投影系统、车载抬头显示装置以及车辆

技术领域

本申请实施例涉及HUD系统技术领域，更具体地，本申请实施例涉及一种投影系统、一种车载抬头显示装置以及一种车辆。

背景技术

抬头显示系统(Head Up Display系统，HUD系统)，其基本原理为将图像源经过光学系统在车前方投射出一个可被人眼观测的虚像。虚像可显示油表、速度、路况信息及指示等信息，作为ADAS智能驾驶辅助系统的一部分。图像源可由TFT，LCOS，DLP等不同图像发生器(Picture Generate Unit，PGU)来提供。其中，TFT经过背光可直接对接后续光学系统形成虚像，而LCOS，DLP等需要被动照明后经投影镜头形成实像源，进而对接后续光学系统形成虚像。无论哪种方式，传统的HUD只有一个固定位置的图像源，也即HUD系统只可以形成一个固定距离的虚像。

发明内容

本申请的目的是提供一种投影系统、车载抬头显示装置以及车辆的新技术方案。

第一方面，本申请提供了一种投影系统，应用于车载抬头显示装置，所述投影系统包括依次设置的照明模组、显示芯片及投影镜头；

所述投影系统还包括调焦模组；

所述投影镜头出射的投影光线一部分经所述调焦模组投射至第一位置处形成第一成像面，另一部分投射至第二位置处形成第二成像面，所述第一成像面与所述第二成像面呈上下错位设置，其中，所述第一成像面靠近所述投影镜头，所述第二成像面远离所述投影镜头，所述调焦模组位于所述投影镜头与所述第一成像面的光路之间。

可选地，所述投影镜头出射的第一投影光线射向所述调焦模组，所述调焦模组对所述第一投影光线进行调焦后在所述第一成像面形成第一实像；

所述投影镜头出射的第二投影光线投射至所述第二成像面形成第二实像。

可选地，所述调焦模组为具有光焦度的光学器件。

可选地，所述调焦模组包括球面透镜、透镜组或者非球面镜。

可选地，所述第一成像面及所述第二成像面靠近所述投影镜头一侧的表面均设置有微结构棱镜单元，远离所述投影镜头一侧的表面均设置有微结构散射镜单元。

可选地，所述第一成像面及所述第二成像面靠近所述投影镜头一侧的表面均层叠设置有微结构棱镜单元及微结构散射镜单元。

可选地，所述第一成像面与所述第二成像面在相互错开的方向上，所述第一实像与所述第二实像的比例为1～3：1。

可选地，所述第一成像面与所述第二成像面之间的间距≥10mm。

第二方面，本申请提供了一种车载抬头显示装置。所述车载抬头显示装置包括：

如第一方面所述的投影系统；及

曲面镜模组，设于所述投影系统的一侧。

可选地，所述第一成像面出射的第一投影光线及所述第二成像面出射的第二投影光线均射向所述曲面镜模组，所述曲面镜模组用于将所述第一投影光线及所述第二投影光线反射至车辆的挡风玻璃，经过所述挡风玻璃反射后进入人眼，形成距离不同的双虚像。

第三方面，本申请提供了一种车辆。所述车辆包括：

如第二方面所述的车载抬头显示装置；及，

挡风玻璃，所述挡风玻璃设置在所述车载抬头显示装置的投影光线传输的传输路径上。

本申请的有益效果为：

根据本申请实施例提供的投影系统，其主要应用于车载抬头显示装置HUD，通过将投影系统中投影镜头一侧的合适位置增加调焦模组，可以形成两个成像面，且在该两个成像面上可以同时形成清晰的图像，这就形成了两个图像源，该设计利于使车载抬头显示装置可以形成双虚像成像。

通过以下参照附图对本说明书的示例性实施例的详细描述，本说明书的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本说明书的实施例，并且连同其说明一起用于解释本说明书的原理。

图1为本申请实施例提供的投影系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的投影系统的光路图；

图3为本申请实施例提供的车载抬头显示装置的局部光路图。

附图标记说明：

1、照明模组；2、显示芯片；3、投影镜头；4、第一成像面；5、第二成像面；6、调焦模组；7、微结构棱镜单元；8、微结构散射镜单元；

01、第一投影光线；02、第二投影光线；021、偏转光线；022、扩张光线。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本申请的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

下面结合附图，对本申请实施例提供的投影系统、车载抬头显示装置以及车辆进行详细地描述。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种投影系统，其可应用于车载抬头显示装置。本申请实施例提供的投影系统例如可以作为车载抬头显示装置的图像源。

其中，车载抬头显示装置又称平视显示器(Head-up Display，简称HUD)，其为一种车载视觉辅助系统。将车载抬头显示装置安装在车辆中，可以用于将车速、油量等车辆状态信息以及导航、危险警示等指示信息投影显示于驾驶员视线前方适宜的位置，从而保证驾驶员的视线能够不偏离前方的路面，消除了驾驶员低头查看仪表盘而产生的视觉盲区，利于增加行车安全。

本申请实施例提供的投影系统，参见图1，应用于车载抬头显示装置，所述投影系统包括依次设置的照明模组1、显示芯片2及投影镜头3，所述投影系统还包括调焦模组6。所述投影镜头3出射的投影光线一部分经所述调焦模组6投射至第一位置处形成第一成像面4，另一部分投射至第二位置处形成第二成像面5，所述第一成像面4与所述第二成像面5呈上下错位设置，其中，所述第一成像面4靠近所述投影镜头3，所述第二成像面5远离所述投影镜头3，所述调焦模组6位于所述投影镜头3与所述第一成像面4的光路之间。

目前，车载抬头显示装置即HUD都仅有一个固定位置的图像源，有鉴于此，目前的车载抬头显示装置都是仅可以形成一个固定距离的虚像，这并不能满足使用者的需求。因此，有必要对目前的车载抬头显示装置中的投影光学方案进行改进。

本申请实施例提供的投影系统，将投影系统中在设定位置处形成的一个成像面在纵向分割成两个具有间隔的成像面即上述的第一成像面4及第二成像面5，这就形成了两个图像源。其中，对于靠近投影镜头3的第一成像面4，即新增成像面与所述投影镜头3之间设置了一调焦模组6，可以使部分从所述投影镜头3出射的投影光线经过调焦模组6的光学调制，系统的焦距发生改变，如此就可以清晰成像在第一成像面4上，另一部分从所述投影镜头3出射的投影光线可以直接在第二成像面5上清晰成像，最终可以实现在两个成像面同时形成两个清晰的图像，该设计利于使车载抬头显示装置可以形成双虚像成像。

随着车载抬头显示装置应用需求的增加，本申请实施例提供的投影系统应用于车载抬头显示装置后，可以实现不同距离的双虚像的需求。具体地，可以由一个近距离例如约1m～3m的虚像显示驾驶仪表信息，再由另一个远距离例如>7m的虚像显示路况指示等信息。但是，对于传统的车载抬头显示装置，景深通常仅有1mm或者更小，无法同时呈现出如本申请实施例的投影光学方案中的两个清晰图像。

本申请实施例提供的投影光学方案，应用于车载抬头显示装置后，能够最终形成可供观测的双虚像。

本申请实施例提供的投影系统，在纵向分割成像面的基础上，增加了调焦模组6，实现了双焦面投影光学系统。

本申请实施例提供的投影系统，适用于车载、消费品等领域。

本申请实施例提供的投影系统，不仅适用于DLP系统，同样适用于LCOS等成像系统。

在本申请的一些示例中，参见图1，所述投影镜头3出射的第一投影光线01射向所述调焦模组6，所述调焦模组6对所述第一投影光线01进行调焦后在所述第一成像面4形成第一实像。所述投影镜头3出射的第二投影光线02投射至所述第二成像面5形成第二实像。

根据本申请实施例提供的投影系统，该投影系统包括有照明模组1、显示芯片2、投影镜头3、第一成像面4、第二成像面5及调焦模组6。整体结构设计简单。其中，所述照明模组1将照明光线经准直、匀光后投射至所述显示芯片2上形成带有图像信息的投影光线，该投影光线可以投射进入所述投影镜头3，其中一部分投影光线如第二投影光线02直接在正对着的第二成像面5上形成图像(即第二实像)，在所述投影镜头3与所述第一成像面4之间加入了额外的具有光焦度的光学器件，这样，参见图1，例如所述投影镜头3边缘出射的第一投影光线01经过所述调焦模组6的光学调制后，系统的焦距发生改变，最终成像在所述第一成像面4上。本申请实施例提供的投影系统形成了双焦面系统，可以形成两个图像源。

在本申请的一些示例中，所述调焦模组6为具有光焦度的光学器件。

具体而言，所述调焦模组6位于所述投影镜头3与所述第一成像面4之间的光路上。参见图1，从设置位置来看，所述第一成像面4相对于所述第二成像面5而言，其更加向所述投影镜头3靠近，而为了实现投影光线能够在所述第一成像面4上清晰成像，需要引入一调焦模组6对经所述投影镜头3出射至所述第一成像面4的第一投影光线01进行调焦。

在本申请的一些示例中，所述调焦模组6包括球面透镜、透镜组或者非球面镜。

需要说明的是，本申请实施例提供的调焦模组不限于球面透镜，也可采用透镜组、非球面镜等具有光焦度的光学器件。

在本申请的一些示例中，参见图2，所述第一成像面4及所述第二成像面5靠近所述显示芯片2一侧的表面均设置有微结构棱镜单元7，所述第一成像面4及所述第二成像面5远离所述投影镜头3一侧的表面均设置有微结构散射镜单元8。

本申请实施例提供的投影系统中，对于所述第一成像面4及所述第二成像面5的设计，这相当于投影系统具有双成像面，该两个成像面均可以通过微结构棱镜单元7及微结构散射镜单元8整合经过的投影光线的传播方向。也就是说，双成像面为了对接后续的光学系统如二次放大光学系统，需要整合经所述第一成像面4出射的第一投影光线01及经所述第二成像面5出射的第二投影光线02的传播方向。

参见图2，以第二成像面5为例，所述投影镜头3出射的第二投影光线02经过所述第二成像面5前表面设置的微结构棱镜单元7后，所述第二投影光线02会偏转走向形成偏转光线021。需要说明的是，通过调整微结构棱镜单元7中微棱镜的倾角可以实现不同的偏转角度。偏转光线021经过所述第二成像面5后表面的微结构散射镜单元8后，就可实现光线角度的扩张，形成扩张光线022，这样就能够与后续光学系统进行匹配。

其中，所述微结构棱镜单元7可以实现投影光线的偏转，所述微结构散射镜单元8可以实现光线的扩张。

在本申请的一些示例中，所述第一成像面4及所述第二成像面5靠近所述投影镜头3一侧的表面均层叠设置有微结构棱镜单元7及微结构散射镜单元8。

需要说明的是，所述微结构棱镜单元7及所述微结构散射镜单元8也可以设置在任一成像面的同一侧表面上，二者呈层叠设置。其中，所述微结构棱镜单元7设置于所述微结构散射镜单元8之上即可。

其中，所述微结构棱镜单元7包括按照设定方式排列的多个微棱镜。

其中，所述微结构散射镜单元8包括按照设定方式排列的多个微散射镜。

需要说明的是，所述微结构棱镜单元7中的多个微棱镜可以为周期性的整列排列，也可以是随机排列，本申请中对此不作具体限制。同样地，所述微结构散射镜单元8中的多个微散射镜可以为周期性的整列排列，也可以是随机排列，本申请中对此不作具体限制。

在成像面上采用上述的微结构棱镜单元7及微结构散射镜单元8，其中的微棱镜及微散射镜尺寸很小，例如在尺寸上可以做到小于一个像素，这样不会造成对最终投影图像的干扰和串扰，驾驶员目视的清晰度会更好。

在本申请的一些示例中，所述第一成像面4与所述第二成像面5在相互错开的方向上，所述第一实像与所述第二实像的比例为1～3：1。

其中，所述第一成像面4距离所述投影镜头3更近一些，其最终用于形成远景图像。所述第二成像面5距离所述投影镜头3稍远一些，其最终用于形成近景图像。

此外，通过调整所述调焦模组6的有效孔径的大小，还可以控制所述第一成像面4和所述第二成像面5的成像画面的比例，进而调整车载抬头显示装置最终形成的两个虚像面的大小比例。

在本申请的一些示例中，所述第一成像面4与所述第二成像面5之间的间距≥10mm。

为了实现双虚像功能，需要两个成像面错开10mm甚至更远的距离。

其中，通过调整所述调焦模组6的光焦度可以控制所述第一成像面4与所述第二成像面5之间的间距。

根据本申请的另一方面，提供了一种车载抬头显示装置。

本申请实施例提供的车载抬头显示装置，可以是基于挡风玻璃的HUD系统，也可以是基于增强现实(Augmented Reality，AR)技术的HUD系统，对此不做限制。

本申请示例性地以基于挡风玻璃的HUD系统为例，说明车载抬头显示装置。

本申请实施例提供的车载抬头显示装置，参见图3，所述车载抬头显示装置包括如上所述的投影系统以及曲面镜模组9；其中，所述曲面镜模组9设于所述投影系统的一侧。

在本申请的一些示例中，参见图3，所述第一成像面4出射的第一投影光线01及所述第二成像面5出射的第二投影光线02均射向所述曲面镜模组9，所述曲面镜模组9用于将所述第一投影光线01及所述第二投影光线02反射至车辆的挡风玻璃(图3中未示出)，再经过所述挡风玻璃反射后进入人眼，形成距离不同的双虚像。

其中，所述曲面镜模组9属于所述投影系统后方的二次光学放大系统。

所述曲面镜模组9具有反射功能，可以将接收到的所有投影光线反射向车辆的挡风玻璃，投影光线再经所述挡风玻璃反射至人眼，也即驾驶员的双目进行成像。例如可以在人眼形成的图像的反向延长线在车辆的前方合适的位置处形成虚像。

根据本申请实施例提供的车载抬头显示装置，从所述第一成像面4及所述第二成像面5扩张后的光线的出射角度要与入射进入所述曲面镜模组9的光线相匹配。如此，才能保证驾驶员能够看到清晰且完整的投影图像。

其中，所述曲面镜模组9中可以包括两片自由曲面反射镜、一片自由曲面反射镜或者一片平面反射镜等。在实际应用中，可以根据成像的距离要求和质量进行选择。

其中，自由曲面反射镜可以更好的校正图像的像差，利于提升投影图像的质量。

根据本申请的又一个实施例，提供了一种车辆。所述车辆包括如上所述的车载抬头显示装置以及挡风玻璃；其中，所述挡风玻璃设置在所述车载抬头显示装置的投影光线传输的传输路径上。

所述挡风玻璃可用于将经所述曲面镜模组9反射来的投影光线反射至人眼，所述人眼的光线的反向延长线在所述挡风玻璃前方的目标位置处形成虚像。

本申请实施例的车辆的具体实施方式可以参照上述车载抬头显示装置各实施例，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。

虽然已经通过示例对本申请的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本申请的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本申请的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本申请的范围由所附权利要求来限定。