[發明專利]一種車載虛擬現實抬頭顯示系統

在審

• 申請號: 202110439212.X
• 申請日: 2021-04-23
• 公開（公告）號: CN113138463A
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發明（設計）人: 張子輝;付瀚毅;楊小虎
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: G02B27/01
• 分類號: G02B27/01
• 代理公司: 長春眾邦菁華知識產權代理有限公司 22214
• 代理人: 張偉

本發明涉及一種車載虛擬現實抬頭顯示系統，該系統安裝于駕駛員位置前側的預設位置處，包括顯示屏、補償鏡、次鏡和混合器；顯示屏用于顯示車輛信息或者導航信息，顯示屏發射的光線經過補償鏡進行像散補償后入射至次鏡，次鏡將光線反射至混合器，混合器將次鏡反射的光線和路面散射光線進行重疊后投射至人眼附近的虛擬Eye Box，使顯示屏經過補償鏡、次鏡和混合器后的虛像位于距離駕駛員位置預設距離的路面上。本發明能夠將顯示屏所顯示的信息與路面信息在人眼附近的虛擬Eye Box內相重疊，實現虛擬現實的功能，仿真表明該系統實用有效，其不僅可以使汽車儀表盤輕量化，而且可以節約汽車的寶貴空間。

技術領域

本發明涉及汽車設備技術領域，特別是涉及一種車載虛擬現實抬頭顯示系統。

背景技術

汽車的形式狀態直接關系到汽車的安全性、燃油經濟型、操控穩定性等性能，而汽車是通過儀表顯示汽車的行駛參數來反映汽車行駛狀態的。雖然傳統的儀表使用方便、成熟、可靠，但是還存在致命的缺點。傳統的儀表盤的不足主要表現在儀表的視認性差。駕駛員的視線從前視野轉移到需要觀察的儀表盤這一視線由遠及近的轉移經歷了視線轉移、雙眼焦點調節、讀取儀表信息三個步驟。每個環節需要的時間與人眼視力響應時間有關。據統計資料顯示，駕駛員視線從前視野轉移到目標儀表讀取信息然后視線重新轉移到前視野這一過程需要4s～7s左右，在這一過程中駕駛員會有3s～5s左右的時間是低頭查看儀表盤的。如果車速為100km/h時，汽車在駕駛員低頭查看儀表盤的3s～5s的時間內已經行駛了83m～138m。這段低頭的時間屬于駕駛盲區時間，非常危險，道路中的交通事故約有20％與這段駕駛盲區時間有關。因此，縮短駕駛盲區時間顯得尤為重要。車載抬頭顯示系統(HeadsUp Display，HUD)可以使駕駛員不需要在汽車行駛過程中低頭查看儀表盤來獲取汽車行駛狀態信息，有效避免交通事故的發生。

HUD系統主要分為直接反射式、擋風玻璃集成式和間接集成式三種類型，其中直接反射式抬頭顯示系統屬于后裝市場應用，間接集成式抬頭顯示系統在前裝和后裝市場上均有應用，擋風玻璃集成式抬頭顯示系統屬于前裝車載應用。三者的應用目的相同，成像顯示原理類似，細節有所不同。

直接反射式抬頭顯示系統是最為簡化的HUD系統，顯像器上顯示反向的圖像，經擋風玻璃反射后一次成像得到正向的虛像。因為只經過一次反射，因此這種方式視距較短，通常不超過0.5m。這種方式的HUD成本低，體積小，開發周期短，為了提高顯示效果，發光源一般采用段碼式的顯示屏，顯示內容也只是格式固定的駕駛信息。安裝時，需在擋風玻璃上貼上一定大小的特定折射率的顯示膜，LED光源將格式固定內容單一的行駛相關信息投射至顯示膜上，即可觀察到相應的信息。

該直接反射式抬頭顯示系統將重要的信息顯示在前擋風玻璃上，安裝簡單開發成本低，后裝市場上應用較多。但也存在嚴重的缺點：功能簡單，色彩比較單一，只能顯示預訂的、固化格式的信息，清晰度一般，且視距很短，一般只有0.5m左右。

擋風玻璃集成式抬頭顯示系統在真正意義上詮釋了其在汽車上的完美應用，與飛機上抬頭顯示系統顯示飛機飛行信息有異曲同工之處。它將用戶需要的內容通過光學系統投射到前擋風玻璃上，人眼透過擋風玻璃觀察外界景象時可以在平視范圍內觀察到HUD虛像。投射光源將圖像源投射在顯示器上，顯示器上的圖像經過第一次反射由反射器反射至弧面反射器上，接著經過第二次反射投射至擋風玻璃上，最后擋風玻璃進行第三次反射最終將光線射入用戶眼睛。因此，人眼透過擋風玻璃可以觀察到平視視野前方的虛像。擋風玻璃集成式抬頭顯示系統能夠有效縮短視線移動以及焦點調節的時間，提高了行車安全性，增加了駕駛舒適度。

開發該擋風玻璃集成式抬頭顯示系統有兩個技術難點：第一，擋風玻璃制造工藝要求非常苛刻，需用鍍膜的方法將一種透明的高折射率材料鍍在擋風玻璃的表層部分。為了避免觀察到重影現象，該塑料膜是以楔形分布方式覆蓋在擋風玻璃上的。第二，整車制造工藝需更加精準，要求整車制造具有很好的一致性。這種方式的抬頭顯示系統的顯示視距大于兩米，視場較大，能夠顯示更加豐富的車輛信息。此方式HUD顯示內容多樣化，可根據需求顯示導航、車輛航道偏移提示、限速提醒等信息，在高端車上應用廣泛。