一种抬头显示系统及汽车的制作方法

本发明涉及增强现实显示技术，具体涉及一种抬头显示系统及汽车。

背景技术：

增强现实抬头显示(ar-hud)通过内部特殊设计的光学系统将图像信息精确地结合于实际交通路况中，从而扩展增强了驾驶者对于实际驾驶环境的感知。在功能上，ar-hud主要集成了ar、导航、adas、仪表信息于一体，具体包括车速、档位、剩余电量、导航信息、车道偏离预警、障碍物碰撞预警等信息。

传统hud显示效果受环境光影响较大，在较亮的环境光下无法看清图像，显示的信息种类比较单一，且成像距离短，观察过程中，易出现视觉盲区。另外，大部分hud需要通过外置一块玻璃来显示成像，存在一定的安全隐患。

传统的ar-hud抬头显示系统，其耦入、耦出功能性区域采用一维光栅机构，图像仅实现在x轴方向(驾驶者的双眼连线方向)的扩展拉伸，图像在y轴方向(驾驶者的鼻梁方向)的扩展拉升程度偏低，即：系统的视场角在y轴上的视场角较小。因此，传统的ar-hud抬头显示系统只能满足特定身高范围内的驾驶者的视觉体验，而无法满足身高过高或身高过矮的驾驶者的视觉体验。

鉴于此，有必要对传统的ar-hud抬头显示系统进行改进，以实现图像在二维空间(x—y平面)上的大幅度扩展拉伸，提升系统的在二维空间的可视区域面积，从而满足不同身高的驾驶者在不同位置处的全景视觉体验。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种抬头显示系统，其具体技术方案如下：

一种抬头显示系统，其包括：

挡风玻璃，其被用作波导；

投影装置，其用于产生图像光；和

贴附在所述挡风玻璃的内表面的波导膜，所述波导膜上形成有具有光学衍射功能的功能性区域，所述功能性区域至少包括：

入射功能性区域，所述入射功能性区域内设置有将投影装置发出的图像光耦合至挡风玻璃，并实现图像光扩展的耦入阵列结构；

出射功能性区域，所述出射功能性区域内设置有将挡风玻璃内传输过来的图像光耦合出挡风玻璃，并实现图像光扩展的耦出阵列结构。

在一些实施例中，所述波导膜包括贴合面及与所述贴合面相对的功能面，所述波导膜经贴合面贴合在所述挡风玻璃的内表面，所述功能性区域形成于所述功能面上。

在一些实施例中，所述耦入阵列结构、所述耦出阵列结构为二维阵列结构，所述二维阵列结构经两次叠加曝光形成，所述两次叠加曝光为：

固定曝光光源与波导位置，完成第一次曝光，获得一维光栅结构；

曝光光源保持不动，波导沿中心旋转预定角度，完成第二次曝光，获得所述二维阵列结构；

所述曝光光源由两束平面波构成，两束平面波形成一曝光干涉面。

在一些实施例中，所述耦入阵列结构和所述耦出阵列结构为结构相同的二维阵列结构，所述二维阵列结构的两个光栅取向的夹角为90°～160°。

在一些实施例中，所述二维阵列结构的两个光栅取向的的夹角120°。

在一些实施例中，所述二维阵列结构的周期为200nm～600nm，深度为50nm～600nm。

在一些实施例中，所述波导膜包括：第一波导膜，所述入射功能性区域形成于所述第一波导膜上；和与所述第一波导膜分开贴附并与所述第一波导膜间隔开的第二波导膜，所述出射功能性区域形成于所述第二波导膜上。

在一些实施例中，所述入射功能性区域和所述出射功能性区域一体形成于一片所述波导膜上。

在一些实施例中，所述光波导膜的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)或聚碳酸酯(pc)薄膜。

与现有技术相比，本发明提供的抬头显示系统能够实现视场图像在二维空间上的扩展拉伸，从而提升系统在二维空间的可视区域面积，最终满足不同身高的驾驶者在不同的位置处的全景视觉体验。

本发明第二方面提供了一种汽车，其包括本发明的第一方面所提供的抬头显示系统。

附图说明

图1为本发明的抬头显示系统的结构示意图；

图2为本发明的抬头显示系统的光路示意图；

图3为本发明中的波导膜的耦入阵列结构在一个实施例中的局部光路示意图；

图4为本发明中的一个实施例中的二维阵列结构在显微镜下的局部结构放大图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的抬头显示系统及汽车的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下:

有关本发明的前述及其它技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

图1为本发明的抬头显示系统的结构示意图。如图1所示，抬头显示系统包括挡风玻璃1、投影装置2及波导膜。其中：

挡风玻璃1被作用光线传导的波导载体，波导膜贴附在挡风玻璃1的位内侧，波导膜上形成有具有光学衍射功能的功能性区域，功能性区域至少包括入射功能性区域3和出射功能性区域4。

入射功能性区域3内设置有将投影装置发出的图像光耦合至挡风玻璃，并实现图像光扩展的耦入阵列结构；

出射功能性区域4内设置有将挡风玻璃内传输过来的图像光耦合出挡风玻璃，并实现图像光扩展的耦出阵列结构。

可选的，为了简化制备工艺，耦入阵列结构和耦出阵列结构为二维阵列结构。图4示出了一个实施例中的二维阵列结构在显微镜下的局部结构放大图。

当然，耦入阵列结构和耦出阵列结构也可以为多维阵列结构。本说明书实施例以二维阵列结构为例对本发明进行示例性描述。

为便于理解，请参考图2所示，我们对本发明的抬头显示系统的光路过程进行了简化，当然，如本领域一般技术人员所示，实际的光路情况要比这复杂得多。再介绍本发明的抬头显示系统的光路过程之前，我们定义如下坐标轴：

x轴：挡风玻璃1的宽度方向，同时也是用户的双眼连线方向；

y轴：挡风玻璃1的高度方向，同时也是用户的鼻梁的延伸方向；

z轴：与x轴、y轴限定的x—y平面垂直(或正交)的方向。

如图2所示，投影装置2发出的输入光束沿z轴照射至入射功能性区域3，输入光束与入射功能性区域3内的耦入阵列结构交互，满足全反射的衍射光以全反射形态在挡风玻璃1内传导，全反射过程中，光线反复多次回到与耦入阵列结构内并产生新的交互，每次交互过程均形成多路衍射光，其中：部分光线形成反射式衍射，同时改变了方位角，朝向出射功能性区域4传导，部分光线则继续沿原方向以全反射角传导。

可见，通过与耦入阵列结构的交互，入射至入射功能性区域3的图像光不仅能够被耦合至挡风玻璃1内并最终朝向出射功能性区域4传导，此外，在与耦入阵列结构的多次交互过程中，图像光实现了在x—y平面内的扩展、拉伸，从而扩大了可视区域面积。

继续参考图2所示，自入射功能性区域3衍射及全反射出的光到达出射功能性区域4后，光线与出射功能性区域4内的耦出阵列结构交互，交互过程：部分光线沿z轴被衍射出出射功能性区域3并被观察到，部分光线则被衍射成多个方位角的衍射光继续在挡风玻璃1内传导并反复多次回到耦出阵列结构内进行新的交互，每次交互过程中均有部分光线沿z轴被衍射出出射功能性区域4并被观察到。

可见，通过与耦出阵列结构的交互，自入射功能性区域3传导过来的图像光不仅能够被耦合出挡风玻璃1以实现成像，此外，在与耦出阵列结构的多次交互过程中，图像光能够实现在x—y平面内的第二次扩展、拉伸，从而进一步扩大了可视区域面积。

因此，本发明的抬头显示系统能够实现图像在二维空间(x—y平面)上的扩展拉伸，从而提升系统的在二维空间的可视区域面积。最终从而满足不同身高(y轴维度)的驾驶者在不同的位置处(x轴维度)的全景视觉体验。

此外，由于耦出阵列结构内的每个交互点均有光线被耦合出，因此整个出射功能性区域4均能形成清晰图像。

一般的，本发明中的波导膜包括贴合面及与所述贴合面相对的功能面，通过在贴合面上涂覆粘合剂能将波导膜粘接至挡风玻璃1的内表面。

如本领域一般技术人员所熟知，现阶段，一般采用干涉曝光工艺在波导或波导膜上制备各种一维光栅、二维阵列光栅。在一些实施例中，本发明的耦入阵列结构及耦出阵列结构为结构相同的二维阵列结构，二维阵列结构经两次单光束组叠加曝光形成，每次单光束组曝光均对应形成一组结构。具体的，两次单光束组叠加曝光为：

固定曝光光源与波导膜位置，完成第一次曝光，获得一维光栅结构；

曝光光源保持不动，波导膜沿中心旋转预定角度，完成第二次曝光，获得二维阵列结构；

所述曝光光源由两束平面波构成，两束平面波形成一曝光干涉面。

其中：波导膜沿中心旋转的预定角度的大小与最终形成的二维阵列结构的两个光栅取向的夹角相对应。

曝光形成的二维阵列结构包括两个光栅取向，分别为第一光栅取向h1和第二光栅取向h2。可选的，第一光栅取向h1和第二光栅取向h2之间的夹角为90°～160°。在一个更加优选的实施例中，第一光栅取向h1和第二光栅取向h2之间的夹角为120°，图3示出了该优选实施例中光线在耦入阵列结构中的传播过程。

在一些实施例中，曝光形成的二维阵列结构的周期为200nm～600nm，深度为50nm～600nm。二维阵列结构可以是圆柱阵列结构、矩形柱阵列结构、楔形柱阵列结构等。

如图3，光线入射至入射功能性区域3内的耦入阵列结构的点a，光线与点a发生交互并主要产生四个方向的衍射光线，分别为沿着第一光栅取向h1方向的光线a1和光线a2，沿着第二光栅取向h2方向光线a3和光线a4，其中：

衍射光线a3沿着第二光栅取向h2方向传播至点b，并与点b发生交互，衍射光线a3与点b交互后产生光线b1、光线b2、光线b3、光线b4，其中：光线b1向着远离出射功能性区域4的方向传播；光线b2沿着第一光栅取向h1朝着接近出射功能性区域4的方向传播至下一个点d；光线b4则被耦出入射功能性区域3。传播至点d的光线b2继续与d点交互后，其中的光线d4被耦出入射功能性区域3，光线d1和d2则分别沿第二光栅取向h2、第一光栅取向h1传播直至到达下一个点。

光线a2沿着第一光栅取向h1方向传播至点c，与点c发生交互，光线a2与点c交互后产生光线c1、光线c2、光线c3、光线c4，其中：光线c1、光线c2分别沿着第二光栅取向h2、第一光栅取向h1方向传播并达到下一个点，光线c3远离出射功能性区域4的方向传播，光线c4则被耦出。

光线a1、光线a4向着远离出射功能性区域4的方向传播。当然，光线a1、光线a4也能最终到达下一个点，并被部分耦出入射功能性区域3。

通过上述的光线与耦入阵列结构的交互过程描述，可见，入射功能性区域3内的耦出阵列结构内的各点均能耦出图像光线。

同理，由于出射功能性区域4内的出射阵列结构也设置为二维阵列结构，因此光线在出射阵列结构内的传播过程与光线在入射阵列结构内的传播过程相似。出射功能性区域4内的出射阵列结构的各点均能耦出图像光线。因此，人眼在整个出射功能性区域4内均能看到清晰的成像，从而实现了全景平视成像。

如前文描述的，由于入射功能性区域3和出射功能性区域4内的光栅结构可以被设置为完全相同。为了简化功能性区域的制备工艺，在一些实施例中，入射功能性区域3和出射功能性区域4同时形成于一片波导膜上，即，在这些实施例中，本发明仅包括一片波导膜，入射功能性区域3和出射功能性区域4一体成型在该波导膜上。

在另一些实施例中，本发明中的波导膜包括第一波导膜和与第一波导膜分开贴附在挡风玻璃1上的第二波导膜，其中：入射功能性区域3形成于第一波导膜上；出射功能性区域4形成于第二波导膜上。由于第一波导膜和第二波导膜之间的区域上并没有任何光栅结构，因此光线不会从第一波导膜和第二波导膜之间的挡风玻璃区域耦出，从而保证了出射功能性区域的光学效率。

本发明中的波导膜材料可包括例如聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、光学聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)或光学聚碳酸酯(pc)薄膜。

本发明还提供了一种包括上述任一抬头显示系统的汽车。

上文对本发明进行了足够详细的具有一定特殊性的描述。所属领域内的普通技术人员应该理解，实施例中的描述仅仅是示例性的，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下做出所有改变都应该属于本发明的保护范围。本发明所要求保护的范围是由所述的权利要求书进行限定的，而不是由实施例中的上述描述来限定的。