一种反射式车载抬头显示系统的制作方法

本发明涉及一种反射式车载抬头显示系统，整体系统属于反射式离轴光学系统，主要应用于商用汽车中作为驾驶信息实时平视显示。

背景技术：

1、抬头显示(head up display)系统又称为平视显示系统，是指通过光学元件，将车辆实时驾驶信息投影至车辆驾驶员视野中心位置的车机系统，可以在车辆行驶的过程中，将车速、油量、导航等信息实时投影至汽车前挡风玻璃处，光线再经由挡风玻璃进入人眼，使得驾驶员可以在开车过程中，无需低头、转移视线即可获取车辆行驶的必要信息，减轻了视觉疲劳，保证行车安全。

2、目前hud系统多数为反射式离轴光学系统，通常由图像生成单元(pgu)、平面(自由曲面)反射镜组以及作为投影平面的汽车前挡风玻璃组成，按照发展顺序又可分为c-hud、w-hud、ar-hud，传统hud系统大多采用单自由曲面+平面反射镜或者双自由曲面光学方案，此方案有着易于加工、结构简单、方便安装等优点，同时存在着系统光学体积较大、难以优化等不足。随着目前商用hud的普及，对于抬头显示内容的丰富程度要求逐渐增加，对hud系统光学体积、成像质量等要求不断提高，传统hud光学方案逐渐无法满足车机系统微小化、集成化的需求。

3、梯度折射率透镜为一种非均匀折射率透镜，相比于传统光学元件均匀介质的特点，梯度折射率透镜内部材料分布按照一定规律变化，进而透镜折射率分布也呈连续性变化，在hud系统中使用梯度折射率透镜代替自由曲面反射镜或者平面反射镜，可有效减小系统体积，对光场进行便捷的方向性调控。

技术实现思路

1、发明目的：针对上述现有技术，提出一种反射式车载抬头显示系统，采用梯度折射率透镜代替传统自由曲面反射镜，简化系统光学组件，减小系统光学体积。

2、技术方案：一种反射式车载抬头显示系统，整体基于反射式光学结构，通过一套离轴光学系统将必要信息进行投影操作。整套系统由图像生成单元(pgu)、梯度折射率透镜、平面(自由曲面)反射镜、汽车前挡风玻璃组成。整套hud车机系统位于车辆驾驶位置正前方、前挡风玻璃下方位置。在驾驶员开车过程中，将地图导航、实时车速、剩余油量等信息以光线形式传播至人眼。其中pgu图像生成单元负责输出渲染原始图像，发出的光线经过梯度折射率透镜，梯度折射率透镜由非均匀介质材料组成，其折射率随着位置的变化呈连续性变化，对于不同位置的光线能够针对性地进行方向性调制，进而代替了传统hud系统中的自由曲面反射镜结构对光线进行调制，可将原始图像等比例放大或者是改变其传播角度。同时梯度折射率透镜还可以通过设计折射率的规律变化进行像差的校正，进一步优化hud成像质量。光线经过梯度折射率透镜调制后，经由平面反射镜或者自由曲面反射镜发射投影至汽车前挡风玻璃上，最终光线广宣经过汽车前挡风玻璃的反射后进入人眼视野的中央位置，同时光线反向延长线在汽车行驶前方固定距离处聚焦形成原始图像放大后的虚像，使得驾驶员在不低头的情况下即可获取车辆的实时驾驶信息，避免了来回切换视野导致的视觉疲劳，保障了行车安全。

3、grin梯度折射率透镜是一种现有透镜，为解决传统光学透镜中的色散、像差问题，相比于传统透镜，其特殊性在于内部折射率存在方向性上的变化，使用在光学系统中，可有效改善光学系统的性能，提高成像质量，减小像差等。

4、进一步的，原始图像的放大输出过程通过梯度折射率透镜实现，梯度折射率透镜不同位置折射率按规律连续分布，进而对图像生成单元发出的光线进行传播方向上的调制，实现准直或放大功能。

5、进一步的，梯度折射率透镜的折射率按规律连续分布，通过调整透镜不同位置不同材料相对比例实现。

6、进一步的，折射率分布与梯度折射率透镜组成材料、折射率具体位置、该位置的材料构成相关，并呈加权关系，梯度折射率透镜中p点位置的折射率为：

7、

8、其中，n表示梯度折射率透镜组成材料的种类，n种材料对应的折射率分别为n1、n2、n3......nn，对应组分占比分别为m1、m2、m3......mn。

9、进一步的，所述梯度折射率透镜的表面形状为曲面，以校正挡风玻璃曲率引入的像差。

10、进一步的，挡风玻璃曲率引入的像差，可经由调节梯度折射率透镜(1002)内部折射率分布进行校正。

11、根据权利要求1所述的车载抬头显示系统，其特征在于，所述反射镜(1003)为平面反射镜或自由曲面反射镜。

12、有益效果：本发明在车载抬头显示系统中使用了梯度折射率透镜，相较于传统的自由曲面hud光学方案，具备系统光学体积小、易于装配，成像质量好等优势，通过对梯度折射率透镜中折射率分布的控制，不仅可以实现原始图像的放大，还可以控制图像像差，进一步优化成像质量。

技术特征：

1.一种反射式车载抬头显示系统，其特征在于，包括图像生成单元(1001)、梯度折射率透镜(1002)、反射镜(1003)、前挡风玻璃(1004)；光线由图像生成单元(1001)发出，依次经过梯度折射率透镜(1002)调制放大、反射镜(1003)投影至前挡风玻璃(1004)，最终反射进入人眼视野中心(1005)。

2.根据权利要求1所述的反射式车载抬头显示系统，其特征在于，原始图像的放大输出过程通过梯度折射率透镜(1002)实现，梯度折射率透镜不同位置折射率按规律连续分布，进而对图像生成单元发出的光线进行传播方向上的调制，实现准直或放大功能。

3.根据权利要求2所述的反射式车载抬头显示系统，其特征在于，梯度折射率透镜(1002)的折射率按规律连续分布，通过调整透镜不同位置不同材料相对比例实现。

4.根据权利要求3所述的反射式车载抬头显示系统，其特征在于，折射率分布与梯度折射率透镜(1002)组成材料、折射率具体位置、该位置的材料构成相关，并呈加权关系，梯度折射率透镜(1002)中p点位置的折射率为：

5.根据权利要求1所述的反射式车载抬头显示系统，其特征在于，所述梯度折射率透镜(1002)的表面形状为曲面，以校正挡风玻璃曲率引入的像差。

6.根据权利要求1所述的反射式车载抬头显示系统，其特征在于，挡风玻璃曲率引入的像差，可经由调节梯度折射率透镜(1002)内部折射率分布进行校正。

7.根据权利要求1所述的反射式车载抬头显示系统，其特征在于，所述反射镜(1003)为平面反射镜或自由曲面反射镜。

8.根据权利要求1所述的反射式车载抬头显示系统，其特征在于，所述系统位于车辆驾驶位置正前方、前挡风玻璃下方位置；在驾驶员开车过程中，将地图导航、实时车速、剩余油量信息以光线形式传播至人眼。

技术总结本发明公开了一种反射式车载抬头显示系统，包括图像生成单元、梯度折射率透镜、反射镜、前挡风玻璃。系统位于驾驶座正前方、前挡风玻璃下方位置。图像生成单元负责产生原始图像，发出光线经过梯度折射率透镜，通过梯度折射率透镜进行方向调制后，经由反射镜投影至汽车前挡风玻璃上，最后光线经由挡风玻璃反射进入人眼，在汽车行驶前方固定距离处成虚像，使驾驶员在不低头的情况下获取车辆的实时驾驶信息，避免了来回切换视野导致的视觉疲劳，保障了行车安全。本发明采用梯度折射率透镜作为中间光学元件设计车载抬头显示系统，相比于传统的基于自由曲面的车载抬头显示系统具有着光学体积小、空间利用率高、成像质量好的特点，可应用于各种车型中。技术研发人员：周玮琦,何乃龙,潘江涌,沈忠文,苏中方,张宇宁受保护的技术使用者：新型显示与视觉感知石城实验室技术研发日：技术公布日：2024/5/16