过汽车导航对HUD进行参数设置，然后导航将设置好的参数传给HUD中的单片机7使用。所不同的是它用凸透镜6代替加工难度大的自由曲面反光镜，具体的内部元件包括单片机7、TFT屏1、平面反光镜2、凸透镜6，单片机7将图文信息传输给TFT屏1，TFT屏1发出的图文信息顺序通过平面反光镜2、凸透镜6投射到汽车的前挡风玻璃，外壳上设计有调试接头, 调试接头的另一端与单片机7相连。选用普通的双凸透镜，凸透镜的直径在150-180mm之间，焦距在140-180mm之间，如果焦距太短则曲率大，不容易加工，焦距太长则同样的放大倍数需要更远的距离，导致产品的体积过大，由于要放大成为实像，因此必须选择一倍焦距到二倍焦距之间，通过计算，当凸透镜的直径在150-180mm之间，焦距为140mm，凸透镜与TFT之间的光路距离为179mm时正好放大倍数为3.6倍，当距离改变时，放大倍数也可以随之改变。

本发明是通过凸透镜实现TFT图文信息的放大和光路延长的功能，通过软件对TFT显示图文信息的预变形，光学畸变校正。

所述的单片机7传输给TFT屏1的图文信息是通过软件进行预变形的，实现抵消前挡风玻璃的曲率非线性和光路长度不一样等光学因素产生的光学畸变，最终实现HUD显示。

由于选用的是普通的凸透镜，因此无法实现自由曲面反光镜光学畸变校正，因此本专利中通过单片机7中的软件对发出的图文信息进行反向较正，因此TFT中显示的图文信息是已经是经过进行反向较正的图文信息，即TFT显示的图文信息为一个根据存储的参数进行预先畸变，这个畸变的方向与前挡风玻璃曲率和光路长度不一样而产生的畸变效果完全相反，正好互相抵消，因此实现驾驶员观察到的虚像正好是无畸变的图文信息。

所述的单片机7传输给TFT屏1的图文信息是通过软件进行预变形的，其调试过程为如图3所示：①在整体车辆下线时，在驾驶员眼睛的位置放置一个摄像头8，并将摄像头与调试接头相接，从而使摄像头与单片机7相连接，单片机7进入畸变校正模式-②垂直畸形校正-③图文信息加上校正参数-④对比摄像头拍摄的图文信息与发出的图文信息，判断拍摄图文信息是否畸变-⑤是，则修正校正参数重复步骤③、④、⑤直到图文信息无畸变，表明完成垂直畸形校正，继续⑥水平畸形校正-⑦图文信息加上校正参数-⑧对比摄像头拍摄的图文信息与发出的图文信息，判断拍摄图文信息是否畸变-⑨是则修正校正参数重复步骤⑦、⑧、⑨直到图文信息无畸变，表明完成水平畸形校正，此时单片机7中对图文信息进行预先畸变处理的参数就是本辆汽车的光学畸变的反向校正参数。

也可先进行水平畸形校正。

在汽车导航上设计有调节功能选择，设定为坐姿的高位、中位和低位，驾驶员选定合适的高度的坐姿位置之后，导航将驾驶员选定的信息传送给单片机7。

为了适应不同驾驶员的身高，在校准时分别对驾驶员可能的坐姿的高中低位均分别进行校准。

摄像头位置调高或调低的距离为40mm。

在设计的常规驾驶员眼睛位置进行校正之外，也对该位置的上下各40mm位置进行校正，分别得到校正参数，驾驶员选定合适的高度的坐姿位置作为最终的显示校正参数。

上述的垂直畸形校正所使用的图文信息为水平黑白相间的条纹图文信息，水平畸形校正所使用的图文信息为垂直黑白相间的条纹图文信息。

Claims (5)

1.一种使用凸透镜的汽车用平视显示器***，它是由外壳和内部的光学和电子元件组成的一个盒式部件，驾驶员是通过汽车的导航进行参数设置，然后导航将相关参数传给单片机（7），其特征在于它的内部元件包括单片机（7）、TFT屏（1）、平面反光镜（2）、凸透镜（6），单片机（7）将图文信息传输给TFT屏（1），TFT屏（1）发出的图文信息顺序通过平面反光镜（2）、凸透镜（6）投射到汽车的前挡风玻璃，外壳上设计有调试接头, 调试接头的与单片机（7）相连。

2.根据权利要求1所述的一种使用凸透镜的汽车用平视显示器***，其特征在于，选用的双凸透镜，凸透镜的直径在150~180mm之间，焦距在140-180mm之间。

3.根据权利要求2所述的一种使用凸透镜的汽车用平视显示器***，其特征在于，选用的双凸透镜，当凸透镜的直径在150~180mm之间，焦距为140mm，凸透镜与TFT之间的光路距离为179mm时正好放大倍数为3.6倍。

4.根据权利要求1所述的一种使用凸透镜的汽车用平视显示器***，其特征在于，汽车导航上设计有调节功能选择，设定为坐姿的高位、中位和低位，驾驶员选定合适的高度的坐姿位置之后，导航将驾驶员选定的信息传送给单片机（7）。

5.根据权利要求4所述的一种使用凸透镜的汽车用平视显示器***，其特征在于，驾驶员眼睛的高度位置分为高中低三档之间的高度差为40mm。