HUD成像系统、HUD的制作方法

本申请涉及光学、数字数据处理领域，具体而言，涉及一种HUD成像系统、实现方法、HUD。

背景技术：

抬头显示器(英文全称：head up display，简称：HUD)，最早出现在战斗机上，为了让飞行员不用频繁低头看仪表集中注意力，将重要信息在视线前方的一块透明玻璃上显示。按照显示屏的不同，HUD可分为CHUD (Combiner-HUD，组合型抬头显示器)和WHUD(Windshield HUD挡风玻璃型抬头显示器)。

发明人发现，在Combiner-HUD采用反射式组合器(combiner)实现图像的放大和反射。在Windshield-HUD采用风挡玻璃以及自由曲面反射镜来实现图像的放大和反射。即Combiner-HUD和Windshield-HUD均采用反射方式进行图像的放大和反射，组合器(combiner)与风挡玻璃(Windshield)的反射率和透过率互补，如果反射率增加，则透过率则会降低。进而造成了HUD成像系统中光能利用率低，功耗较高的问题。

针对相关技术中HUD成像系统光能利用率较低、功耗较高的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本申请的主要目的在于提供一种HUD成像系统、HUD，以解决UD成像系统光能利用率较低、功耗较高的问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种HUD成像系统。

根据本申请的HUD成像系统包括：采用激光光源的图像生成单元PGU、图像成像单元以及采用包括反射式全息图的透明材质的全息光学元件HOE，所述采用激光光源的图像生成单元PGU上的投影图像经过所述图像成像单元反射至所述采用包括反射式全息图的透明材质的全息光学元件HOE。

进一步地，所述全息光学元件HOE为：组合型HUD的Combiner组合器。

进一步地，所述全息光学元件HOE为：挡风玻璃型HUD的风挡玻璃。

进一步地，在所述图像生成单元PGU采用MEMS微反射镜对所述激光光源扫描成像。

进一步地，在所述图像生成单元PGU中的RGB激光光源的波长与所述全息光学元件HOE中RGB全息图的记录波长一致。

进一步地，所述全息光学元件HOE包括：单层、双层或三层的全息图，其中，每层分别对应RGB三种单色光中的任一一种。

进一步地，所述图像成像单元采用单个成像透镜或者至少包括两个透镜的成像透镜组。

为了实现上述目的，根据本申请的另一方面，提供了一种HUD。

根据本申请的HUD包括：所述的HUD成像系统。

进一步地，所述HUD为组合型HUD。

进一步地，所述HUD为挡风玻璃型HUD。

在本申请实施例中HUD成像系统、HUD，采用采用激光光源的图像生成单元PGU、图像成像单元以及采用包括反射式全息图的透明材质的全息光学元件HOE组合的方式，通过所述采用激光光源的图像生成单元PGU上的投影图像经过所述图像成像单元反射至所述采用包括反射式全息图的透明材质的全息光学元件HOE，达到了降低功耗，同时保证CHUD组合器或WHUD 风挡玻璃的高透过率的目的，从而实现了提高光能利用率，降低功耗以及减小系统体积的技术效果，进而解决了HUD成像系统光能利用率较低、功耗较高的技术问题。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的HUD成像系统结构示意图；

图2是根根据本申请实施例的HUD成像系统中的光路示意图；

图3是全息图的记录过程示意图；

图4是全息图的再现过程示意图；

图5是MEMS微反射镜激光扫描成像示意图；

图6是HUD成像系统的HUD结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本申请中的HUD成像系统中，采用激光光源投影作为图像生成单元 (PGU)，采用反射式HOE作为组合器或风挡玻璃，可以显著提高成像系统的反射率或光能利用率。降低功耗的同时保证组合器或风挡玻璃的高透过率。此外，由于采用反射式HOE可以提供一定的光焦度，可以一定程度上的减小整个光学成像系统中的长度和体积。

如图1和图2所示，该HUD成像系统包括：采用激光光源的图像生成单元PGU10、图像成像单元20以及采用包括反射式全息图的透明材质的全息光学元件HOE30，所述采用激光光源的图像生成单元PGU10上的投影图像经过所述图像成像单元20反射至所述采用包括反射式全息图的透明材质的全息光学元件HOE30。其中，所述图像生成单元PGU10中采用激光光源投影，比如，可以采用具有一定透明度的扩散膜接收激光光源的投影画面，在本申请中并不进行限定，只要图像生成单元PGU采用激光进行成像即可。其中，所述图像成像单元20主要对激光光源产生的投影图像进行处理，实现图像的放大和反射。比如，在WHUD中是采用风挡玻璃以及自由曲面反射镜来实现图像的放大和反射。又比如，CHUD采用反射式组合器实现图像的放大和反射。在本申请中对所述图像成像单元并不进行具体限定，可以适用于WHUD或CHUD即可。其中，所述全息光学元件HOE30，提供了一种透明材质，所述透明材质需要满足的是包括反射式全息图。

具体地，当采用与其中一个记录光波方向相同的光束对全息图进行照射时，则衍射光波的出射方向与另一个记录光波相同，该全息图为反射式全息图。在本申请实施例的HUD成像系统中，投影图像经过所述图像成像单元处理后发射至所述全息光学元件HOE，在所述全息光学元件HOE通过的放大和反射成像。考虑到全息光学元件HOE是对入射光的衍射作用，但由于HOE是采用包括反射式全息图的透明材质，因此上述过程为反射。

进一步需要说明的，全息光学元件HOE的放大作用是由于HOE本身具有光焦度的，在进行全息图记录的时候，其中至少有一个或两个记录光波是球面、非球面或者其他面型的波前。比如，一种可行的实施方式是：记录光波A是球面、非球面或其他面型的波前，记录光波B是平面波前。有比如，另一种实施方式是：记录光波A和B均为球面、非球面或其他面型波前的其中一种。

从以上的描述中，可以看出，本申请实现了如下技术效果：

在本申请实施例中，采用图像生成单元PGU10，其采用激光光源的方式，通过全息光学元件HOE，其采用包括反射式全息图的透明材质，达到了降低功耗，同时保证CHUD组合器或WHUD风挡玻璃的高透过率的目的，从而实现了提高光能利用率，降低功耗以及减小系统体积的技术效果，进而解决了HUD成像系统光能利用率较低、功耗较高的技术问题。

根据本申请实施例，作为本实施例中的优选，所述全息光学元件HOE30 为：组合型HUD的Combiner组合器。全息光学元件HOE可以是粘贴有反射式全息图的平面或曲面面型的透明材质，比如，光学塑料或玻璃，该透明材质可以是CHUD中的combiner组合器。在本申请中并对透明材质的进行具体限定，本领域技术人员可以根据具体使用场景进行选择或使用。

根据本申请实施例，作为本实施例中的优选，所述全息光学元件HOE 30 为：挡风玻璃型HUD的风挡玻璃。全息光学元件HOE可以是粘贴有反射式全息图的平面或曲面面型的透明材质，比如，光学塑料或玻璃，该透明材质可以是WHUD中的具有曲面面型的风挡玻璃。在本申请中并对透明材质的进行具体限定，本领域技术人员可以根据具体使用场景进行选择或使用。

根据本申请实施例，作为本实施例中的优选，所述图像生成单元PGU30 采用MEMS微反射镜对所述激光光源扫描成像。具体地，图像生成单元PGU 采用RGB三种单色激光光源，通过MEMS控制的微反射镜进行扫描成像。所述图像生成单元PGU中产生的激光扫描的投影画面，可以采用具有一定透明度的扩散膜接收投影画面。

根据本申请实施例，作为本实施例中的优选，所述图像生成单元PGU10 中的RGB激光光源的波长与所述全息光学元件HOE中RGB全息图的记录波长一致。在HUD成像系统中PGU光源比如作为照明光波的光波长需要与记录光的波长相同，这样使得全息光学元件HOE的衍射效率才会比较高，而当照明光的波长偏离记录光的波长时，HOE的衍射效率下降很快。

根据本申请实施例，作为本实施例中的优选，所述全息光学元件HOE包括：单层、双层或三层的全息图，其中，每层分别对应RGB三种单色光中的任一一种。优选地，在上述全息光学元件HOE的全息图中，如果是单色显示，绿色是首选；如果是双色显示，红色和绿色是首选。PGU中RGB激光光源的波长必须与HOE中RGB全息图的记录波长一致，以保证其高衍射效率。

根据本申请实施例，所述图像成像单元采用单个成像透镜或者至少包括两个透镜的成像透镜组。具体地，图像成像单元采用单个成像透镜即透镜Lens，也可以是包含两个及以上透镜的成像透镜组。在本申请的实施例中并不进行限定，只要能够满足能够反射、放大处理所述激光光源的投影图像即可，本领域技术人员可以根据实际使用场景进行选择。

请参考图2至图5，本申请的实现原理如下：

通过采用激光光源作为PGU和反射式全息光学元件HOE，来提高HUD 光学系统的反射率(光能利用率)，降低功耗，同时保证组合器或风挡玻璃的高透过率。全息光学元件HOE具有一定的光焦度，还可以一定程度上的减小 HUD成像系统中光路的长度和系统的体积。

如图2所示，全息图可以粘贴在平面或曲面的组合器或风挡玻璃上，来实现成像光束的反射。图像生成单元PGU10中的图像image是采用可以进行二维扫描的MEMS微反射镜和激光光源生成的显示图像，然后经过平面反射镜 mirror一次反射，再经过成像透镜Lens透镜实现图像的一次放大，最后经过全息光学元件HOE的二次放大和二次反射成像。

请参考图中的全息光学元件HOE可以是粘贴有反射式全息图的平面或曲面面型的透明材质，比如光学塑料或玻璃，该透明材质可以是CHUD中的 combiner组合器，也可以是WHUD中的具有曲面面型的风挡玻璃。

具体地，在图2中的单个成像透镜只是其中一个实施方式，也可以是包含两个及以上透镜的成像透镜组，在本申请的实施例中并不进行限定。图像生成单元PGU采用RGB三种单色激光光源，通过MEMS控制的微反射镜进行扫描成像。在图2中的图像为激光扫描的投影画面，可以采用具有一定透明度的扩散膜接收投影画面。

请参考图2中的全息光学元件HOE可以是单层、双层或三层全息图，每一层分别对应RGB三种单色光中的一种。优选地，如果是单色显示，绿色是首选；如果是双色显示，红色和绿色是首选。图像生成单元PGU中RGB激光光源的波长必须与全息光学元件HOE中RGB全息图的记录波长一致，以保证其高衍射效率。

对于上述实现方式中，首先，需要说明的是，全息光学元件(holographic optical element，HOE)分为透射式和反射式。如图3所示，传播方向不同的两个记录光波在全息记录介质上发生干涉，记录介质就记录了两个不同记录光波的干涉图样，称之为全息图。如图4所示，当采用与其中一个记录光波方向相同的光束对全息图进行照射时，则衍射光波的出射方向与另一个记录光波相同，该全息图为反射式全息图。

其次，上述所述的全息光学元件HOE的二次反射，其实是全息光学元件 HOE对入射光的衍射，由于HOE是反射式的，因此在这里称之为反射。HOE 的二次放大是由于HOE是具有光焦度的，在进行全息图记录的时候，其中至少一个或两个记录光波是球面、非球面或者其他面型的波前。比如，在一种实施方式中：记录光波1是球面、非球面或其他面型的波前，记录光波2是平面波前。又比如，在另一种实施方式中：记录光波1和2均为球面、非球面或其他面型波前的其中一种。

此外，需要注意的是，两个记录光波的波长必须是相同的，而且是单色波长的，通常是单波长的激光器发出的光束经过波前整形后的光束。例如是球面、非球面或其他面型的波前。在本申请实施例的HUD成像系统中PGU光源的光波长必须与记录光的波长相同，这样全息光学元件HOE的衍射效率才会比较高。当照明光的波长偏离记录光的波长时，全息光学元件HOE的衍射效率下降很快。

请参图5，在图5中给出了采用RGB三色激光光源的MEMS微反射镜进行扫描成像的示意图。RGB三色激光光源分别发出相应的单色激光光束，通过一个胶合棱镜后合成白光，然后入射到一个可以进行二维扫描的MEMS微反射镜上，最终扫描出一幅图像，作为HUD的图像源。具体地，胶合棱镜的两个胶合面分别镀有可以反射绿光G和蓝光B激光的反射膜，用来改变入射的绿光和蓝光激光的方向，反射膜不影响其他光波长的透过。

根据本申请实施例，还提供了一种用于实施上述HUD成像系统的HUD，如图6所示，该HUD包括：所述的HUD成像系统。所述HUD成像系统中包括：图像生成单元PGU，其采用激光光源；图像成像单元，用于处理所述激光光源的投影图像；以及全息光学元件HOE，其采用包括反射式全息图的透明材质。其中，所述所述全息光学元件HOE为：组合型HUD的Combiner 组合器。其中，所述全息光学元件HOE还可以为：挡风玻璃型HUD的风挡玻璃。在该HUD中采用激光光源投影作为图像生成单元PGU，采用反射式HOE作为组合器或风挡玻璃，可以显著提高HUD的光能利用率、降低功耗。同时保证HUD所使用的组合器或风挡玻璃的高透过率。

在上述HUD中，可以适用于CHUD。CHUD的显示屏为放置于仪表上方的一块透明树脂玻璃采用全息光学元件HOE，其采用包括反射式全息图的透明材质。全息光学元件HOE可以是粘贴有反射式全息图的平面或曲面面型的透明材质，比如，光学塑料或玻璃，该透明材质可以是CHUD中的combiner 组合器。在本申请中并对透明材质的进行具体限定，本领域技术人员可以根据具体使用场景进行选择或使用。

在上述HUD中，也可以适用于WHUD。WHUD的显示屏直接使用汽车的挡风玻璃，显示效果更为一体化，也有助于造型布置。由于WHUD需要根据将全息光学元件HOE使用在挡风玻璃上，并具体根据挡风玻璃的尺寸和曲率去适配高精度非球面反射镜。全息光学元件HOE可以是粘贴有反射式全息图的平面或曲面面型的透明材质，比如，光学塑料或玻璃，该透明材质可以是 WHUD中的具有曲面面型的风挡玻璃。在本申请中并对透明材质的进行具体限定，本领域技术人员可以根据具体使用场景进行选择或使用。本申请实施例的HUD，由于采用激光光源的PGU和具有光焦度的全息光学元件HOE的作为HUD成像系统，能够提高光能利用率，降低功耗，减小HUD成像系统的体积。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本申请的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本申请不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。