专利名称：多信息显示的车用抬头显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及汽车安全技术领域，特别是一种多信息显示的车用抬头显示装置。
背景技术：
车用抬头显示(Head Up Display :HUD)就是利用玻璃成像，将驾驶员所需的主要信息以图标或文字的方式投射在其视野前方，使得驾驶员可以同时关注驾驶环境和相关的行驶数据，避免驾驶员的视线偏移而导致的注意力分散，增加了行车的安全性。如图I所示，目前普通的HUD产品I在结构上一般采用简单的以前挡风玻璃2为 反射面的一次反射结构，虽然该结构避免了相对复杂的光学系统设计，但投射信息的成像位置11不足以满足其所应当具有的人因学特性，已有的研究结果表明，将信息的虚像位置投射在驾驶员眼点前方2米左右位置是最合适的，因为这是驾驶员驾驶过程中的主要视觉注意带(Primary Visual Attention Lobe, PVAL),从车辆安全和人机学的观点来看,减少驾驶员视觉焦距的切换和视线偏离造成分心的办法，是将显示信息与PVAL区域发生重叠。目前的HUD产品在显示内容上主要以车速、发动机转速等实时车辆行车信息为主，显示功能较为单一。随着人们对汽车安全、舒适性的需求日益增加，通过HUD系统向驾驶员提供诸如报警信息、导航信息等内容将使得驾驶的过程更加安全和方便，但这样就需要更加复杂的显示和成像设计，目前普通的HUD产品无法达到在满足视觉人因学条件下显示多种信息的需求。此外，现有的HUD产品无法根据外界环境的明亮程度调整显示图像的亮度、提高驾驶过程的安全性和舒适感。
发明内容
为了克服现有HUD产品存在的投射信息的成像位置没有位于驾驶员主要视觉注意带(PVAL区域)，无法满足人因学特性，使驾驶员视线偏离造成分心，且显示功能比较单一，不能根据外界环境光线的强弱调整显示图像的亮度等不足，本发明提供一种满足人因学特性使投射信息的成像位置位于驾驶员的主要视觉注意带(PVAL区域)且能够多信息显示的车用抬头显示装置。本发明采用的技术方案是多信息显示的车用抬头显示装置，包括用于显示信息的图像源屏幕、用于控制所述图像源屏幕的嵌入式控制器和控制按钮，所述控制按钮安装在汽车仪表盘的下方，其特征在于还包括反射镜组、图像修正透镜和增透膜，所述反射镜组包括一平面镜和一非平面反射镜；所述增透膜附着在汽车前挡风玻璃上，所述图像源屏幕固定设置在所述平面镜下方，所述非平面反射镜设置在所述平明镜的反射光路上，所述图像修正透镜设置在所述非平面反射镜的正上方。进一步，所述嵌入式控制器固定安装在所述图像源屏幕的正下方，且通过线束与所述图像源屏幕相连。
进一步，所述显示装置包括光敏传感器，所述光敏传感器设置在所述前挡风玻璃的下方，且与所述嵌入式控制器相连。进一步，所述显示装置包括扬声器，所述扬声器固定安装在汽车仪表盘的下方，且与所述嵌入式控制器相连。进一步，所述非平面反射镜可以是球面反射镜、抛物面反射镜或双曲面反射镜。进一步，所述平面镜与所述图像源屏幕呈45度角。进一步，所述非平面反射镜与所述图像源屏幕呈45度角。本发明所述的图像源屏幕主要用于显示更多的车载信息，除了车速、转速等基本信息之外，还可以用于显示设计好的报警信号、导航信号等常用信息；所述反射镜组主要用 于将图像源的图像进行放大和光程延长；所述图像修正透镜主要用于修正非平面反射镜产生的像差，保证投射到前挡风玻璃上的图像的可读性；所述增透膜的作用主要是用来解决图像过前挡风玻璃反射图像时，光线经过两次反射过程形成的重影现象，其主要通过提高内层表面的反射率，将大部分光在内层玻璃反射到驾驶员视野。所述嵌入式控制器主要用于图像源的显示内容控制以及图像源的亮度控制，同时也为和更高一级行车控制中心或实验模拟平台的连接奠定基础；所述光敏传感器主要用于测量当前外界环境的明亮程度以便嵌入式控制器调整图像源的亮度；所述扬声器主要用于提示驾驶员相关的报警信息和导航信息等行驶过程中的提示信息；所述控制按钮主要提供装置与驾驶员的交互，用于本装置的启动和关闭。本发明在对HUD光路进行设计时，涉及到对于非平面反射镜成像的计算和理解。主要依据非平面反射镜反射呈像的几何原理，在平面镜、非平面反射镜与显示图像源相对位置固定的情况下，通过几何作图的方法近似求出不同半径的非平面反射镜所成虚像的位置，从而确保虚像投射位置能够在驾驶员眼点前方2米左右的合适位置。本发明的工作过程驾驶员通过控制按钮开启本发明装置，系统首先读取车载总线上的车辆数据信息，通过嵌入式控制器选择将常规车载行驶信息界面通过图像源屏幕、平面镜、非平面反射镜、图像修正透镜和增透膜显示在驾驶员的视野前方，该行驶信息界面包含车速、发动机转速等，为设计好的图案，储存于嵌入式控制器内存中，驾驶员可以通过控制按钮来控制透射图像的亮度。当系统嵌入式控制器接收到车载总线上的报警信号，例如驾驶员未系安全带，则自动调取安全带未系警示图案通过上述同样的方式透射到驾驶员的视野前方，并伴随闪烁，且利用扬声器发出声音提示。当驾驶员系上安全带之后，该警示图案自动消失，驾驶员在该过程中同样可以通过控制按钮设置报警声的大小。当驾驶员通过控制按钮选择导航信息提示时，嵌入式控制器切换界面到导航界面，主要包括车辆将要行驶的方向和文字提示内容，系统在到达转弯处时将通过扬声器提供语音提示。系统工作过程中，嵌入式控制器会实时比较图像源屏幕的亮度和外界光线强弱的对比，如果光敏传感器检测到外界光线过强，而图像源屏幕亮度过暗时，或者光敏传感器检测到外界光线较暗，而图像源屏幕的亮度过亮时，嵌入式控制器都将对界面亮度进行适当的调整。
本发明的有益效果体现在I、系统设计符合人机工程学原理本装置的光路结构设计充分考虑了驾驶员在驾驶过程中的视觉特性，使得系统工作时能够更好的辅助驾驶员查看各种车载、报警和其他常用信息；在保证抬头显示基本功能的基础上，提高了驾驶过程的安全性和舒适性；2、提示界面的可设计性本装置的图像源采用薄膜场效应晶体管屏幕(Thin FilmTransistor, TFT屏幕)，其显示功能由一款典型的嵌入式处理芯片构成的嵌入式系统所控制，该嵌入式系统和车载总线进行实时通讯，在获取各种车载信息之后，可以通过设计不同的显示图案实现多种车辆信息的显示；基于同样原理，其还可以接收车载导航、雷达等零部件的信息，通过设计不同的图案来达到报警、交通信息提示等功能，扩展潜力巨大，全面提闻了 HUD的功能； 3、本发明装置进一步拓展了车用HUD的使用范围和功能，同业也提高了其安全性 和舒适性，结构简单可靠，可以适用于各种类型的车辆。
图I是现有HUD装置反射图。图2是本发明装置的硬件结构示意图。图3是本发明装置的工作流程示意图。
具体实施例方式实施例I参照图2和图3，多信息显示的车用抬头显示装置，包括用于显示信息的图像源屏幕31、用于控制所述图像源屏幕31的嵌入式控制器4和控制按钮42，所述控制按钮42安装在汽车仪表盘的下方，其特征在于还包括反射镜组、图像修正透镜34和增透膜21，所述反射镜组包括一平面镜32和一非平面反射镜33 ;所述增透膜21附着在汽车前挡风玻璃2上，所述图像源屏幕31固定设置在所述平面镜32下方，所述非平面反射镜33设置在所述平面镜32的反射光路上，所述图像修正透镜34设置在所述非平面反射镜33的正上方。进一步，所述嵌入式控制器4固定安装在所述图像源屏幕31的正下方，且通过线束与所述图像源屏幕31相连。进一步，所述显示装置包括光敏传感器41，所述光敏传感器41设置在所述前挡风玻璃2的下方，且与所述嵌入式控制器4相连。进一步，所述显示装置包括扬声器43，所述扬声器43固定安装在汽车仪表盘的下方，且与所述嵌入式控制器4相连。进一步，所述非平面反射镜33可以是球面反射镜、抛物面反射镜或双曲面反射镜。进一步，所述平面镜32与所述图像源屏幕31呈45度角。进一步，所述非平面反射镜33与所述图像源屏幕31呈45度角。本发明所述的图像源屏幕31主要用于显示更多的车载信息，除了车速、转速等基本信息之外，还可以用于显示设计好的报警信号、导航信号等常用信息；所述反射镜组主要用于将图像源的图像进行放大和光程延长；所述图像修正透镜34主要用于修正非平面反射镜33产生的像差，保证投射到前挡风玻璃2上的图像的可读性；所述增透膜21的作用主要是用来解决图像过前挡风玻璃2反射图像时，光线经过两次反射过程形成的重影现象，其主要通过提高内层表面的反射率，将大部分光在内层玻璃反射到驾驶员视野。所述嵌入式控制器4主要用于图像源的显示内容控制以及图像源的亮度控制，同时也为和更高一级行车控制中心或实验模拟平台的连接奠定基础；所述光敏传感器41主要用于测量当前外界环境的明亮程度以便嵌入式控制器41调整图像源的亮度；所述扬声器43主要用于提示驾驶员相关的报警信息和导航信息等行驶过程中的提示信息；所述控制按钮42主要提供装置与驾驶员的交互，用于本装置的启动和关闭。本发明在对HUD光路进行设计时，涉及到对于非平面反射镜33成像的计算和理解。主要依据非平面反射镜33反射呈像的几何原理，在平面镜32、非平面 反射镜33与显示图像源相对位置固定的情况下，通过几何作图的方法近似求出不同半径的非平面反射镜33所成虚像的位置，从而确保虚像投射位置能够在驾驶员眼点前方2米左右的合适位置。本发明的工作过程驾驶员通过控制按钮开启本发明装置，系统首先读取车载总线上的车辆数据信息，通过嵌入式控制器4选择将常规车载行驶信息界面通过图像源屏幕31、平面镜32、非平面反射镜33、图像修正透镜34和增透膜21显示在驾驶员的视野前方，该行驶信息界面包含车速、发动机转速等，为设计好的图案，储存于嵌入式控制器4内存中，驾驶员可以通过控制按钮42来控制透射图像的亮度。当系统嵌入式控制器4接收到车载总线上的报警信号，例如驾驶员未系安全带，则自动调取安全带未系警示图案通过上述同样的方式透射到驾驶员的视野前方，并伴随闪烁，且利用扬声器43发出声音提示。当驾驶员系上安全带之后，该警示图案自动消失，驾驶员在该过程中同样可以通过控制按钮42设置报警声的大小。当驾驶员通过控制按钮42选择导航信息提示时，嵌入式控制器4切换界面到导航界面，主要包括车辆将要行驶的方向和文字提示内容，系统在到达转弯处时将通过扬声器43提供语音提示。系统工作过程中，嵌入式控制器4会实时比较图像源屏幕31的亮度和外界光线强弱的对比，如果光敏传感器41检测到外界光线过强，而图像源屏幕亮度过暗时，或者光敏传感器41检测到外界光线较暗，而图像源屏幕31的亮度过亮时，嵌入式控制器4都将对界面亮度进行适当的调整。实施例2本实施例中，由于车内安装空间的限制，图像源屏幕31采用的是4. 3寸的TFT屏。图像源屏幕31的内容通过平面镜32反射到非平面反射镜33上，再由非平面反射镜33反射到附有增透膜21的前挡风玻璃2上，利用非平面反射镜33对图像内容进行放大和光程延长，并通过合理的光学元件设计，最终使得所成的虚像35位于驾驶员前方视线适当的位置，以符合驾驶员在驾驶时的视觉特性。本实施例中，非平面反射镜33采用凹面的抛物面镜的形式。这涉及到对凹面镜33的曲率半径、图像修正透镜34的光学特性的设计和选择。由于车内空间的限制，图像源屏幕31、平面镜32和凹面镜33之间的相对位置是固定的，针对这种固定的关系，利用光学设计软件Zemax对不同曲率半径的凹面镜33，不同曲率的图像修正透镜34进行了分析，例如当凹面镜33的曲率半径R=500mm时，经平面镜32反射后所呈的虚像35在凹面镜33光轴的投影接近焦点位置，呈像已无法近似为一平面，因此当人眼观察时很可能因为焦平面在同一界面内的变化过大而造成不适。最终经过仿真和计算，初步选定凹面镜33的曲率半径取800 1000。在本实施例中，取凹面镜33的曲率半径R=IOOO,此时以图像源屏幕31的短边为X轴方向，以垂直于图像源屏幕31的方向为y方向，则凹面镜33对于x-y平面内直线的放大作用约为I. 5倍，评价试验的结果证明该设置满足HUD的现实要求。在确定呈像的放大倍数后，结合美国机动车工程师学会(SAE)对驾驶座环境的设计标准，确定HUD系统的安装位置，以保证呈像位置的要求。本实施例中，图像源屏幕(TFT屏幕)31尺寸为106mm x68mm，综合对光学结构的分析和设计，平面镜32和凹面镜33的参数分别为平面镜尺寸106mm xlOOmm,凹面镜尺寸108mm x80mm，R=1000mm。
本实施例中，嵌入式控制器4采用基于CorteXTM-M3内核(最高72MHz工作频率)的控制芯片STM32F103VET6，其具有512K的储存器，带有FSMC接口，和SSD1963嵌入式控制器组合后可以控制大尺寸TFT屏幕，SSD1963嵌入式控制器可以支持显示864x480x24位的图片，同时具有对屏幕显示的背光亮度、对比度、饱和度的控制功能。STM32控制芯片还可以通过自带的CAN接口和车载的CAN总线进行数据传输，获取车辆当前的车速、发动机转速等信息。除了上述的功能之外，在嵌入式控制器4中还配备了语音芯片，采用了 TI公司生产的TLV320DAC3100芯片，该系列产品支持模拟与数字麦克风，同时也能够执行增强型音频功能，增加了语音芯片的作用主要是为了执行扩展的报警和导航信息提示功能等。在本实施例中，控制按钮42共有四种功能，第一，其可以控制HUD系统的开闭；第二，其可以用来调整图像源屏幕31的亮度；第三，其可以用来调整输出音频的音量高低，以便为驾驶员提供最佳的使用体验；第四，其可以切换HUD系统的信息显示内容。本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
权利要求
1.多信息显示的车用抬头显示装置，包括用于显示信息的图像源屏幕、用于控制所述图像源屏幕的嵌入式控制器和控制按钮，所述控制按钮安装在汽车仪表盘的下方，其特征在于还包括反射镜组、图像修正透镜和增透膜，所述反射镜组包括一平面镜和一非平面反射镜；所述增透膜附着在汽车前挡风玻璃上，所述图像源屏幕固定设置在所述平面镜下方，所述非平面反射镜设置在所述平面镜的反射光路上，所述图像修正透镜设置在所述非平面反射镜的正上方。
2.如权利要求I所述的多信息显示的车用抬头显示装置，其特征在于所述嵌入式控制器固定安装在所述图像源屏幕的正下方，且通过线束与所述图像源屏幕相连。
3.如权利要求I所述的多信息显示的车用抬头显示装置，其特征在于所述显示装置包括光敏传感器，所述光敏传感器设置在所述前挡风玻璃的下方，且与所述嵌入式控制器相连。
4.如权利要求I所述的多信息显示的车用抬头显示装置，其特征在于所述显示装置包括扬声器，所述扬声器固定安装在汽车仪表盘的下方，且与所述嵌入式控制器相连。
5.如权利要求I所述的多信息显示的车用抬头显示装置，其特征在于所述非平面反射镜可以是球面反射镜、抛物面反射镜或双曲面反射镜。
6.如权利要求3所述的多信息显示的车用抬头显示装置，其特征在于所述平面镜与所述图像源屏幕呈45度角。
7.如权利要求4所述的多信息显示的车用抬头显示装置，其特征在于所述非平面反射镜与所述图像源屏幕呈45度角。
全文摘要
本发明公开了一种多信息显示的车用抬头显示装置，包括用于显示信息的图像源屏幕、用于控制所述图像源屏幕的嵌入式控制器和控制按钮，所述控制按钮安装在汽车仪表盘的下方，还包括反射镜组、图像修正透镜和增透膜，所述反射镜组包括一平面镜和一非平面反射镜；所述增透膜附着在汽车前挡风玻璃上，所述图像源屏幕固定设置在所述平面镜下方，所述非平面反射镜设置在所述平面镜的反射光路上，所述图像修正透镜设置在所述非平面反射镜的正上方；所述嵌入式控制器固定安装在所述图像源屏幕的正下方，且通过线束与所述图像源屏幕相连；还包括包括光敏传感器和扬声器。本发明兼顾了视觉人机工程学特点，且能够显示多种信息。
文档编号G02B27/01GK102745084SQ201210229680
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月4日 优先权日2012年7月4日
发明者周也宁, 张伟, 成波, 李家文 申请人:浙江工业大学