基于汽车挡风玻璃的空间复用的抬头显示器成像光路结构的制作方法

1.本实用新型涉及基于汽车挡风玻璃的抬头显示器(hud)技术领域和无介质悬浮显示器技术领域，特别涉及一种基于汽车挡风玻璃的空间复用的抬头显示器成像光路结构(hud)或者无介质悬浮显示器(vpa)成像光路结构(以下称“基于挡风玻璃的显示器”)。


背景技术：

2.由于无介质悬浮显示器是新兴技术领域，下面结合hud行业现有技术状况进行介绍：
3.汽车抬头显示技术是当前国际国内正在大力发展的智能网联汽车的智能驾驶舱重要组成部分，通过前期宝马、奔驰等高端豪华品牌汽车上对于hud的应用推广，越来越多的车厂和用户认识到通过汽车的抬头显示技术对于安全驾驶的重要性，越来越多的车厂把抬头显示系统装配于自己的新车上，作为提升汽车安全的有效配置。
4.汽车抬头显示器(hud)行业目前存在一个行业痛点问题，即消费者希望hud的显示画面越大越好，而受制于目前传统hud所采用的几何光学原理限制，要获得更大的显示画面，需要一定的光程，必须在设计方案当中采用中继反射镜片，目前的中继反射镜片，由于要获得高反射率，需要在玻璃表面镀全反射膜，因而透过率很低，所以中继反射镜片必须布置在光路之外，额外占用一部分独立空间，因此整个hud产品的体积随之增大，然而汽车仪表台下的结构空间有限，更大的hud整机体积与汽车仪表台的钣金围板、前挡风玻璃用的空调除霜出风口、安装支架等容易产生干涉而布置不下。
5.目前，市面上的hud成像系统的设计，多采用“之”字形光路，如图1所示，采用传统方案的中继反射镜片是不透明的，必须与主光路分开的设置，额外占用一部分独立空间，这样整机占用空间比较大。
6.所以，开发一种更加紧凑形的把中继反射镜片放在光路中间的空间复用hud光路结构，就具有非常现实的意义。


技术实现要素：

7.本实用新型的主要目的在于提出一种空间复用的hud成像光路结构，旨在实现在相同画面大小的前提之下，通过光路空间复用技术，把中继反射镜片布置到凹面反射镜与挡风玻璃的主光路之中，减小hud整体体积，从而节省空间。
8.为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于汽车挡风玻璃的空间复用的抬头显示器成像光路结构，其特征在于，包括图像生成单元、第一中继反射镜片以及凹面反射镜，所述第一中继反射镜片位于成像光束在通过所述凹面反射镜和车辆挡风玻璃之间的主光路之中，从图像生成单元发出的成像光束射向第一中继反射镜片，然后再反射向凹面反射镜，接着反射向挡风玻璃，最终汇聚于驾驶员眼睛位置，实现抬头显示功能。
9.本实用新型进一步的技术方案是，其特征在于，所述第一中继反射镜片的朝向所述凹面反射镜的一面设置有反射与透过功能的偏光膜或偏光片
10.本实用新型进一步的技术方案是，所述第一中继反射镜片朝向图像生成单元的一面带有反射与透过功能的偏光膜或偏光片，且对于第一偏振方向的线偏振光反射率大于50％，对于第二偏振方向的线偏振光透过率大于50％。
11.本实用新型进一步的技术方案是，所述图像生成单元的出光口贴有半波片。
12.本实用新型进一步的技术方案是，所述图像生成单元发射的成像光束是s向偏振的线偏振光光束,所述半波片将所述图像生成单元发射的s向偏振的线偏振光光束振动面的方位旋转90
°
成为p偏振光。
13.本实用新型进一步的技术方案是，所述第一中继反射镜片朝向图像生成单元的一面带有反射与透过功能的偏光膜或偏光片的偏振方向与所述p偏振光的方向平行，并将含有p偏振光的成像光束反射向所述凹面反射镜。
14.本实用新型进一步的技术方案是，所述凹面反射镜的面对所述第一中继反射镜的一面设置有1/4波片，所述1/4波片的快轴与入射的光束偏振方向呈45
°
夹角。
15.本实用新型进一步的技术方案是，在所述图像生成单元与第一中继反射镜片之间，还设置有若干第二中继反射镜片，所述第二中继反射镜片是平面反射镜、凹面反射镜或者凸面反射镜中的一种。
16.本实用新型进一步的技术方案是，所述图像生成单元采用lcd+背光源、lcos投影模块、dlp投影模块或激光投影模块中的一种。
17.本实用新型进一步的技术方案是，所述凹面反射镜为带有曲率的四边形镜片或者四边以上的多边形镜片，并在凹面镀有反射膜层。
18.本实用新型基于汽车挡风玻璃的空间复用的抬头显示器成像光路结构的有益效果是：本实用新型通过上述技术方案，包括图像生成单元、第一中继反射镜片以及凹面反射镜，所述第一中继反射镜片位于成像光束在通过所述凹面反射镜和车辆挡风玻璃之间的主光路之中，从图像生成单元发出的成像光束射向第一中继反射镜片，然后再反射向凹面反射镜，接着反射向挡风玻璃，最终汇聚于驾驶员眼睛位置，实现显示功能，实现了在相同的hud成像视场角(fov)下，可以以更小的产品体积来实现,从而可以以更小体积，布置到更多的车型上，从而解决了hud行业大画面与小体积之间的矛盾，解决了行业的一大痛点；采用本实用新型方案还可以以相似的产品体积，实现更大的显示画面，可以带来更大的fov,从而使ar hud的画面更宽、更高，可以覆盖更多更远的车道，当车辆行驶有危险因素时，可以更早地在ar hud上投射出来，驾驶员更早得到预警，提升了车辆驾驶的安全性。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
20.图1是现有技术中hud成像系统的设计示意图；
21.图2是本实用新型基于汽车挡风玻璃的空间复用的抬头显示器成像光路结构较佳实施例的结构示意图；
22.图3是本实用新型基于汽车挡风玻璃的空间复用的抬头显示器成像光路结构较佳
实施例的装配效果图；
23.图4是本实用新型基于汽车挡风玻璃的空间复用的抬头显示器成像光路结构较佳实施例的工作原理示意图；
24.图5是本实用新型基于汽车挡风玻璃的空间复用的抬头显示器成像光路结构较佳实施例的工作原理效果图；
25.图6是典型的lcd+背光源的结构示意图；
26.图7是半波片的具体结构示意图；
27.图8是中继反射镜片的结构示意图；
28.图9是1/4波片的结构示意图；
29.图10是凹面反射镜的结构示意图；
30.图11是凹面反射镜和1/4波片的工作原理示意图。
31.本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
32.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
33.需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
34.另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“a和/或b”为例，包括a方案、或b方案、或a和b同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
35.本实用新型提出一种基于汽车挡风玻璃的空间复用的抬头显示器成像光路结构，本实用新型基于汽车挡风玻璃的空间复用的抬头显示器成像光路结构所采用的技术方案主要是通过光路空间复用技术，把中继反射镜片布置到凹面反射镜与车辆挡风玻璃的主光路之中。从而更加节省显示器的占用空间。
36.具体地，如图2至图5所示，本实用新型基于汽车挡风玻璃的空间复用的抬头显示器成像光路结构较佳实施例包括图像生成单元1(pgu)、第一中继反射镜片2以及凹面反射镜3，所述第一中继反射镜片2位于成像光束在通过所述凹面反射镜3和车辆挡风玻璃之间的主光路之中，从图像生成单元发出的成像光束射向第一中继反射镜片，然后再反射向凹面反射镜，接着反射向挡风玻璃，最终汇聚于驾驶员眼睛位置，实现显示功能。
37.所述图像生成单元1采用lcd+背光源、lcos投影模块、dlp投影模块或激光投影模
块中的一种。所述凹面反射镜3为带有曲率的四边形镜片或者四边以上的多边形镜片，并在凹面镀有反射膜层。
38.其中，所述第一中继反射镜片2的朝向所述凹面反射镜3和朝向图像生成单元1的一面设置有反射与透过功能的偏光膜或偏光片。所述第一中继反射镜片2对于特定偏振方向的线偏振光反射率大于50％，对于另一特定偏振方向的线偏振光透过率大于50％。
39.所述图像生成单元1的出光口贴有半波片4。
40.所述图像生成单元1发射的成像光束是s向偏振的线偏振光光束,所述半波片4将所述图像生成单元1发射的s向偏振的线偏振光光束振动面的方位旋转90
°
成为p偏振光。所述第一中继反射镜片2朝向所述图像生成单元1的一面带有反射与透过功能的偏光膜或偏光片的偏振方向与所述p偏振光的方向平行，并将含有p偏振光的成像光束反射向所述凹面反射镜。
41.所述凹面反射镜3的面对所述第一中继反射镜的一面设置有1/4波片5，所述1/4波片5的快轴与入射的光束偏振方向呈45
°
夹角。
42.本实施方案所采用的具体实现方法是：将第一中继反射镜片2置于凹面反射镜3与挡风玻璃的成像光束的光路之中，图像生成单元1(pgu)发出的成像光束为具有特定偏振方向的线偏振光s光，经半波片4调制成垂直方向的p光之后，射向第一中继反射镜片2，该第一中继反射镜片2的朝向入射光束的一面贴有或镀有反射偏光膜材，并且偏振方向与p光方向平行，因而该反射偏光膜材对于成像光束具有反射作用，并将光束反射向凹面反射镜3，凹面反射镜3的表面放置有1/4波片5，该1/4波片5将成像光束的线偏振光调制为圆偏振光，经凹面反射镜3的内表面反射后变为相反方向的圆偏振光，再次经过1/4波片5，成像光束变为s方向偏振光，并射向上述同一个贴有或镀有反射偏光膜材的第一中继反射镜，该第一中继反射镜的反射偏光膜材偏振方向与s光方向垂直，所以对于s光呈高透过率特性，从而成像光束可以透过中继反射镜片，射向挡风玻璃，最终汇聚于人眼成像。
43.作为一种实施方案，本实施例中，在所述图像生成单元1与第一中继反射镜片2之间，还设置有若干第二中继反射镜片6，所述第二中继反射镜片6是平面反射镜、凹面反射镜3或者凸面反射镜中的一种。
44.本实施例方案中，所述若干第二中继反射镜片6和所述第一中继反射镜片2构建成反射镜片组，以下以一片第二中继反射镜片6对本实施例方案进行阐述。
45.本实施例方案中，第二中继反射镜片6位于所述图像生成单元1与所述第一中继反射镜片2之间，所述第一中继反射镜片2之间位于所述凹面反射镜3和车辆挡风玻璃的成像光束的主光路之中，所述第一中继反射镜片2的朝向所述凹面反射镜3的一面设置有反射偏光片。
46.本实施方案所采用的具体实现方法是：通过成像光束调制装置(半波片42)将图像生成单元1(pgu)发出的线偏振光(s光)调制为垂直方向的线偏振光(p光)，射向中继反射镜片组中的第二中继反射镜片6后再反射至第一中继反射镜片2，该中继反射镜片组的最后一片中继反射镜片，即第一中继反射镜片2(最后一个将成像光束反射向凹面镜的中继镜片)的朝向入射光束方向的一面贴有或镀有反射偏光膜材，该反射偏光膜材的线偏振方向与调制后的成像光束的(p光)线偏振方向相互平行，对于p光成像光束具有反射作用，并将光束反射向凹面反射镜3，凹面反射镜3内表面放置有1/4波片5，该1/4波片5的快轴与入射的光
束(p光)偏振方向呈45度夹角，将成像光束调制为右旋圆偏振光，经凹面反射镜3的内表面反射后，光束变为左旋圆偏振光，并再次经过凹面镜表面的1/4波片5，光束被调制为线偏振光(s光)，并射向上述同一个贴有或镀有反射偏光膜材的第一中继反射镜，由于该第一中继反射镜的线偏振光的方向与s光垂直，因而对于s光呈高透过率特性，从而光束可以透过第一中继反射镜片2，射向车辆挡风玻璃，而挡风玻璃内表面对于s光入射具有比p光更高的反射率，从而以更高的亮度汇聚于人眼成像。
47.由于贴有或镀有反射偏光膜材的第一中继反射镜片2对于不同偏振方向的成像光束具有选择性高反射率(》50％)或者高透过(》50％)的特性，因此可以将第一中继反射镜片2置于凹面反射镜3与挡风玻璃的出射光束的光路之中，做到同一空间两个光束的复合利用互不干涉，而不会挡光，解决了现有技术中中继反射镜片必须置于出射光束的光路之外的传统光路布置方向，从而使显示器结构更为紧凑、小巧，具有更高的工程应用价值。
48.以下对本实用新型基于汽车挡风玻璃的空间复用的抬头显示器成像光路结构所涉及到的元件的结构、作用及工作原理进行进一步的详细阐述。
49.本实用新型空间复用的hud成像光路结构包括以下元件：
50.1、可以生成包含图像信息的光束的图像生成单元1(pgu)，并且该pgu发射的是s向偏振的线偏振光光束(在挡风玻璃表面，hud光路或者无介质悬浮显示器的成像光束的入射角超过60度时，偏振方向垂直于入射光与反射光构成的面的光波被称为s偏振光，而偏振方向与该面一致的光波被称为p偏振光,s光相对于p光具有更高的反射率，为了获得更高的图像亮度，目前市面上的pgu所发射的线偏振光大多为s光)。
51.pgu是指含有能将电信号转化为光信号的图形生成单元，通常采用lcd+背光源、lcos投影模块、dlp投影模块、激光投影模块，典型的lcd+背光源的结构示意图如图6所示。
52.本实用新型所述的pgu所发出的光为具有特定偏振方向的线偏振光s光，对于lcd+背光源、lcos投影模块方案的pgu，可以采用特定偏振方向的上偏光片，调制出s光。
53.现有技术中常见tft、lcos、dlp、激光mems等成像器件做成的pgu,本实用新型优选以tft液晶显示器或者lcos为成像器件的pgu,这两者皆以液晶为介质实现对每一个像素点成像光线的控制，均可以直接发射线偏振光。如果采用dlp或者激光投影模块来作为pgu,则需要在出光口采用特定偏振方向的偏光片来实现对成像光束的偏振化，调制出s光。
54.2、贴于pgu出光口的，可以将pgu所发射的s线偏振光振动面的方位旋转90
°
成为p光的半波片4。其中，半波片42的具体结构如图7所示。
55.3、一面贴有或镀有反射偏光片的中继反射镜片,且该反射偏光片的偏振方向与经半波片4调制后的pgu所发射的p偏振光方向平行。该中继反射镜片对与反射偏光片偏振方向相同的p光呈高反射特性，对与反射偏光方向相垂直的s光呈高透过特性。如图8所示，是中继反射镜片的结构示意图。
56.本实用新型优选带偏光反射功能的中继反射膜片基材非反射面的曲率形态：可选中继反射镜片基材另一面(非反射面)的曲率形态可以包括凹面、凸面、平面、菲涅尔纹面，从成本考虑，本实用新型优选平面镜片。
57.4、置于凹面反射镜3表面，并且能够将线偏振光调制为特定方向(左旋圆偏振光或右旋圆偏振光)的1/4波片5。该1/4波片5对于不同偏振方向的入射光，会有不同的折射率(也就是有不同的传播速度)。而1/4波片5就是控制材料和厚度使光经过波片后，两个不同
偏振方向的光产生1/4波长的相位差，在此相位差下合成的光为圆偏振光。该1/4波片5的快轴与入射的光束(p光)偏振方向呈45度夹角，将成像光束调制为右旋圆偏振光，如图9所示。
58.本实用新型优选与凹面反射镜3组合在一起经入射与反射两次转换可以使成像光束的线偏振方向旋转90度的1/4波片5，可选的实现方案还有其它方式，出于成本考虑，本实用新型优选1/4波片5。
59.5、凹面反射镜3，是hud或者无介质空气悬浮显示器的主要成像器件，带有曲率的四边形镜片，也可以是四边以上的多边形镜片，并且在凹面镀有反射膜层，如图10所示。
60.本实用新型空间复用的hud成像光路结构的工作原理是：
61.如图2至图5所示，本实用新型主要是通过光路空间复用技术，把中继反射镜片布置到凹面反射镜3与挡风玻璃的主光路之中，从而更加节省显示器的占用空间。
62.pgu是hud显示系统的图像生成单元1，以tft方案的pgu为例，高亮led背光源穿透tft显示器后，发出横向偏振的s线偏振光构成的成像光束。
63.在挡风玻璃表面，hud光路或者无介质悬浮显示器的成像光束的入射角超过60度时，偏振方向垂直于入射光与反射光构成的面的光波被称为s偏振光，而偏振方向与该面一致的光波被称为p偏振光,s光相对于p光具有更高的反射率，为了获得更高的图像亮度，目前市面上的pgu所发射的线偏振光大多为s光。
64.当外界电源以适应的电压与电流给hud显示系统的led背光源供电，点亮pgu的背光，同时，通过tft的显示驱动ic输入显示控制信号，pgu出光口产生带有特定偏振方向的s偏振光成像光束。
65.第一步，在pgu的出光口，贴有半波片4，该半波片4可以将pgu所发射的s向线偏振光振动面的方位旋转90
°
成为p向线偏振光。
66.第二步，可选的，p向线偏振光为主构成的成像光束射向第二中继反射镜片6(该中继反射镜片形态可以是平面反射镜、凸面反射镜、凹面反射镜3其中的一种或者多种以上的相互组合体，布置于第一中继反射镜片2之前，起到调节成像系统光程的作用)，最终将p向线偏振光为主构成的成像光束射向第一中继反射镜片2。
67.第三步，第一中继反射镜片2的朝向入射光束的一面贴有或镀有反射偏光膜材，该反射偏光膜的线偏振方向与调制后的成像光束的(p光)线偏振方向相互平行，对于p光成像光束具有反射作用，并将光束反射向凹面反射镜3，并且第一中继反射镜片2的位置布置于凹面反射镜3与挡风玻璃反射匀之间的光路之中。
68.市面常见的反射偏光膜材有3m公司的dbef膜、vrp膜、cmf膜，均具有对平行于膜片自身偏振方向的线偏光高反射作用(反射率》50％)，而对于垂直于膜片自身偏振方向的线偏光高透作用(透过率》50％),本实用新型优先选用dbef膜，主要出于成本考虑，dbef膜大量用于手机显示器的背光中，具有明显地成本优势。
69.第四步，如图11所示，凹面反射镜3内表面放置有1/4波片5，第一中继反射镜片2所反射来的p光成像光束首先经过1/4波片5，该1/4波片5的快轴与入射的光束(p光)偏振方向呈45度夹角，将成像光束调制为右旋圆偏振光，经凹面反射镜3的内表面反射后，光束变为左旋圆偏振光，并再次经过凹面镜表面的1/4波片5，光束被调制为线偏振光(s光)，并射向上述同一个贴有或镀有反射偏光膜材的第一中继反射镜片2。
70.第五步，由于第一中继反射镜反射面所贴的反射偏光膜的偏振方向与s向线偏振
光垂直，因而对于s光呈高透过率特性，从而光束可以透过第一中继反射镜片2，射向挡风玻璃。
71.虽然第一中继反射镜片2的位置布置于凹面反射镜3与挡风玻璃反射区间的光路之中，但由于本实用新型的设计贴有或镀有反射偏光膜材的第一中继反射镜片2对于不同偏振方向的成像光束具有选择性高反射率(》50％)或者高透过(》50％)的特性，因此可以将第一中继反射镜片2置于凹面反射镜3与挡风玻璃的出射光束的光路之中，做到同一空间两个不向偏振方向的光束的复合利用互不干涉，使第一中继反射镜片2对于凹面反射镜3发射来的s向偏振光呈高透过率特性，并不会引起成像光束亮度的大幅度损失，保证了成像光路的正常工作。
72.第六步，s向偏振成像光束透过第一中继反射镜片2，射向挡风玻璃，而挡风玻璃内表面对于s光入射具有比p光更高的反射率，从而以更高的亮度，最终汇聚于人眼成像，构成hud成像系统。
73.由于汽车抬头显示器(hud)和基于汽车挡风玻璃的无介质悬浮显示器(vpa)成像光路结构类似，所以本实用新型同样适用于基于汽车挡风玻璃的无介质悬浮显示器(vpa)成像光路结构，借助于本实用新型提出的实施方案而实现的无介质悬浮显示器(vpa)成像光路结构包括在本实用新型的专利保护范围内。
74.本实用新型基于汽车挡风玻璃的空间复用的抬头显示器成像光路结构的有益效果是：本实用新型通过上述技术方案，包括图像生成单元、第一中继反射镜片以及凹面反射镜，所述第一中继反射镜片位于成像光束在通过所述凹面反射镜和车辆挡风玻璃之间的主光路之中，从图像生成单元发出的成像光束射向第一中继反射镜片，然后再反射向凹面反射镜，接着反射向挡风玻璃，最终汇聚于驾驶员眼睛位置，实现显示功能，实现了在相同的hud成像视场角(fov)下，可以以更小的产品体积来实现,从而可以以更小体积，布置到更多的车型上，从而解决了hud行业大画面与小体积之间的矛盾，解决了行业的一大痛点；采用本实用新型方案还可以以相似的产品体积，实现更大的显示画面，可以带来更大的fov,从而使ar hud的画面更宽、更高，可以覆盖更多更远的车道，当车辆行驶有危险因素时，可以更早地在ar hud上投射出来，驾驶员更早得到预警，提升了车辆驾驶的安全性。
75.以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。