一种抬头显示模组及台式抬头显示装置的制作方法

1.本技术涉及抬头显示技术领域，具体涉及一种抬头显示模组及台式抬头显示装置。


背景技术：

2.抬头显示作为新技术在汽车领域得到了广泛的应用，把车速、导航等重要信息投影在驾驶员前方，驾驶员不需要低头就能看到车辆的行驶信息，这样更有利于驾驶安全。
3.但在其他领域，抬头显示技术的应用还很少，比如台式的抬头显示，台式抬头显示光学系统与汽车抬头显示的使用场景有很大的不同，汽车抬头显示只要显示车速、导航等关键信息投影出就可以，不需要大的视场角，而台式抬头显示光学系统一般应用在家庭影院，其功能是代替电视机，需要将图像信息源投影至电视屏幕的大小，电视屏幕越大，显示的内容越多，观看感受更好，因此相对于汽车抬头显示需要更大的视场角。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种抬头显示模组及台式抬头显示装置，能够应用于大视场角的场景。
5.本技术实施例的一方面，提供了一种抬头显示模组，包括图像生成器，以及依次设置于所述图像生成器出光光路上的反射镜组和目视镜，所述反射镜组的接收面为自由曲面，所述目视镜为平面反射镜，所述图像生成器发射有目标图像的投影光线依次至所述反射镜组和所述目视镜，再经所述目视镜至眼盒以进入人眼。
6.可选地，所述反射镜组包括沿所述出光光路依次设置的第一反射镜和第二反射镜，所述图像生成器和所述第一反射镜之间的距离d1、所述第一反射镜和所述第二反射镜之间的距离d2、所述第二反射镜和所述目视镜之间的距离d3、所述目视镜和所述眼盒之间的距离d4同时满足：180mm≤d1≤230mm，300mm≤d2≤350mm，350mm≤d3≤380mm，440mm≤d4≤460mm。
7.可选地，所述图像生成器相对于主光线逆时针偏转20
°
～28
°
设置，所述第一反射镜相对于主光线顺时针偏转15
°
～18
°
设置，所述第二反射镜相对于主光线顺时针偏转15
°
～18
°
设置，所述目视镜相对于主光线顺时针偏转50
°
～65
°
设置。
8.可选地，所述第一反射镜和所述第二反射镜的接收面为凹面，所述凹面表面的矢高z满足公式：
[0009][0010]
其中c为所述第一反射镜和第二反射镜的球面曲率，k为二次项系数，r为反射镜的径向口径，ai为多项式系数，ei(x，y)为x与y的多项式表达式，x和y分别是相对于矢高z的三维数据上x与y方向的数值。
[0011]
可选地，所述第一反射镜的球面曲率半径为1800mm～2200mm，n≤3时，ei(x，y)的
多项式系数为：a1为-0.01～0，a2为-0.2～0，a3为10～12，a4为-1.5～0，a5为-1～0。
[0012]
可选地，所述第二反射镜的球面曲率半径为4500mm-4800mm，n≤3时，ei(x，y)的多项式系数为：a1为-0.03～0，a2为-0.04～0，a3为12～14，a4为-0.3～0，a5为8～10。
[0013]
可选地，所述抬头显示模组的有效焦距为500mm～700mm之间，所述抬头显示模组的投影距离大于7m
；
[0014]
所述眼盒在水平方向的尺寸为120mm～140mm之间，所述眼盒在垂直方向的尺寸为70mm～80mm之间。
[0015]
可选地，所述图像生成器包括背光源与图像生成模块，所述图像生成模块位于所述背光源的出光侧。
[0016]
可选地，所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述目视镜的光学接收面均设置有光学增反膜。
[0017]
本技术实施例的另一方面，提供了一种台式抬头显示装置，包括：外壳和上述的抬头显示模组，所述抬头显示模组的图像生成器和反射镜组位于所述外壳内，所述目视镜活动连接于所述外壳的出光口，所述眼盒位于所述外壳外。
[0018]
本技术实施例提供的抬头显示模组及台式抬头显示装置，图像生成器发射有目标图像的投影光线，并依次经反射镜组、目视镜的反射至眼盒以进入人眼。其中，反射镜组的接收面为自由曲面，以校正光学系统的像差，同时可以减少系统中元件的数量，减小系统的体积与质量，目视镜为平面反射镜以消除图像重影，使得图像质量更高。本技术通过各个反射镜的面型、距离以及焦距的控制，以达到大视差角的效果。
附图说明
[0019]
为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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获得其他相关的附图。
[0020]
图1是本实施例提供的抬头显示模组结构示意图；
[0021]
图2是本实施例提供的抬头显示模组的投影效果图；
[0022]
图3是本实施例提供的抬头显示模组的光线成像图。
[0023]
图标：1-图像生成器；2-第一反射镜；3-第二反射镜；4-目视镜；5-眼盒；6-外壳；7-出光口；8-投影虚像。
具体实施方式
[0024]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0025]
在本技术的描述中，需要说明的是，术语“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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的台式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技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0026]
还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0027]
请参照图1所示，本技术实施例提供一种抬头显示模组，包括：图像生成器1，以及依次设置于图像生成器1出光光路上的反射镜组和目视镜4，反射镜组的接收面为自由曲面，目视镜4为平面反射镜，图像生成器1发射有目标图像的投影光线依次至反射镜组和目视镜4，再经目视镜4至眼盒5以进入人眼。
[0028]
图像生成器1用于发射有目标图像的投影光线至发射镜组，其中反射镜组可以包括有多个反射镜以依次反射投影光线至目视镜4，反射镜组可以改变光路的方向，以便根据需要进行空间布局。
[0029]
示例地，在本技术的一个可实现的方式中，反射镜组包括沿出光光路依次设置的第一反射镜2和第二反射镜3，第一反射镜2配置为接收并反射图像生成器1发射的投影光线，以形成第一反射光线；第二反射镜3配置为接收并反射第一反射光线，已形成第二反射光线。本技术通过反射镜组，使得本技术的抬头显示模组形成一个非对称系统，如图1所示，投影光线经过不同方向的多路转折，最后到达眼盒5。
[0030]
反射镜组的接收面为自由曲面，就是说反射镜组中的每个反射镜的接收面均为自由曲面，例如上述第一反射镜2和第二反射镜3的接收面均为自由曲面。相较于传统旋转对称曲面，例如球面镜、非球面镜来说，自由曲面面型更加灵活，可以为光学设计带来更多的设计自由度，有很强的面型描述能力与很好的像差校正能力，特别适用于校正光学系统的像差，尤其是像本技术中的非对称系统(指失去旋转对称性结构的系统，可以包含有平面对称性但无旋转对称性的系统)，同时可以减少系统中元件的数量，减小系统的体积与质量，实现传统光学系统难以实现的系统参数、结构与功能；适用于汽车抬头显示器(head-up display，hud)领域。
[0031]
目视镜4配置为接收第二反射光线，并反射形成第三反射光线至眼盒5位置以进入人眼；目视镜4为平面反射镜，平面反射镜用于消除图像重影。
[0032]
按照上述设置得到的抬头显示模组，其有效焦距为500mm～700mm，投影距离大于7m，水平视场角大于11
°
，垂直视场角大于6
°
。而眼盒5在水平方向的尺寸为120mm～140mm之间，具体为130mm；眼盒5在垂直方向的尺寸为70mm～80mm之间,具体为75mm。
[0033]
由此，本技术实施例提供的抬头显示模组，图像生成器1发射有目标图像的投影光线，并依次经反射镜组、目视镜4的反射至眼盒5以进入人眼。其中，反射镜组的接收面为自由曲面，以校正光学系统的像差，同时可以减少系统中元件的数量，减小系统的体积与质量，目视镜4为平面反射镜以消除图像重影，使得图像质量更高。本技术通过各个反射镜面型、距离以及焦距的控制，以达到大视差角的效果，本技术实施例提供的抬头显示模组，可实现在7米处观看70英寸的电视效果。
[0034]
进一步地，图像生成器1和第一反射镜2之间的距离d1、第一反射镜2和第二反射镜3之间的距离d2、第二反射镜3和目视镜4之间的距离d3、目视镜4和眼盒5之间的距离d4同时满足：180mm≤d1≤230mm，300mm≤d2≤350mm，350mm≤d3≤380mm，440mm≤d4≤460mm。上述四个距离同时满足时，使得抬头显示模组可以获得更大的视场角。
[0035]
图像生成器1相对于主光线逆时针偏转20
°
～28
°
设置，第一反射镜2相对于主光线顺时针偏转15
°
～18
°
设置，第二反射镜3相对于主光线顺时针偏转15
°
～18
°
设置，目视镜4相对于主光线顺时针偏转50
°
～65
°
设置，目视镜4可根据观看者的舒适度调节。
[0036]
上述主光线是从图像生成器1中心位置发射的一根光线，该光线经过第一反射镜2中心、第二反射镜3中心、目视镜4中心，最终达到眼盒5中心位置的光线。
[0037]
进一步地，第一反射镜2和第二反射镜3的接收面为凹面，凹面表面的矢高z满足公式：
[0038][0039]
其中c为第一反射镜2和第二反射镜3的球面曲率，k为二次项系数，r为反射镜的径向口径，ai为多项式系数，ei(x，y)为x与y的多项式表达式，x和y分别是相对于矢高z的三维数据上x与y方向的数值。
[0040]
其中，第一反射镜2的球面曲率半径为1800mm～2200mm，n≤3时，ei(x，y)的多项式系数为：a1为-0.01～0，a2为-0.2～0，a3为10～12，a4为-1.5～0，a5为-1～0。
[0041]
第二反射镜3的球面曲率半径为4500mm-4800mm，n≤3时，ei(x，y)的多项式系数为：a1为-0.03～0，a2为-0.04～0，a3为12～14，a4为-0.3～0，a5为8～10。
[0042]
图像生成器1包括背光源与图像生成模块，图像生成模块位于背光源的出光侧。
[0043]
换言之，图像生成器1可以是背光模块与图像生成模块的组合，图像生成模块位于出光测，背光模块提供照明光源以作为背光源，图像生成器1也可以是手机或平板等屏幕图像。
[0044]
此外，第一反射镜2、第二反射镜3和目视镜4的光学接收面均设置有光学增反膜。
[0045]
下述给出一个具体示例：
[0046]
图像生成器1采用5.5英寸的手机屏幕做投影光源，第一反射镜2、第二反射镜3均采用自由曲面镜，目视镜4采用平面反射镜，投影光线到达平面反射镜被绝大部分被反射至眼盒5，未造成光能的浪费；少部分光线透射到平面反射镜的另一面，另一面涂有光学吸收材料，被完全吸收，可以解决图像重影问题，图2为本示例的投影效果图。
[0047]
图像生成器1的屏幕中心到第一反射镜2的距离为226mm，第一反射镜2到第二反射镜3的距离为330mm，第二反射镜3到目视镜4距离为370mm，目视镜4到眼盒5的距离为450mm。
[0048]
图像生成器1屏幕相对于主光线逆时针偏转27
°
，第一反射镜2相对于主光线顺时针偏转15
°
，第二反射镜3相对于主光线顺时针偏转18
°
，目视镜4相对于主光线顺时针偏转60
°
。
[0049]
第一反射镜2的球面曲率半径为2087mm，n＝3内，ei(x，y)的多项式系数为：a1为0，a2为-0.155，a3为11.325，a4为-1.436，a5为-0.612。
[0050]
第二反射镜3的球面曲率半径为4500mm-4800mm，n＝3内，ei(x，y)的多项式系数为：a1为-0.03，a2为-0.037，a3为13.122，a4为-0.277，a5为9.715。
[0051]
可以跟据图像像质的需要，提高n的大小设置更多的ei(x，y)的多项式系数，同时也会造成反射镜曲面的加工难度。
[0052]
上述示例的抬头显示模组可以将5.5英寸的屏幕大小投影至7.5m处，大小相当于
55英寸的屏幕，其眼盒5大小为水平130mm，垂直75mm，这个光学系统的焦距为515mm。
[0053]
逆向建立光学模型，光从投影虚像8处发射光线，测试在屏幕端汇聚效果较好，如图3所示，这个光学系统的性能优良。
[0054]
本技术实施例还公开了一种台式抬头显示装置，包括外壳6和如上任意一项的抬头显示模组，抬头显示模组的图像生成器1和反射镜组位于外壳6内，目视镜4活动连接于外壳6的出光口7，眼盒5位于外壳6外。
[0055]
示例地，图1中外壳6在目视镜4下方开有出光口7，出光口7与投影光线不发生干涉。
[0056]
另一方面，汽车抬头显示是将图像源投影到挡风玻璃以形成图像，而汽车挡风玻璃是透明的结构，图像源投影到挡风玻璃时，必然会有大部分光能透过挡风玻璃造成光能的浪费，台式抬头显示装置没有挡风玻璃可以投影，需要设计光路系统以解决投影问题以及需要节约光能。本技术的台式抬头显示装置的光路中，没有透明的光学结构，图像生成器1发出的光经过反射镜组和目视镜4反射到眼盒5处，没有透射而造成光能的浪费。
[0057]
该台式抬头显示装置包含与前述实施例中的抬头显示模组相同的结构和有益效果。抬头显示模组的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。
[0058]
以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种抬头显示模组，其特征在于，包括：图像生成器，以及依次设置于所述图像生成器出光光路上的反射镜组和目视镜，所述反射镜组的接收面为自由曲面，所述目视镜为平面反射镜，所述图像生成器发射有目标图像的投影光线依次至所述反射镜组和所述目视镜，再经所述目视镜至眼盒以进入人眼。2.根据权利要求1所述的抬头显示模组，其特征在于，所述反射镜组包括沿所述出光光路依次设置的第一反射镜和第二反射镜，所述图像生成器和所述第一反射镜之间的距离d1、所述第一反射镜和所述第二反射镜之间的距离d2、所述第二反射镜和所述目视镜之间的距离d3、所述目视镜和所述眼盒之间的距离d4同时满足：180mm≤d1≤230mm，300mm≤d2≤350mm，350mm≤d3≤380mm，440mm≤d4≤460mm。3.根据权利要求2所述的抬头显示模组，其特征在于，所述图像生成器相对于主光线逆时针偏转20
°
～28
°
设置，所述第一反射镜相对于主光线顺时针偏转15
°
～18
°
设置，所述第二反射镜相对于主光线顺时针偏转15
°
～18
°
设置，所述目视镜相对于主光线顺时针偏转50
°
～65
°
设置。4.根据权利要求2所述的抬头显示模组，其特征在于，所述第一反射镜和所述第二反射镜的接收面为凹面，所述凹面表面的矢高z满足公式：其中c为所述第一反射镜和第二反射镜的球面曲率，k为二次项系数，r为反射镜的径向口径，ai为多项式系数，ei(x，y)为x与y的多项式表达式，x和y分别是相对于矢高z的三维数据上x与y方向的数值。5.根据权利要求4所述的抬头显示模组，其特征在于，所述第一反射镜的球面曲率半径为1800mm～2200mm，n≤3时，ei(x，y)的多项式系数为：a1为-0.01～0，a2为-0.2～0，a3为10～12，a4为-1.5～0，a5为-1～0。6.根据权利要求4所述的抬头显示模组，其特征在于，所述第二反射镜的球面曲率半径为4500mm-4800mm，n≤3时，ei(x，y)的多项式系数为：a1为-0.03～0，a2为-0.04～0，a3为12～14，a4为-0.3～0，a5为8～10。7.根据权利要求1至6任一项所述的抬头显示模组，其特征在于，所述抬头显示模组的有效焦距为500mm～700mm之间，所述抬头显示模组的投影距离大于7m
；
所述眼盒在水平方向的尺寸为120mm～140mm之间，所述眼盒在垂直方向的尺寸为70mm～80mm之间。8.根据权利要求1所述的抬头显示模组，其特征在于，所述图像生成器包括背光源与图像生成模块，所述图像生成模块位于所述背光源的出光侧。9.根据权利要求2所述的抬头显示模组，其特征在于，所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述目视镜的光学接收面均设置有光学增反膜。10.一种台式抬头显示装置，其特征在于，包括外壳和所述权利要求1至9任一项所述的抬头显示模组，所述抬头显示模组的图像生成器和反射镜组位于所述外壳内，所述目视镜活动连接于所述外壳的出光口，所述眼盒位于所述外壳外。

技术总结
本申请提供一种抬头显示模组及台式抬头显示装置，涉及抬头显示技术领域，包括：图像生成器，以及依次设置于图像生成器出光光路上的反射镜组和目视镜，反射镜组的接收面为自由曲面，目视镜为平面反射镜，图像生成器发射有目标图像的投影光线依次至反射镜组和目视镜，再经目视镜至眼盒以进入人眼。图像生成器发射有目标图像的投影光线，并依次经反射镜组、目视镜的反射至眼盒以进入人眼。其中，反射镜组的接收面为自由曲面，以校正光学系统的像差，同时可以减少系统中元件的数量，减小系统的体积与质量，目视镜为平面反射镜以消除图像重影，使得图像质量更高。本申请通过各个反射镜的面型、距离以及焦距的控制，以达到大视场角的效果。果。果。


技术研发人员：李礼操 郝小龙 刘风雷
受保护的技术使用者：浙江水晶光电科技股份有限公司
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/7/12