用于车辆的抬头显示系统和车辆的制作方法

1.本实用新型涉及车辆技术领域，具体而言，涉及一种用于车辆的抬头显示系统和车辆。


背景技术：

2.随着抬头显示技术的成熟和高级辅助驾驶系统的功能增多，搭载抬头显示技术的车辆越来越多，抬头显示技术可实现显示画面与道路车辆、行人等信息的叠加，以实现增强现实的功能，从而有利于提升驾驶体验。
3.在相关技术中，抬头显示的光路通常需要使用自由曲面镜，抬头显示的显示画面的尺寸受自由曲面镜的尺寸影响，大尺寸的自由曲面镜加工难度高、占用的车内空间大，由于车内空间有限，所以自由曲面镜安装和布置难度大，因此如何实现小型化抬头显示方案是一个亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本实用新型提出一种于车辆的抬头显示系统，可实现抬头显示系统的小型化。
5.本实用新型还提出了一种具有上述抬头显示系统的车辆。
6.根据本实用新型实施例的用于车辆的抬头显示系统，包括：图像生成组件，所述图像生成组件用于生成第一图像光线；光波导组件，所述光波导组件包括光耦入区、光转折区和光耦出区，所述光耦入区用于接收所述第一图像光线，并将所述第一图像光线传递至所述光转折区，所述光转折区用于对所述第一图像光线进行第一扩瞳以形成第二图像光线，并将第二图像光线传递至所述光耦出区，所述光耦出区对所述第二图像光线进行第二扩瞳以形成第三图像光线，并将第三图像光线输出至所述车辆的挡风玻璃；其中，所述光耦出区沿所述挡风玻璃的横向延伸布置，所述光耦入区和所述光转折区位于所述光耦出区的靠近或远离所述挡风玻璃的一侧。
7.根据本实用新型实施例的抬头显示系统，光波导组件对可对图像生成组件生成第一图像光线进行二维扩瞳后输出至车辆的挡风玻璃，以提升在挡风玻璃上显示图像的可视角度，增强用户体验，光波导组件占用空间较小，可实现抬头显示系统的小型化，以便于抬头显示系统的安装和布置。
8.根据本实用新型的一些实施例，所述光耦入区的出光端与所述光转折区的入光端至少部分对齐。
9.根据本实用新型的一些实施例，在远离所述光耦入区的方向上，所述光转折区的宽度逐渐增大。
10.根据本实用新型的一些实施例，所述光耦出区具有出光平面，所述第三图像光线的射出方向与所述出光平面之间所呈夹角的取值范围为54
°
～64
°
。
11.根据本实用新型的一些实施例，所述图像生成组件包括光机和透镜，所述透镜设
于所述光机的出光端与所述光耦入区的入光端之间，所述透镜用于将所述光机发出的图像光线调整为准直的第一图像光线，并耦合到所述光耦入区。
12.进一步地，所述图像生成组件还包括图像控制模块，所述图像控制模块与所述光机通讯连接，所述图像控制模块用于控制所述光机调整所述图像光线，以调整输出至所述车辆的挡风玻璃上图像的畸变、亮度和均匀性中的至少一项。
13.进一步地，所述图像控制模块还与车辆的车机系统通讯连接，所述图像控制模块还用于控制所述光机改变所述图像光线的显示内容。
14.进一步地，所述透镜在垂直于所述第一图像光线的平面上的投影位于所述光耦入区在垂直于所述第一图像光线的平面上的投影内。
15.根据本实用新型的一些实施例，所述的抬头显示系统还包括底座，所述光波导组件设于所述底座，所述底座与所述车辆的仪表板活动连接，且所述底座用于调节所述光波导组件相对于所述挡风玻璃的角度和/或位置。
16.根据本实用新型另一方面实施例的车辆，包括上述的抬头显示系统。
17.根据本实用新型实施例的车辆，光波导组件对可对图像生成组件生成第一图像光线进行二维扩瞳后输出至车辆的挡风玻璃，以提升在挡风玻璃上显示图像的可视角度，增强用户体验，光波导组件占用空间较小，可实现抬头显示系统的小型化，以便于抬头显示系统在车辆内的安装和布置。
18.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
19.图1是根据本实用新型实施例的抬头显示系统和挡风玻璃的示意图；
20.图2是根据本实用新型实施例的光波导组件的示意图；
21.图3是根据本实用新型实施例的抬头显示系统的示意图；
22.图4是根据本实用新型实施例的光波导组件和挡风玻璃的示意图。
23.附图标记：
24.图像生成组件1、光机11、、激光二极管111、mems112、屏幕113、透镜12、图像控制模块13、光波导组件2、光耦入区21、光转折区22、光耦出区23、出光平面231、第三图像光线232、虚像3、眼盒区域4、抬头显示系统10、挡风玻璃20。
具体实施方式
25.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
26.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“宽度”、“前”、“后”、“左”、“右”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
27.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
28.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
29.下面结合图1-图4详细描述根据本实用新型实施例的用于车辆的抬头显示系统10和具有它的车辆。
30.参照图1-图4所示，用于车辆的抬头显示系统10，包括：图像生成组件1和光波导组件2，图像生成组件1用于生成第一图像光线，光波导组件2可通过衍射结构对第一图像光线进行扩瞳，最终将光线投射在车辆的挡风玻璃20上，以使挡风玻璃20上显示对应的图像信息。
31.光波导组件2包括光耦入区21、光转折区22和光耦出区23，光耦入区21用于接收第一图像光线，并将第一图像光线传递至光转折区22，光转折区22用于对第一图像光线进行第一扩瞳以形成第二图像光线，并将第二图像光线传递至光耦出区23，光耦出区23对第二图像光线进行第二扩瞳以形成第三图像光线232，并将第三图像光线232输出至车辆的挡风玻璃20，第三图像光线232经挡风玻璃20反射后进入眼盒区域4，驾驶员可在眼盒区域4内观看到位于其视线前方由第三图像光线232形成的虚像3。
32.可以理解的是，光波导组件2对第一图像光线进行二维扩瞳，以实现双向增加眼动范围，在图像生成组件1出瞳的尺寸较小的情况下，使不同身高、坐姿的驾驶员眼睛位置不同的情况下，可在更大的眼盒区域4内看到完整的虚像3画面，并提供大视场角，提升用户体验，同时，光波导组件2可将耦入的汇聚小图案最终扩瞳成一个大的图像。
33.其中，光耦出区23沿挡风玻璃20的横向延伸布置，光耦入区21和光转折区22位于光耦出区23的靠近或远离挡风玻璃20的一侧，以避免光耦入区21和光转折区22影响光耦出区23在风玻璃的横向方向上的尺寸，从而在挡风玻璃20的横向上扩大的视场角度、增加视野图像的尺寸，进而有利于扩大抬头显示系统10的实景结合显示优势。
34.举例而言，参照图1和2所示，挡风玻璃20为车辆的前挡风玻璃，挡风玻璃20的横向为车辆的y(左右)方向，光耦入区21和光转折区22位于光耦出区23在车辆x(前后)方向的一侧，以尽可能地扩大最终成像的y向的视场角度，增加y向视野图像的尺寸，提升用户的沉浸感，具体地，光耦入区21耦入第一图像光线，第一图像光线经过全反射进入到光转折区22，光转折区22将第一图像光线向远离光耦入区21的方向横向传播，从而对第一图像光线进行横向扩瞳，得到横向扩瞳的第二图像光线，通过光转折区22将第二图像光线向光耦出区23传播，光耦出区23对第二图像光线像进行纵向扩瞳，以得到第三图像光线232。
35.根据本实用新型实施例的抬头显示系统10，光波导组件2对可对图像生成组件1生成第一图像光线进行二维扩瞳后输出至车辆的挡风玻璃20，以提升在挡风玻璃20上显示图像的可视角度，增强用户体验，光波导组件2占用空间较小，可实现抬头显示系统10的小型
化，以便于抬头显示系统10的安装和布置。
36.在本实用新型的一些实施例中，参照图2所示，光耦入区21的出光端与光转折区22的入光端至少部分对齐，以保证第一图像光线经过光耦入区21的全反射后进入到光转折区22，光耦入区21与光转折区22可在光耦出区23的靠近或远离挡风玻璃20的一侧并排布置，以避免光耦入区21和光转折区22在挡风玻璃20宽度方向对光耦出区23的遮挡，从而有有利于增大光耦出区23在挡风玻璃20宽度方向上的尺寸，以扩大的视场角度，增加视野图像尺寸。
37.在本实用新型的一些实施例中，在远离光耦入区21的方向上，光转折区22的宽度逐渐增大，以避免光转折区22衍射的光效逐渐减弱，从而有利于提升最终的成像质量，光转折区22可以是梯形区。另外，光耦入区21也可以是矩形区或梯形区。
38.在本实用新型的另一些实施例中，光转折区还可以是宽度不变的矩形区。
39.在本实用新型的一些实施例中，参照图4所示，光耦出区23具有出光平面231，第三图像光线232的射出方向与出光平面231之间所呈夹角α的取值范围为54
°
～64
°
，第三图像光线232的射出方向与出光平面231之间所呈夹角α可根据车辆的挡风玻璃20及眼盒区域4的位置进行设计，以保证出光平面231尽量水平布置在仪表板上。例如，第三图像光线232的射出方向与出光平面231之间所呈夹角α为60
°
，从而可在出光平面231平行于水平面的情况下，使第三图像光线232经挡风玻璃20反射后进入眼盒区域4，也就是说，出光平面231可尽量平行于仪表板的上表面，以避免光波导组件2倾斜放置，减少光波导组件2在车辆z(上下)方向上的占用空间，进而有利于提升抬头显示系统10的小型化。
40.需要说明的是，光波导组件2为衍射光波导，可采用在玻璃基底镀膜，然后在在镀膜上加工出不同的光栅，以形成对应的光耦入区21、光转折区22和光耦出区23，衍射光波导的光栅类型可以是浮雕光栅和/或全息光栅，也就是说，衍射光波导的光栅类型可以是浮雕光栅、或全息光栅、或浮雕光栅与全息光栅的组合。通过控制光栅加工后的槽深、侧壁倾角等参数，来调整光波导组件2对第一图像光线的衍射角度，并实现第三图像光线232的射出方向与出光平面231之间所呈夹角α为54
°
～64
°
，另外，控制光栅加工后的槽深、侧壁倾角等参数，还可以在扩瞳的同时实现图像的大放。
41.在本实用新型的一些实施例中，参照图3所示，图像生成组件1包括光机11和透镜12，透镜12设于光机11的出光端与光耦入区21的入光端之间，透镜12用于将光机11发出的图像光线调整为准直的第一图像光线，并耦合到光耦入区21，以使光机11发出的图像光线通过透镜12汇聚到光耦入区21。可以理解的是，光机11的发出的图像光线需要聚焦后耦入到光波导组件2的光耦入区21，由于不同光机11的成像尺寸和光波导组件2的光耦入区21尺寸不同，所以透镜12需要根据不同光机11和光波导组件2的参数进行设计，透镜12可以是正透镜，图像生成组件1还可设有用于调节透镜12角度和位置的调节装置。
42.需要说明的是，光机11是可以把电信号转化为图像的装置，光机11的可选类型为：激光+mems(micro-electro-mechanical system，微机电系统)方案的光机、tft-lcd(thin film transistor，薄膜晶体管)光机、led/激光+dmd(digital micromirror device，数字微镜元件)芯片方案的光机、lcos(liquid crystal on silicon，硅基液晶)方案的光机、micro-led(高密度微米量级led阵列)方案的光机，当然，光机11还可以其他方案类型的光机，本实用新型不对光机11类型进行限制。
43.参照图3所示，光机11为激光+mems方案的光机，光机11包括扫描光学系统(scanning optics)，扫描光学系统包括激光二极管111(laser diode，ld)、mems112和屏幕113(screen)。
44.在本实用新型的一些实施例中，光波导组件2包括二片或者二片以上的光波导片，根据显示效果的需求，可以采用rgb方式来设定光波导片的片组成类型，光机11设计的颜色波长需要和光波导片耦合的光线波长形成对应关系，光机11的波长需要在设计之初就进行定义，以便实现最大化的光转化效率。以红绿蓝三色为例，光波导组件2包括三层光波导片，每层光波导片根据需要衍射的颜色波长、扩瞳比例、最终成像距离人眼的距离进行设计，并根据挡风玻璃20的角度设计出射光的角度，三层光波导片组合时需要耦入和光耦出的区域一一对应，可设计光机11发出来的rgb颜色的波长，如红色：838nm，绿色：520nm，蓝色：450nm，光机11通过改变固定波长颜色的数值，经过混合实现多色显示，由此，通过不同颜色波长对应的不同的光波导片衍射方案，使光线在设定的光波导片内进行扩瞳，图像通过三层光波导片的扩瞳最终合成一个彩色的大画面，通过光耦出区23射向挡风玻璃20。
45.在本实用新型的一些实施例中，光波导片为带光栅结构的玻璃基板，玻璃基板为满足全反射的玻璃基板，玻璃基板可以为普通玻璃，也可以为钢化玻璃。光波导组件2包括三层光波导片，三层光波导片可通过预设折射率的光学胶贴合粘接组合在一起，三层光波导片分别做红色、蓝色、绿色光栅结构，每层波导片均包括光耦入区21、光转折区22和光耦出区23，每层波导片的光耦入区21布置在其对应光转折区22的左侧或右侧(y方向)，每层波导片的光转折区22的前侧或后侧(x方向)布置光耦出区23，通过这种布置方式，可在车辆y方向上提升光耦入区21和光耦出区23的占据车辆横向方向上的宽度，增大光耦出区23在y向上的成像。另外，每层波导片的光转折区22在设计过程中要考虑衍射的光效逐渐减弱，光转折区22需要在靠近光耦入区21保持一致的宽度，在远离光耦入区21的边逐渐变宽，行成一个梯形结构。
46.在本实用新型的一些实施例中，参照图3所示，图像生成组件1还包括图像控制模块13，图像控制模块13与光机11通讯连接，图像控制模块13可实现对光机11图像的处理，图像控制模块13用于控制光机11调整图像光线，以调整输出至车辆的挡风玻璃20上图像的畸变、亮度和均匀性中的至少一项，例如，图像控制模块13可控制光机11发出的图像光线的角度，以减少输出至车辆的挡风玻璃20上图像的畸变。图像控制模块13可控制光机11发出的图像光线的亮度，以调整输出至车辆的挡风玻璃20上图像的亮度。图像控制模块13可控制光机11发出的图像光线的亮度和彩色的补偿值，以保证输出至车辆的挡风玻璃20上图像的画面亮度和色彩的一致性，保证图像的均匀性。
47.在本实用新型的一些实施例中，图像控制模块13还与车辆的车机系统通讯连接，图像控制模块13还用于控制光机11改变图像光线的显示内容。图像控制模块13可通过车机系统获取相关的显示信息，以控制光机11的显示内容，显示内容可以是车辆信息、娱乐信息、外部系统通讯信息等交互信息的显示，例如，显示内容可以是路边车辆、行人、商店、车辆盲区、360环视图像等车辆周边环境信息的，显示内容还可以是自动驾驶模式下的提示或者警报，显示内容还可以是游戏、视频、电影、视频语音通话、会议等娱乐办公信息，实现娱乐和增强现实的功能。
48.另外，图像控制模块13还可以接收车载网络信息、外部视频信号输入、车内其他系
统信息、车内其他移动终端等信息后进行图像处理，并控制光机11生成对应的图像光线，图像控制模块13包括：微处理器、内存、车载通信芯片、视频解码芯片等，内存中可储存有操作系统、文件管理系统、图像颜色管理器等应用程序。
49.在本实用新型的一些实施例中，透镜12在垂直于第一图像光线的平面上的投影位于光耦入区21在垂直于第一图像光线的平面上的投影内，也就是说，透镜12的尺寸小于光耦入区21的尺寸，以确保光机11成像的全部画面都可以耦入到光波导组件2内。
50.在本实用新型的一些实施例中，抬头显示系统10还包括外框，光机11、透镜12、光波导组件2三个部分成预定角度固定，为了确保光能充分耦入到光波导组件2内，光机11、透镜12、光波导组件2固定在外框内。另外，光机11内部还可设有显示芯片，可以设计为微调的方案来解决光机11、透镜12、光波导组件2组装后的公差问题。
51.在本实用新型的一些实施例中，抬头显示系统10还包括透明保护壳，透明保护壳套设于光波导组件2的外侧，以用于保护光波导组件2，提升光波导组件2的耐用性。可选地，透明保护壳由树脂或者玻璃材料组成，透明保护壳不影响或不会大幅降低光线的通透性。
52.在本实用新型的一些实施例中，抬头显示系统10还包括底座，光波导组件2设于底座，底座与车辆的仪表板活动连接，且底座用于调节光波导组件2相对于挡风玻璃20的角度和/或位置，以使不同坐姿的人眼可以方便观察成像，可通过外部按键或者界面控制对应的执行机构，来手动调节光波导组件2相对于挡风玻璃20的角度和/或位置，也可借助外部视觉显示系统对光波导组件2相对于挡风玻璃20的角度和/或位置进行自动调节。
53.可选地，仪表板设有滑轨，底座包括底座本体和滑块，光波导组件2设于底座本体，底座通过滑块与仪表板上的滑轨滑动连接，可通过移动滑块以实现调节光波导组件2相对于挡风玻璃20的位置，底座本体还与可与滑块铰接，可通过转动底座本体以实现调节光波导组件2相对于挡风玻璃20的角度。
54.根据本实用新型实施例的抬头显示系统10，采用光波导组件2使抬头显示系统10的体积变小，重量变轻，方便在车辆内布置，抬头显示系统10可以实现更大画面，更宽范围的增强现实显示，抬头显示系统10还可以集成更多应用，提升用户体验。
55.在本实用新型的一些实施例中，光波导组件2的光波导片对于光的耦入是有一定角度要求的，除正对光耦入区21以外的光线，其他光线难以通过光耦入区21进入光波导组件2内部，以避免阳光倒灌的现象发生。另外，光波导组件2的光耦出区23的上表面不能有光线遮挡，光耦入区21和光转折区22的外表面可进行遮挡，以防止光机11的光线在车内扩散，对车内或者车外造成光线干扰。
56.根据本实用新型另一方面实施例的车辆，包括上述实施例的抬头显示系统10。
57.根据本实用新型实施例的车辆，光波导组件2对可对图像生成组件1生成第一图像光线进行二维扩瞳后输出至车辆的挡风玻璃20，以提升在挡风玻璃20上显示图像的可视角度，增强用户体验，光波导组件2占用空间较小，可实现抬头显示系统10的小型化，以便于抬头显示系统10在车辆内的安装和布置。
58.在本实用新型的一些实施例中，车辆内的抬头显示系统10可以增加为多个，对于抬头显示系统10的数量，本实用新型不做约束。抬头显示系统10可以根据系统架构和功能需求定义，在车内增加为多个，以服务不同位置的乘客，例如抬头显示系统10还可以设于车门，光波导组件2对可对图像生成组件1生成第一图像光线进行二维扩瞳后输出至车门上的
挡风玻璃。
59.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
60.尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。