CN212647159U - 一种抬头显示*** - Google Patents

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CN212647159U CN202020706606.8U CN202020706606U CN212647159U CN 212647159 U CN212647159 U CN 212647159U CN 202020706606 U CN202020706606 U CN 202020706606U CN 212647159 U CN212647159 U CN 212647159U
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吴慧军
方涛
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Future Beijing Black Technology Co ltd
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Abstract

本实用新型公开了一种抬头显示***，包括：光源、分离式光扩散元件、液晶面板和透反装置，所述分离式光扩散元件将所述光源发出的光线扩散成至少两个不同方向的光束，每个所述光束包括预设形状的截面，所述液晶面板将所述入射至所述液晶面板的光线转化为图像光线并出射所述图像光线，所述图像光线在所述透反装置上反射，反射光线射向至少两个不同的观察区域；所述至少两个不同方向的光束与所述观察区域一一对应，所述至少两个光束在观察区域的截面相互分离。通过本实用新型实施例提供的抬头显示***，交通工具内的不同观察者可在至少两个区域观察到图像，可扩展多人多角度观看等应用，提升了HUD的使用体验与便利性，扩展了HUD的应用场景。

Description

一种抬头显示***
技术领域
本实用新型属于光学显示技术领域，具体涉及一种抬头显示***。
背景技术
HUD(head up display)是通过反射式的光学设计，将图像源发出的光线最终投射到成像窗(成像板、挡风玻璃等)上，驾驶员无需低头就可以直接看到画面，避免驾驶员在驾驶过程中低头看仪表盘所导致的分心，提高驾驶安全系数，同时也能带来更好的驾驶体验。
具体的，HUD图像源发出的光线在透明成像窗上发生反射并保留在驾驶舱的一侧，进入驾驶员的眼睛。这些进入驾驶员眼睛的光线，使得驾驶员可以看到HUD图像源上显示的画面在成像窗的另一侧空间呈现的虚像。与此同时，由于成像窗本身是透明的，成像窗另一侧的环境光线依然可以透过它传输到驾驶员眼睛里，使得驾驶员在看到HUD成像的同时，还不影响驾驶中观察车外的路况。但现有的HUD设计基本只可供驾驶员观看，在实际使用中带来诸多不便，限制了HUD的应用场景与进一步推广。
实用新型内容
为了克服现有技术中抬头显示***只能供驾驶员观看的问题，本实用新型提供一种抬头显示***，包括：光源，所述光源发出光线；
分离式光扩散元件，所述分离式光扩散元件将所述光源发出的光线扩散成至少两个不同方向的光束，每个所述光束包括预设形状的截面；
液晶面板，所述液晶面板将所述入射至所述液晶面板的光线转化为图像光线并出射所述图像光线；
透反装置，所述图像光线在所述透反装置上反射，反射光线射向至少两个不同的观察区域；
所述至少两个不同方向的光束与所述观察区域一一对应，所述至少两个光束在观察区域的截面相互分离；
外部环境光线经所述透反装置透射至所述至少两个不同的观察区域，所述外部环境与所述观察区域分别位于所述透反装置分隔的两侧空间中的一侧。
可选的，在另一种实施例中，所述至少两个观察区域包括对应交通工具驾驶员的观察区域和对应乘客的观察区域。
可选的，在另一种实施例中，所述至少两个观察区域对应交通工具内任意至少两个乘客的观察区域。
可选的，在另一种实施例中，所述液晶面板包括第一偏振控制元件、液晶层和第二偏振控制元件；所述第一偏振控制元件透射第一偏振特性的光线，所述第二偏振控制元件透射第二偏振特性的光线；所述第一偏振特性的光线与所述第二偏振特性的光线偏振方向正交。
可选的，在另一种实施例中，所述光源包括一个或多个电致发光元件。
可选的，在另一种实施例中，所述分离式光扩散元件包括光线定向层和光线扩散层；所述光线定向层将所述光源发出的光线沿至少两个不同方向出射；所述光线扩散层将所述沿至少两个不同方向出射的光线扩散为至少两个光束；所述光线扩散层设置在所述光线定向层远离所述光源的一侧。
可选的，在另一种实施例中，所述光线定向层包括多个微棱镜结构。
可选的，在另一种实施例中，所述抬头显示***还包括：反射导光元件；所述反射导光元件设置在所述光源的出光方向上；所述反射导光元件的内反射面朝向所述光源且形成允许光线通过的传输通道；所述光源发出的光线经所述反射导光元件的传输通道传输至所述液晶面板。
可选的，在另一种实施例中，所述反射导光元件包括设有内反射面的中空壳体；所述中空壳体包括出光开口和远离所述出光开口的端部开口；所述端部开口的尺寸小于所述出光开口的尺寸。
可选的，在另一种实施例中，所述中空壳体的出光开口朝向所述液晶面板；所述中空壳体的端部开口设置所述光源；所述光源发出的光线经所述中空壳体的传输通道传输并在所述内反射面上反射，传输至所述液晶面板。
可选的，在另一种实施例中，所述中空壳体的内反射面包括抛物面形状、四棱台形状或自由曲面形状中的至少一种形状。
可选的，在另一种实施例中，所述中空壳体的内反射面为四棱台形状；所述端部开口的形状包括矩形、梯形、平行四边形或正方形中的至少一种形状；所述出光开口的形状包括矩形、梯形、平行四边形或正方形中的至少一种形状。
可选的，在另一种实施例中，所述反射导光元件包括实心透明体；所述实心透明体包括出光面和远离所述出光面的端部；所述实心透明体的折射率大于1。
可选的，在另一种实施例中，所述实心透明体的出光面朝向所述液晶面板；所述光源设置在所述实心透明体远离出光开口的端部；所述光源发出的光线经所述实心透明体的传输通道传输并在所述内反射面上全反射，传输至所述液晶面板。
可选的，在另一种实施例中，所述抬头显示***还包括：准直元件；所述准直元件设置在所述光源与所述液晶面板之间；所述准直元件将所述光源发出的光线调整为平行光线。
可选的，在另一种实施例中，所述准直元件包括准直透镜或准直膜中的至少一种。
可选的，在另一种实施例中，所述准直元件设置在所述中空壳体的内部，且所述准直元件的尺寸小于所述中空壳体的出光开口尺寸；所述准直元件将所述中空壳体内传输的光线调整准直后发射至所述液晶面板。
可选的，在另一种实施例中，所述准直元件设置在所述实心透明体的出光面上。
可选的，在另一种实施例中，所述实心透明体设置所述光源的端部设有空腔，所述准直元件设置在所述空腔靠近所述出光面的一面；所述准直元件将所述实心透明体内传输的光线调整准直后发射至所述液晶面板。
可选的，在另一种实施例中，所述实心透明体设置所述光源的端部设有空腔，所述实心透明体的出光面设有开槽，所述准直元件设置在所述开槽的底面；所述准直元件将所述实心透明体内传输的光线调整准直后发射至所述液晶面板。
可选的，在另一种实施例中，所述抬头显示***还包括：弥散元件；所述弥散元件将所述光源发出的光线扩散；所述弥散元件与所述分离式光扩散元件层叠设置，且所述弥散元件与所述分离式光扩散元件之间间隔预设距离。
可选的，在另一种实施例中，所述弥散元件为衍射光学元件或散射光学元件。
本实用新型实施例提供的上述方案中，通过设置光源和分离式光扩散元件，分离式光扩散元件将光源发出的光线扩散成至少两个不同方向的光束，每个光束包括预设形状的截面；液晶面板将入射光线转化并出射图像光线，图像光线在所述透反装置上反射，反射光线射向至少两个不同的观察区域，观察区域与扩散后的光束一一对应，HUD可在至少两个区域观察到图像，可扩展多人多角度观看等应用，提升了HUD的使用体验与便利性，扩展了HUD的应用场景。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
图1显示了本实用新型一个实施例抬头显示***的结构示意图一；
图2显示了本实用新型一个实施例抬头显示***的结构示意图一；
图3显示了本实用新型一个实施例抬头显示***的结构示意图三；
图4显示了本实用新型一个实施例液晶面板的结构示意图；
图5显示了本实用新型一个实施例分离式光扩散元件对光线作用的示意图一；
图6a显示了本实用新型一个实施例分离式光扩散元件的结构示意图一；
图6b显示了本实用新型一个实施例分离式光扩散元件的结构示意图二；
图7a显示了本实用新型一个实施例分离式光扩散元件对光线作用的示意图二；
图7b显示了本实用新型一个实施例分离式光扩散元件对光线作用的示意图三；
图8显示了本实用新型一个实施例分离式光扩散元件的结构示意图三；
图9显示了本实用新型一个实施例分离式光扩散元件的结构示意图四；
图10显示了本实用新型一个实施例抬头显示***的局部结构示意图一；
图11a显示了本实用新型一个实施例中空壳体的结构示意图一；
图11b显示了本实用新型一个实施例中空壳体的结构示意图二；
图12显示了本实用新型一个实施例中空壳体的结构示意图三；
图13显示了本实用新型一个实施例抬头显示***的局部结构示意图二；
图14显示了本实用新型一个实施例抬头显示***的局部结构示意图三；
图15显示了本实用新型一个实施例抬头显示***的局部结构示意图四；
图16显示了本实用新型一个实施例抬头显示***的局部结构示意图五；
图17a显示了本实用新型一个实施例抬头显示***的局部结构示意图六；
图17b显示了本实用新型一个实施例抬头显示***的局部结构示意图七；
图18显示了本实用新型一个实施例抬头显示***的局部结构示意图八；
图19显示了本实用新型一个实施例抬头显示***的局部结构示意图九；
图20a显示了本实用新型一个实施例抬头显示***的局部结构示意图九；
图20b显示了本实用新型一个实施例抬头显示***的局部结构示意图十；
图21a显示了本实用新型一个实施例抬头显示***的局部结构示意图十一；
图21b显示了本实用新型一个实施例抬头显示***的局部结构示意图十二；
图21c显示了本实用新型一个实施例抬头显示***的局部结构示意图十三；
图21d显示了本实用新型一个实施例抬头显示***的局部结构示意图十四。
标号说明：101-光源；102-分离式光扩散元件；103-液晶面板；104-反射导光元件；105-准直元件；106-弥散元件；100-图像源；200-透反装置；300-第一观察区域；301-第二观察区域；400-第一虚像；401-第二虚像；1031-液晶层；1032-第一偏振控制元件；1033-第二偏振控制元件；1021-光线定向层；1022-光线扩散层；1041-中空壳体；1042-中空壳体出光开口；1043-中空壳体端部开口；1044-实心透明体；1045-实心透明体出光面；1046-实心透明体端部。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型实施例作更进一步的说明。
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
需要说明的是，为了描述上的简洁和直观，下文通过描述若干代表性的实施方式来对本实用新型的方案进行阐述。实施方式中大量的细节仅用于帮助理解本实用新型的方案。但是很明显，本实用新型的技术方案实现时可以不局限于这些细节。为了避免不必要地模糊了本实用新型的方案，一些实施方式没有进行细致地描述，而是仅给出了框架。下文中，“包括”是指“包括但不限于”，“根据……”是指“至少根据……，但不限于仅根据……”。“第一”、“第二”等仅用于对特征的指代，而并不意图对该特征进行任何限制、例如顺序上的限制。由于汉语的语言习惯，下文中没有特别指出一个成分的数量时，意味着该成分可以是一个也可以是多个，或可理解为至少一个。
本实施例提供一种显示***，参见图1所示，包括：光源101，光源101发出光线；分离式光扩散元件102，分离式光扩散元件102将光源101发出的光线扩散成至少两个不同方向的光束，每个所述光束包括预设形状的截面；液晶面板103，液晶面板103将所述入射至液晶面板的光线103转化为图像光线并出射图像光线；透反装置200，图像光线在透反装置200上反射，反射光线射向至少两个不同的观察区域；至少两个不同方向的光束与所述观察区域一一对应，至少两个光束在观察区域的截面相互分离；外部环境光线经透反装置200透射至至少两个不同的观察区域，外部环境与观察区域分别位于透反装置200分隔的两侧空间中的一侧。
本实施例中，光源101可以为点光源、线光源或面光源，光源101的数量可以为一个或多个，对此不做限制；设置分离式光扩散元件102，将光源101发出的光线扩散为至少两个不同方向的光束，并且每个光束包括预设形状的截面，从而对光线的传播方向和扩散状态均进行改变；具体的，截面是指沿光束传播的主光轴的截面，预设形状包括但不限于线形、三角形、矩形、正方形、圆形、椭圆形、梯形或平行四边形。本实施例中，分离式光扩散元件102扩散的光源101发出的光线，包括直接由光源101发出的光线或间接由光源101发出的光线，其中直接由光源101发出的光线具体是指由光源101发出、且未经过其他元件的光线；间接由光源101发出的光线，具体是指由光源101发出、经过了其他元件再出射至分离式光扩散元件102的光线。如图1所示，对于分离式光扩散元件102而言，光源101发出的光线直接到达分离式光扩散元件102，因此在图1对应的实施例中，分离式光扩散元件102是将光源101直接发出的光线扩散并形成至少两个不同方向的光束。图1中以光源101发出的光线经过分离式光扩散元件102后扩散出两个光束为例进行说明，图中的CRA和CRB代表扩散后形成的两个光束各自的主光轴(Chief Ray)，主光轴具体是指光束能量分布的中心，指向光束光强最大的方向；主光轴方向具体也可以是光束光强分布对称轴的方向，一般为光束的中心轴方向；主光轴的方向代表了光束光线传播的主要方向，主光轴方向和接近主光轴方向的光线的光强大于其他方向光线的光强，也即可以用光束的主光轴代表光束光线整体的传播和方向变化情况。
如图1所示，分离式光扩散元件102扩散的两个光束再经过液晶面板103，液晶面板103将光束光线转化为图像光线并出射图像光线。本领域技术人员可以理解，光线经过液晶面板后会在液晶面板表面形成图像，也即液晶面板出射的光线是包括图像信息的图像光线。因液晶面板几乎不改变光束的主光轴方向，因此两个光束经过液晶面板103形成的图像光线也包括朝向两个方向的图像光线光束，且两个图像光线光束的主光轴仍为CRA和CRB；两个图像光线光束再在透反装置200上反射，反射光线射向第一观察区域300和第二观察区域301两个不同观察区域，即两个不同方向的光束与观察区域一一对应，且两个光束在观察区域的截面相互分离，使得眼睛位于第一观察区域300和第二观察区域301处的观察者可以看到各自对应的第一虚像400和第二虚像401，第一虚像400和第二虚像401是两个不同的图像光线光束经透反装置200后以反射成像形式所成的虚像；同时，外部环境的光线经过透反装置200透射至第一观察区域300和第二观察区域301，外部环境与观察区域分别位于透反装置200分割的两侧空间的一侧。具体的，透反装置200可以为交通工具的挡风玻璃，外部环境可以为交通工具挡风玻璃外侧的环境，观察区域可以为交通工具挡风玻璃内侧的观察者，如乘客或驾驶员的观察区域，驾驶员和乘客就都可以看到HUD的图像，实现多角度观看，同时还可观察到交通工具外部的情况，不影响正常驾驶。具体的，第一观察区域300和第二观察区域301可分别对应设置为乘客和驾驶员的眼盒区域(eyebox)；眼盒区域是指观察者双眼所在的、可以看到HUD图像的区域。此时，只需要上述两个光束分别覆盖驾驶员和乘客的眼盒区域即可，驾驶员和乘客的眼盒区域不重合，两个光束在眼盒区域的截面也分离不重合；优选地，两个光束在第一观察区域300和第二观察区域301处截面的形状与眼盒区域的形状相同，光束的截面尺寸与驾驶员和乘客的眼盒区域接近，恰好覆盖眼盒范围，可以进一步提高光效。本实施例中，第一观察区域300和第二观察区域301均具有一定的尺寸，即使观察者双眼相对于观察区域的中心偏离一定距离，如上下、左右移动一定距离，只要观察者双眼仍处于观察区域内，观察者仍然可以看到HUD的图像。
或者，如图2所示，光源101发出的光线首先经过液晶面板103，形成图像光线；图像光线再经过分离式光扩散元件102并扩散为两个不同方向的光束。对于分离式光扩散元件102而言，光源101发出的光线首先经过了液晶面板103，再到达光扩散元件102，因此图2对应的实施例中，分离式光扩散元件102是将光源101间接发出的光线扩散并形成至少两个不同方向的光束，图像光线可以认为是光源101间接发出的光线；两个不同的光束再经透反装置200反射至不同的第一观察区域300及第二观察区域301的过程与上述过程类似，此处不再赘述。
本领域技术人员应当理解，图1及图2为本实施例抬头显示***应用于交通工具的示意图，图中x方向代表交通工具的行进方向。可以理解，两个不同的观察区域，第一观察区域300和第二观察区域301可以分布在竖直方向(即垂直于交通工具所在xy平面的z方向)，也可以分布在水平方向(即交通工具所在xy平面的y方向)；优选地，第一观察区域300和第二观察区域301分布在水平方向，分别对应为驾驶员和乘客的眼盒区域。图1及图2对应的实施例中，分离式光扩散元件102还可以扩散出更多的光束，对应更多的观察区域，实现过程与上述过程类似，本实施例不再列举及赘述。
图3示出了本实施例抬头显示***另一个视角的原理示意图，为方便解释说明，本实用新型实施例中抬头显示***去除透反装置200外的其他部件可以组成图像源100，图像源100出射图像光线，利用图像源100代替光源101、分离式光扩散元件102和液晶面板103等进行解释说明。图3中选取图像源100的一个较小的显示区域1001为例进行示意，图中的实线箭头代表显示区域1001不同像素点出射的两个光束的主光轴CRA和CRB，不同像素点出射的两个光束分别沿CRA及CRB的主光轴方向出射至透反装置200并发生反射，反射光线分别射向第一观察区域300及第二观察区域301，不同的观察者双眼位于第一观察区域300及第二观察区域301分别可以看到各自对应的第一虚像400和第二虚像401，第一虚像400和第二虚线401形成在透反装置200的外侧。为方便说明，本实用新型实施例及说明书附图中以透反装置为平面进行示意，在实际应用中，透反装置200可以是具有带弧度的曲面面形，如挡风玻璃，其反射成像原理与上述过程类似，此处不做赘述。本领域技术人员应当理解，曲面的透反装置200在不同的位置观察，虚像的位置是不固定的，因此当透反装置200为带有弧度的挡风玻璃或成像窗时，本实施例中的虚像是指从各个观察区域处观察时所看到的虚像，即虚像的位置为不同观察者从各自观察区域处观察时的虚像位置。
本实施例所述的抬头显示***安装在车辆等交通工具上时，本实施例中的透反装置200可以是车辆的挡风玻璃，或者是贴在挡风玻璃上的透反膜，或者是透明材质，包括透明树脂、高分子透明材料或玻璃形成的成像窗，如组合式抬头显示***(Combiner-HUD，C-HUD)的成像窗；不同的观察区域对应为交通工具内不同观察者的眼盒区域，如驾驶员和乘客的眼盒区域。驾驶员或乘客不仅可以观察到经反射形成的虚像，车辆外部的光线也可以透过透反装置200并到达驾驶员或乘客各自的观察区域，也可以正常观看车辆外部的景象。本实施例中的图像源100可以设置在车辆的挡风玻璃下方、控制台的表面，进一步地，图像源100可以大面积设置，出射的光线经透反装置200反射后可形成大尺寸的图像，进一步提升抬头显示***的使用体验。
本实施例中，通过分离式光扩散元件102将光源101发出的光线扩散成至少两个不同方向的光束，并通过液晶面板将光线转化为图像光线，图像光线在透反装置200上发生反射形成图像，反射光线射向至少两个不同的观察区域，使得不同的观察者如驾驶员和乘客都可以看到HUD的图像，实现了多角度观察，提高了HUD使用的便利性，提升了HUD的使用体验。
在本实用新型上述实施例的基础上，至少两个观察区域包括对应交通工具驾驶员的观察区域和对应乘客的观察区域，如图1-图3所示，至少两个观察区域包括对应驾驶员眼盒区域的第二观察区域301和对应副驾驶乘客眼盒区域的第一观察区域300；或者，至少两个观察区域包括对应交通工具内任意至少两个乘客眼盒区域的观察区域，如包括分别对应副驾驶乘客眼盒区域的观察区域和后排乘客眼盒区域的观察区域，或包括分别对应后排多个乘客各自眼盒区域的观察区域，可分别针对交通工具内的不同乘客设置与其对应的观察区域，进一步提升HUD的使用体验和便利性。
在本实用新型上述实施例的基础上，光源101具体包括一个或多个电致发光元件，电致发光元件通过电场激发产生光线，包括但不限于发光二极管(Light Emitting Diode,LED)、有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode,OLED)、迷你发光二极管(MiniLED)、微发光二极管(Micro LED)、冷阴极荧光灯管(Cold Cathode Fluorescent Lamp，CCFL)、LED冷光源(Cold LED Light，CLL)、电激发光(Electro Luminescent，EL)、电子发射(Field Emission Display，FED)或量子点光源(Quantum Dot,QD)等。
在本实用新型上述实施例的基础上，液晶面板103包括第一偏振控制元件1032、液晶层1031和第二偏振控制元件1033；第一偏振控制元件1032透射第一偏振特性的光线，第二偏振控制元件1033透射第二偏振特性的光线；第一偏振特性的光线与第二偏振特性的光线偏振方向正交。具体的，液晶层包括扭曲向列型(Twisted Nematic,TN)液晶、高扭曲向列型(High Twisted Nematic,HTN)液晶、超扭曲向列型(Super Twisted Nematic,STN)液晶、格式化超扭曲向列型(Formated Super Twisted Nematic,FSTN)液晶或蓝相液晶等；图4为液晶面板103的结构示意图，第二偏振控制元件1033朝向光源101。第一偏振特性的光线与第二偏振状态的光线的偏振方向正交，偏振状态具体可以包括线偏振、椭圆偏振、圆偏振等；具体的，第一偏振特性的光线为水平线性偏振光，第二偏振特性的光线为垂直线性偏振光；或第一偏振特性的光线为垂直线性偏振光，第二偏振特性的光线为水平线性偏振光；或第一偏振特性的光线为左旋圆偏振光，第二偏振特性的光线为右旋圆偏振光；或第一偏振特性的光线为右旋圆偏振光，第二偏振特性的光线为左旋圆偏振光；或第一偏振特性的光线为左旋椭圆偏振光，第二偏振特性的光线为右旋椭圆偏振光；或第一偏振特性的光线为右旋椭圆偏振光，第二偏振特性的光线为左旋椭圆偏振光，通过设置第一偏振控制元件1032、液晶层1031和第二偏振控制元件1033将光线转化为图像光线，不同区域的观察者就可以看到图像。
在本实用新型上述实施例的基础上，分离式光扩散元件102包括光线定向层1021和光线扩散层1022，光线定向层1021将光源101发出的光线沿至少两个不同方向出射；光线扩散层1022将沿至少两个不同方向出射的光线扩散为至少两个光束，光线扩散层1022设置在光线定向层1021远离所述光源的一侧，光源101直接或间接发出的光线首先经过光线定向层1021，光线沿至少两个不同方向出射，再经过光线扩散层1022扩散为至少两个不同方向的光束，如图5所示。
具体的，光线定向层1021包括多个微棱镜结构，微棱镜的材料为折射率大于1的透明材质，包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate,PMMA)、聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)或玻璃等。如图6a、6b所示，微棱镜结构包括截面为三角形的三棱镜结构，通过微棱镜对光线的折射作用将光线射向至少两个不同的方向；光线扩散层包括可将光线扩散为包括预设形状截面光束的元件，如衍射光学元件(Diffractive OpticalElements,DOE)，通过控制衍射光学元件的微结构，能够使光线扩散为包括预设形状截面的光束，预设形状包括但不限于线形、三角形、矩形、正方形、圆形、椭圆形、梯形或平行四边形；扩散后的每个光束在水平和垂直方向的弥散角也可精确控制，扩散角具体可为5°～30°，弥散角越大，光线分散程度越高，最终成像亮度越低，反之亦然；弥散角具体是指偏离主光轴角度最大的两条光线之间的夹角。具体的，衍射光学元件包括光束整形元件(BeamShaper)。
可选的，至少两个光束的截面预设形状可以相同，也可以不同，如图5中分离式光扩散元件将光线扩散为两个矩形截面形状的光束，也可以将光线扩散为一束截面预设形状为矩形的光束、一束截面预设形状为圆形的光束；至少两个光束的扩散角也可以相同或不同，最终观察区域内的光线强度相同或不同，最终看到的图像亮度可以相同或不同。
图7a示出了光源101直接或间接发出的光线由光线定向层1021入射的光路示意图，图中以光线分离为两个光束为例进行解释说明。光线首先入射至光线定向层1021的微棱镜结构，因为微棱镜结构的折射作用，两个出射光束的主光轴CRA和CRB折射向两个不同的方向，具体是通过调整微棱镜结构的折射率和微棱镜结构的角度来实现，较小的微棱镜角度(棱镜角度指棱镜内角)或较大的折射率都将导致较大的光线折射角，当光线折射角大于某一临界值时，出射光束的主光轴CRA和CRB指向不同的方向；具体的，微棱镜结构的折射率在1.45至1.6的范围内。图6b则示出了光源101直接或间接发出的光线由光线扩散层1022入射时的光路示意图，可以看出，入射角度较小、较接近垂直方向的光线到达光线定向层1021出射时，因光线定向层1021相对于空气为光密介质，光线出射时会全反射，经过两次全反射后又会射回光线入射的一侧，光线不会出射；入射角度较大的光线则折射出光线定向层，出射光束的主光轴CRA的折射角度较小，主光轴出射至一个方向，不会出射至少两个方向，光源101直接或间接发出的光线从光线扩散层1022入射时，只有大角度光线才可出射并形成单个光束。也即，光线扩散层1022设置在光线定向层1021远离所述光源的一侧，分离式光扩散元件102有微棱镜结构的一面朝向光源101，光源101直接或间接发出的光线经过分离式光扩散元件后，才会扩散成至少两个不同方向、包括预设形状截面的光束。
可选的，如图8、图9所示，微棱镜结构还包括成对设置的截面为直角三角形的棱镜结构及截面为直角梯形的棱镜结构，实现光线定向出射的原理与三棱镜结构类似，此处不再赘述。优选的，微棱镜结构的高度为50μm-200μm，微棱镜结构的底边长度为50μm-300μm，相邻微棱镜结构之间的夹角角度为60-120°。
在本实用新型上述实施例的基础上，因光源101发出的光线具有一定的分散角度，分散角度较大的光线难以被利用成像，抬头显示***还包括：反射导光元件104，反射导光元件104设置在光源101的出光方向上，反射导光元件104的内反射面朝向光源101且形成允许光线通过的传输通道，光源101发出的光线经反射导光元件104的传输通道传输至液晶面板103。具体的，反射导光元件104包括带内反射面的中空壳体或带内反射面的实心透明体；如图10所示，反射导光元件104设置在光源101的出光方向上，内反射面朝向光源101，光源101发出的部分光线在反射导光元件104的传输通道中传输出射，另一部分出射角度较大的光线则在反射导光元件104的内反射面上发生反射并传输出射；经反射导光元件传输的光线传输至液晶面板103，具体可以是光线直接传输至液晶面板103，如图10所示；也可以是间接传输至液晶面板103，光线可先经过分离式光扩散元件102后再传输至液晶面板103，均可视为光源101发出的光线经反射导光元件104的传输通道传输至液晶面板。通过设置反射导光元件104，光源101发出的大角度、难以传输至液晶面板103的光线在反射导光元件104的内反射面发生反射，反射后光线的角度改变并向中心聚拢，可提高光源101发出光线的利用率，提高了抬头显示***的光效。
具体的，反射导光元件104包括设有内反射面的中空壳体1041，中空壳体1041包括出光开口1042和远离所述出光开口的端部开口1043，端部开口1043的尺寸小于出光开口1042的尺寸；中空壳体1041的内反射面包括镀铝、镀银、镀其他金属或镀介质膜形成的内反射面，光线可在内反射面上发生镜面反射。中空壳体1041的内反射面具体可以包括抛物面形状、四棱台形状或自由曲面形状中的至少一种形状，端部开口1043的形状包括矩形、梯形、平行四边形或正方形中的至少一种形状；出光开口1042的形状包括矩形、梯形、平行四边形或正方形中的至少一种形状。参见图11a所示，中空壳体1041包括矩形形状的出光开口1042和梯形形状的端部开口1043，出光开口1042的尺寸小于端部开口；图11b示出了另一种内反射面为四棱台形状的中空壳体1041，包括矩形形状的出光开口1042和矩形形状的端部开口1043。可以理解，中空壳体1041的形状可以与内反射面的形状不同，只要内反射面为上述可以使光线反射的形状即可；本实用新型实施例中为方便说明，中空壳体1041与内反射面的形状一致。
进一步地，中空壳体1041的出光开口1042朝向液晶面板103，中空壳体1041的端部开口1043设置光源101，可选的，中空壳体1041的端部开口1043可设置一个或多个光源101，如图11a、图11b和图12所示；光源101发出的光线经中空壳体1041的传输通道传输并在内反射面上反射，传输至液晶面板103，图13示意性的给出了光源101发出的光线经过四棱台形状的中空壳体1041的传输示意图，中空壳体1041的出光开口1042朝向液晶面板103，光源101发出的部分光线在中空壳体1041的传输通道中传输出射，另一部分光线则在中空壳体1041的内反射面上发生反射并传输出射；经中空壳体1041传输的光线传输至液晶面板103，具体可以是光线直接传输至液晶面板103，如图13所示；也可以是间接传输至液晶面板103，光线可先经过分离式光扩散元件102后再传输至液晶面板103，均可视为光源101发出的光线经中空壳体1041的传输通道传输至液晶面板103。通过设置中空壳体1041，光源101发出的大角度、难以到达液晶面板103的光线在中空壳体1041的内反射面发生反射，反射后光线的角度改变并向中心聚拢，可提高光源101发出光线的利用率，进而提高了抬头显示***的光效。
或者，本实用新型实施例中，反射导光元件104还可以包括实心透明体1044，实心透明体1044包括出光面1045和远离所述出光面的端部1046；实心透明体的折射率大于1。参见图14所示，实心透明体1044包括出光面1045和端部1046；实心透明体1044的内反射面包括曲面形状、自由曲面形状或圆锥面形状等。
进一步地，实心透明体1044的出光面1045朝向液晶面板103，光源101设置在实心透明体1044远离出光开口的端部1046，光源发出的光线经实心透明体1044的传输通道传输并在内反射面上全反射，光线传输至液晶面板103；光源101具体是设置在靠近端部1046的外侧，即光源101设置在空气中；图14示意性的给出了光源101发出的光线经过实心透明体1044的传输示意图，由于实心透明体1044的折射率大于1，而实心透明体1044的***介质一般为空气(折射率为1)，因此光源101发出的大角度光线在到达实心透明体1044的内表面时，光线从光密介质(即实心透明体)射向光疏介质(即空气)时，光线入射角达到预设角度就可发生全反射，也即实心透明体1044的内反射面具体是指实心透明体1044的内表面；实心透明体1044的出光面1045朝向液晶面板103，光源101发出的部分光线在实心透明体1044的传输通道中传输出射，另一部分光线则在实心透明体1044的内反射面上发生全反射并传输出射；经实心透明体1044传输的光线传输至液晶面板103，具体可以是光线直接传输至液晶面板103，如图14所示；也可以是间接传输至液晶面板103，光线可先经过分离式光扩散元件102后再传输至液晶面板103，均可视为光源101发出的光线经实心透明体1044的传输通道传输至液晶面板103。通过设置实心透明体1044，光源101发出的大角度、难以到达液晶面板103的光线在实心透明体1044的内表面发生反射，反射后光线的角度改变并向中心聚拢，可提高光源101发出光线的利用率，进而提高了抬头显示***的光效。
更进一步地，实心透明体1044外部还可设置高反射率涂层。具体的，光源101发出的部分大角度光线满足全反射条件，会发生全反射进而传输至液晶面板103，其余不满足全反射角度的光线进一步在高反射率涂层上发生镜面反射并传输至液晶面板103，可进一步对光源101发出的光线进行高效利用。
本实用新型实施例中，通过设置反射导光元件104，光源101发出的大角度、难以到达液晶面板103的光线在反射导光元件104的内反射面发生反射，反射后光线的角度改变并向中心聚拢，可提高抬头显示***对光源101发出光线的利用率，进而提高了抬头显示***的光效。
在本实用新型上述实施例的基础上，抬头显示***还包括准直元件105。具体的，准直元件105设置在所光源101与液晶面板103之间，准直元件105将光源101发出的光线调整为平行光线。参见图15所示，准直元件105设置在光源101与液晶面板103之间，光源101发出的光线经过准直元件105后会调整为平行或近乎平行的光线，可选的，准直元件105可为准直透镜或准直膜，图15中以准直透镜进行解释示意。准直透镜包括凸透镜、菲涅尔透镜、透镜组合(例如凸透镜与凹透镜的组合，菲涅尔透镜与凹透镜的组合等)中的一种或多种。具体的，准直元件105可以为凸透镜，则光源101可以设置在凸透镜的焦距处，即凸透镜与光源位置之间的距离为凸透镜的焦距，以使得光源101发出的不同方向的光线经准直元件105后可以平行射出。或者，准直元件105可以为准直膜，比如BEF膜(Brightness EnhancementFilm)，用于将光线的出射方向调整至预设角度范围内，例如将光线聚集在准直膜法线的±35°的角度范围内。准直元件105可以覆盖光源101发出的所有光线，也可以覆盖光源101发出的部分光线，本实施例对此不做限定。
本实施例中，通过设置准直元件105对光源101发出的光线进行准直，准直后的平行光线传输至液晶面板103时，光线发散角很小，光线一致性较好，光线高效入射到液晶面板103，从而可以提高液晶面板103对图像光线的转化效率，进而提高了抬头显示***的光效。
在本实用新型上述实施例的基础上，准直元件105具体可为准直透镜，准直元件105设置在中空壳体1041的内部，且准直元件105的尺寸小于中空壳体104的出光开口尺寸；准直元件105将中空壳体1041内传输的光线调整准直后发射至液晶面板103。具体的，如图16所示，准直元件105设置在中空壳体1041的内部，且准直元件的尺寸小于中空壳体1041的开口大小，准直元件105将在中空壳体1041内传输的部分光线进行准直后发射液晶面板103，部分光线具体是光源101发出的角度较小的中心光线经过准直元件105后会转变为平行或近乎平行的光线。准直元件105将光源101发出的部分光线进行准直，该部分光线的出射角度较小；而光源101发出的出射角度较大的光线通过中空壳体1041的内反射面反射并聚拢，从而结合准直元件101和中空壳体1041可以更加有效地对光源101发出的光线进行聚拢和准直，进一步提高光线利用率。
或者，准直元件105还可以设置在实心透明体1044的出光面上，如图17a及图17b所示。光源101发出的大角度光线射向实心透明体1044的内表面，满足全反射角度条件的光线在内表面上发生全反射，准直元件105将实心透明体1044内传输的光线及在内表面上全反射的光线调整为平行光线或近乎平行的光线；可选的，实心透明体1044和准直元件105之间可以保持一定的距离，也可以全贴合，如图17a所示，也可以一体成型，如图17b所示；结合准直元件105和实心透明体1044可以更加有效地对光源101发出的光线进行聚拢和准直，进一步提高光线利用率。
同时，在本实施例一个优选的实施方式中，实心透明体1044设置光源101的端部1046设有空腔，准直元件105设置在空腔靠近出光面1045的一面，准直元件105将实心透明体1044内传输的光线调整准直后发射至液晶面板103。具体的，如图18所示，光源101设置在空腔内，准直元件105设置在实心透明体的中间位置，且准直元件105的尺寸小于实心透明体1044的出光面尺寸；准直元件105将实心透明体1044内的光源101发出的部分光线进行准直后发射至液晶面板103；其他出射角度较大的光线在实心透明体1044内发生全反射后再准直出射；可选的，准直元件105为准直透镜，光源101设置在准直透镜的焦点处，准直透镜可采取与实心透明体相同的材质，便于一体集成。
或者，如图19所示，实心透明体1044设置光源101的端部1046设有空腔，实心透明体1044的出光面设有开槽，准直元件105设置在开槽的底面，准直元件105将实心透明体1044内传输的光线调整准直后发射至液晶面板103。具体的，光源101设置在空腔内，实心透明体1044在靠近出光面的端部的中间位置设有开槽，准直元件105设置在开槽的底面；准直元件105将实心透明体1044内的光源101发出的部分光线进行准直后发射至液晶面板103；其他出射角度较大的光线在实心透明体1044内发生全反射后再准直出射；可选的，准直元件105为准直透镜，光源101设置在准直透镜的焦点处，准直透镜可采取与实心透明体相同的材质，便于一体集成。
本实施例中，通过结合准直元件101和反射导光元件104，可以更加有效地对光源101发出的光线进行聚拢和准直，进一步提高光线利用率，进而提升抬头***的画面亮度和降低功耗。
在本实用新型上述实施例的基础上，抬头显示***还包括弥散元件106，弥散元件106将光源101发出的光线扩散；弥散元件101与分离式光扩散元件102层叠设置，且弥散元件106与分离式光扩散元件102之间间隔预设距离。具体的，弥散元件106可以对光源101直接或间接发出的光线进行弥散，能够进一步均匀光线，使得液晶面板103的成像亮度比较均匀。弥散元件106具体是将光线扩散为单个光束，弥散元件106具体可以是衍射光学元件(Diffractive Optical Elements,DOE)，例如光束整形片(Beam Shaper)等，衍射光学元件的具体结构可参见上述分离式光扩散元件的相关描述，此处不做赘述。或者，弥散元件106可以是散射光学元件，如匀光片、扩散片等，主要通过散射作用将光线扩散。
同时，为了保证弥散元件106可以起到相应作用，弥散元件106和分离式光扩散元件102之间间隔有预设距离，该预设距离具体可以为40～50mm。此外，本实施例中的弥散元件106和分离式光扩散元件102可以均设置在液晶面板103的两侧，如图20a、图20b所示；弥散元件106和分离式光扩散元件102也可以均设置在液晶面板103的同一侧，如图21a、图21b、图21c和图21d所示。
本实施例中，通过间隔设置的弥散元件和分离式光扩散元件，在对光线起到定向扩散的同时，还可以进一步均匀光线亮度，保证抬头显示***的成像亮度均匀。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (24)

1.一种抬头显示***，其特征在于，包括：
光源，所述光源发出光线；
分离式光扩散元件，所述分离式光扩散元件将所述光源发出的光线扩散成至少两个不同方向的光束，每个所述光束包括预设形状的截面；
液晶面板，所述液晶面板将入射至所述液晶面板的光线转化为图像光线并出射所述图像光线；
透反装置，所述图像光线在所述透反装置上反射，反射光线射向至少两个不同的观察区域；
所述至少两个不同方向的光束与所述观察区域一一对应，所述至少两个光束在观察区域的截面相互分离；
外部环境光线经所述透反装置透射至所述至少两个不同的观察区域，所述外部环境与所述观察区域分别位于所述透反装置分隔的两侧空间中的一侧。
2.根据权利要求1所述的抬头显示***，其特征在于，所述至少两个观察区域包括对应交通工具驾驶员的观察区域和对应乘客的观察区域。
3.根据权利要求1所述的抬头显示***，其特征在于，所述至少两个观察区域对应交通工具内任意至少两个乘客的观察区域。
4.根据权利要求1所述的抬头显示***，其特征在于，所述液晶面板包括第一偏振控制元件、液晶层和第二偏振控制元件；
所述第一偏振控制元件透射第一偏振特性的光线，所述第二偏振控制元件透射第二偏振特性的光线；所述第一偏振特性的光线与所述第二偏振特性的光线偏振方向正交。
5.根据权利要求1所述的抬头显示***，其特征在于，所述光源包括一个或多个电致发光元件。
6.根据权利要求1所述的抬头显示***，其特征在于，所述分离式光扩散元件包括光线定向层和光线扩散层；
所述光线定向层将所述光源发出的光线沿至少两个不同方向出射；
所述光线扩散层将所述沿至少两个不同方向出射的光线扩散为至少两个光束；
所述光线扩散层设置在所述光线定向层远离所述光源的一侧。
7.根据权利要求6所述的抬头显示***，其特征在于，所述光线定向层包括多个微棱镜结构。
8.根据权利要求1所述的抬头显示***，其特征在于，所述抬头显示***还包括：反射导光元件；
所述反射导光元件设置在所述光源的出光方向上；所述反射导光元件的内反射面朝向所述光源且形成允许光线通过的传输通道；
所述光源发出的光线经所述反射导光元件的传输通道传输至所述液晶面板。
9.根据权利要求8所述的抬头显示***，其特征在于，所述反射导光元件包括设有内反射面的中空壳体；
所述中空壳体包括出光开口和远离所述出光开口的端部开口；
所述端部开口的尺寸小于所述出光开口的尺寸。
10.根据权利要求9所述的抬头显示***，其特征在于，所述中空壳体的出光开口朝向所述液晶面板；
所述中空壳体的端部开口设置所述光源；
所述光源发出的光线经所述中空壳体的传输通道传输并在所述内反射面上反射，传输至所述液晶面板。
11.根据权利要求10所述的抬头显示***，其特征在于，所述中空壳体的内反射面包括抛物面形状、四棱台形状或自由曲面形状中的至少一种形状。
12.根据权利要求11所述的抬头显示***，其特征在于，所述中空壳体的内反射面为四棱台形状；
所述端部开口的形状包括矩形、梯形、平行四边形或正方形中的至少一种形状；
所述出光开口的形状包括矩形、梯形、平行四边形或正方形中的至少一种形状。
13.根据权利要求8所述的抬头显示***，其特征在于，所述反射导光元件包括实心透明体；
所述实心透明体包括出光面和远离所述出光面的端部；
所述实心透明体的折射率大于1。
14.根据权利要求13所述的抬头显示***，其特征在于，所述实心透明体的出光面朝向所述液晶面板；
所述光源设置在所述实心透明体远离出光开口的端部；
所述光源发出的光线经所述实心透明体的传输通道传输并在所述内反射面上全反射，传输至所述液晶面板。
15.根据权利要求9-12任一项所述的抬头显示***，其特征在于，所述抬头显示***还包括：准直元件；
所述准直元件设置在所述光源与所述液晶面板之间；
所述准直元件将所述光源发出的光线调整为平行光线。
16.根据权利要求15所述的抬头显示***，其特征在于，所述准直元件包括准直透镜或准直膜中的至少一种。
17.根据权利要求16所述的抬头显示***，其特征在于，所述准直元件设置在所述中空壳体的内部，且所述准直元件的尺寸小于所述中空壳体的出光开口尺寸；
所述准直元件将所述中空壳体内传输的光线调整准直后发射至所述液晶面板。
18.根据权利要求13-14任一项所述的抬头显示***，其特征在于，所述抬头显示***还包括：准直元件；
所述准直元件设置在所述光源与所述液晶面板之间；
所述准直元件将所述光源发出的光线调整为平行光线。
19.根据权利要求18所述的抬头显示***，其特征在于，所述准直元件包括准直透镜或准直膜中的至少一种。
20.根据权利要求19所述的抬头显示***，其特征在于，所述准直元件设置在所述实心透明体的出光面上。
21.根据权利要求19所述的抬头显示***，其特征在于，所述实心透明体设置所述光源的端部设有空腔，所述准直元件设置在所述空腔靠近所述出光面的一面；
所述准直元件将所述实心透明体内传输的光线调整准直后发射至所述液晶面板。
22.根据权利要求19所述的抬头显示***，其特征在于，所述实心透明体设置所述光源的端部设有空腔，所述实心透明体的出光面设有开槽，所述准直元件设置在所述开槽的底面；
所述准直元件将所述实心透明体内传输的光线调整准直后发射至所述液晶面板。
23.根据权利要求1所述的抬头显示***，其特征在于，所述抬头显示***还包括：弥散元件；
所述弥散元件将所述光源发出的光线扩散；
所述弥散元件与所述分离式光扩散元件层叠设置，且所述弥散元件与所述分离式光扩散元件之间间隔预设距离。
24.根据权利要求23所述的抬头显示***，其特征在于，所述弥散元件为衍射光学元件或散射光学元件。
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