一种抬头显示器变焦补偿系统的制作方法

1.本实用新型涉及汽车电子智能座舱领域，具体涉及一种抬头显示器变焦补偿系统。


背景技术：

2.抬头显示器hud（head up display）最早应用于军用飞机上。上世纪80年代，hud开始应用于汽车。抬头显示器能够让驾驶员在驾驶过程中无需低头，将视线转移到仪表盘或者中控上，而是直接通过挡风玻璃获取重要行车信息，避免了驾驶员低头查看仪表盘造成的视野盲区，从而提高驾驶的安全性和便捷性。
3.现有汽车抬头显示器中，已经投入使用的hud显示方式多为单光路显示，系统均为定焦光学系统，成像距离一般都是固定不变的，驾驶者无法对投影距离进行调节，也无法根据自己的实际情况自由选择最舒适的投影距离。不能根据驾驶员的需求改变投影距离，体验感较差，舒适度较差。目前的显示方式有：一种成像距离在2.5m左右，虚像面大小在10英寸左右的whud。另外一种是成像距离在8m左右虚像面大小55英寸左右的arhud。更有者，兼顾低速行驶跟高速行驶工况，能够同时最多显示以上两种成像距离下的信息。近景显示常规车速信息，远景显示增强导航信息。
4.然而，驾驶环境相对比较复杂的时候，驾驶员经常需要观察不同距离的位置，当驾驶员的眼睛的观察位置与屏幕显示的投影图像的位置不同时，驾驶员不易在观察环境的同时观察到清晰的投影图像。如在拐弯并线等需要提示的路况下，常规的车速及报警信息也会整合其中。显示器上会在前方道路上用箭头标示出方向等信息，但问题是实际的显示效果犹如动画飞出效果，增强显示感官欠佳。另外，由于驾驶员在开车的时候眼睛的对焦距离是随着车速的变化而变化的，车速越快人眼的对焦距离就越远，而hud虚像位置不动，人眼很容易在变换焦点过程中引起视觉疲劳。
5.现有专利中很少有对于改变成像距离的光路调整有具体描述，并且对会产生的问题缺陷也没有说明。例如在申请日为2019年3月29日，公开日为2020年3月27日的中国实用新型专利cn201920413486.x公开的一种交通工具抬头显示系统中移动小反射镜，改变成像距离。然而并未指出说明存在的问题。小反射镜移动后，入射光线的位置反射改变，成像距离调节过程中，虚像的高低会跟着改变，成像距离越远，下视角越大，虚像越低，从而影响驾驶员的主观感受。另外，ar画面显示时，图像的真实融合空间减小，增强显示效果会有所降低。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于提供一种通过系统补偿调节，改善成像距离远近调节过程中，虚像位置高低变化问题的抬头显示器变焦补偿系统。
7.一种抬头显示器变焦补偿系统，包括挡风玻璃和成像变焦补偿系统，所述成像变焦补偿系统包括成像显示单元、小反射镜和大反射镜，所述成像显示单元和大反射镜之间
设有小反射镜，所述小反射镜和挡风玻璃之间设有大反射镜，所述小反射镜与第一直线驱动件和第一旋转驱动件相连接，所述大反射镜与第二旋转驱动件连接，所述成像显示单元显示区域通过软件控制。上述方案中，小反射镜在光路中位置前后移动，焦距发生改变，使得成像距离远近可调，第一直线驱动件驱动小反射镜移动后，光线反射位置发生改变，虚像的高低会跟着改变，第二旋转驱动件驱动大反射镜旋转进行补偿使得成像距离远近调节过程中虚像高低不发生改变，也能通过移动成像显示单元显示区域和旋转小反射镜进行补偿调节，改善小反射镜移动造成的虚像高低改变的问题，增强了驾驶员驾驶时的体验感和舒适感。
8.进一步地，所述小反射镜是自由曲面或者平面镜。在上述方案中，小反射镜将来自成像显示单元的光线反射到大反射镜，再经过挡风玻璃反射，使得驾驶员在成像显示区域看到一个放大的虚像，自由曲面镜成像视觉质量较好，平面镜市面上常见，成像清晰且成本低。
9.进一步地，所述小反射镜移动范围在0～28mm之间，旋转角度在-3
°
～3
°
之间。在上述方案中，小反射镜移动能够调节成像距离，移动范围在0～28mm之间保证小反射镜占用的空间大小合适，在一定的范围内适应不同环境和车速下驾驶员眼睛对焦距离，改善视觉疲劳的问题，若小反射镜移动超出28mm会导致成像距离超出2～20m，从而会影响到系统调焦的效果，使得呈现的画面模糊，所述小反射镜旋转角度超出-3
°
～3
°
之间会使得图像过低或过高，不满足人机工程，导致驾驶员无法正常看到图像。。
10.进一步地，所述大反射镜的旋转角度在-2.6
°
～2.6
°
之间。在上述方案中，大反射镜适应不同的虚像位置高低变化进行调整，限制旋转角度的范围能够保证改善效果的同时不占用过多的空间，大反射镜的旋转角度超过-2.6
°
～2.6
°
无法实现对虚像位置高低变化的补偿，超出范围会使得图像过低或过高，而且会与系统中的其他机械结构干涉。
11.进一步地，所述大反射镜旋转的角度通过标定测试，依据固定数组反馈调节或者通过驾驶员检测系统dms反馈调节。在上述方案中，通过标定测试，依据固定数组反馈调节大反射镜旋转角度。由于不同的成像距离下小反射镜的位置不同，对应抬头显示器的出光角度也不同，可以根据抬头显示器出光角度变化反馈，用于反射镜的角度的旋转补偿。不同成像距离下，使用零位开关，记录对应成像距离下的小反射镜的位置，同时计算仿真标定此位置下的需要的大反射镜旋转的补偿角度，生成对应的标定数组，满足虚像高低不随成像距离远近变化而变化。驾驶员监测系统dms根据聚焦的成像距离实时反馈镜片所需要的旋转角度。
12.进一步地，所述成像显示单元显示区域通过软件控制进行上下移动，入射光线位置发生改变，所述成像显示单元移动范围在0～22mm之间。在上述方案中，小反射镜的位置反射改变，为保证出射光线的角度不变，入射光线的位置就要发生改变，不同成像距离下对应屏幕上不同的显示位置，通过移动成像显示单元显示区域使得成像距离调节过程中虚像位置高低不发生改变，成像显示单元显示区域移动范围超过22mm无法实现对虚像位置高低进行补偿，移动范围扩大不仅减低变焦的效率还会占用过多的空间。
13.进一步地，驾驶员眼睛到所述挡风玻璃呈现的虚像之间的距离为成像距离，所述成像距离从2米到20米远近景可调。在上述方案中，对小反射镜移动的范围、大反射镜旋转角度和成像显示单元显示区域移动的范围均做了规定，镜片有效反射面积小，结构紧凑，体
积小，成像距离在2～20m范围内的光线紧凑，重合度高。
14.进一步的，所述成像变焦补偿系统的成像的视场角度根据实际行车环境调节。在上述方案中，由于成像系统之间的光程间隔发生改变，系统的焦距及其放大倍率发生变化，所述成像显示单元显示图像的大小不发生改变时，不同的成像距离下对应的视场角度会发生改变，成像距离越远，可视角度越大。
15.本实用新型的抬头显示器变焦补偿系统，至少具有如下有益效果：
16.第一、结构简单、体积较小。所述成像变焦补偿系统由成像显示单元显示区域、小反射镜和大反射镜组成，成像显示单元显示区域、小反射镜和大反射镜均设有移动变化的范围，镜片有效反射面积小，整体结构紧凑，体积小。
17.第二、车辆行驶过程中成像距离可调，增强人机交互体验，小反射镜移动，成像系统的焦距会发生改变，从而实现成像距离远近变化可调，改善驾驶员的视觉疲劳，提高舒适度。
18.第三、改善成像远近调节过程中虚像位置高低变化的问题，所述小反射镜移动后，虚像的高低发生改变，通过采用大反射镜旋转、成像显示单元移动显示区域和小反射镜旋转三种补偿方法进行调节，使得成像距离远近调节过程中虚像高低不发生改变。
附图说明
19.图1为一实施例的抬头显示器变焦系统的光线图；
20.图2为图1中的成像变焦补偿系统示意图；
21.图3为一实施例中成像变焦补偿系统移动小反射镜后的光路图；
22.图4为图3中光线不同反射位置对应成像显示单元显示区域光线反射位置示意图；
23.图5为一实施例中小反射镜对应三种成像距离下的位置的示意图；
24.图6为一实施例中成像显示单元显示区域对应三种位置下出光位置的示意图；
25.图7为一实施例中小反射镜移动和旋转后光线的示意图。
具体实施方式
26.下面将结合具体实施例及附图对本实用新型抬头显示器变焦系统作进一步详细描述。
27.如图1、图2和图3所示，一较佳实施例中，本实用新型的抬头显示器变焦补偿系统，包括挡风玻璃3和成像变焦补偿系统2，1为显示距离显示的可变区域，4为驾驶员眼睛观看的位置，成像变焦补偿系统2包括成像显示单元显示区域21、小反射镜22和大反射镜23，所述成像显示单元21和大反射镜23之间设有小反射镜22，所述小反射镜22和挡风玻璃3之间设有大反射镜23，光线从成像显示单元显示区域21发出，经过小反射镜22、然后经过大反射镜23，最后经挡风玻璃3反射，在驾驶员眼睛观看位置4处看到区域1显示一个放大的虚像，所述小反射镜22在光路中的位置改变使得成像距离远近可调，通过旋转大反射镜23角度、成像显示单元显示区域21移动和旋转小反射镜22角度补偿的方法使得显示屏幕图像重合。小反射镜22在光路中位置前后移动，焦距发生改变，使得成像距离远近可调，小反射镜22移动后，光线反射位置发生改变，虚像的高低会跟着改变，具体地，图3中成像变焦系统2a中的小反射镜22移动三个位置，反射出来三条方向不同的光线，经过大反射镜23反射到的挡风
玻璃3a，经过挡风玻璃3a反射到可变区域1a有三个高低不同的虚像，旋转大反射镜23进行补偿使得成像距离远近调节过程中虚像高低不发生改变，也能通过移动成像显示单元显示区域21和旋转小反射镜22进行补偿调节，改善小反射镜22移动造成的虚像高低改变的问题，增强了驾驶员驾驶时的体验感和舒适感。
28.如图1、图2和图7所示，在上述实施例中，所述小反射镜与第一旋转驱动件连接，所述第一旋转驱动件通过安装板固定在第一直线驱动件。所述第一直线驱动件由步进电机驱动丝杆的机械结构构成，小反射镜22在丝杆的带动下做前后平移的直线运动，所述第一旋转驱动件为步进电机驱动涡轮蜗杆的机械结构组成，带动小反射镜22进行旋转运动，成像距离远近改变时，小反射镜22前后位置不但发生移动，小反射镜22角度也要跟着相应改变。具体地，所述小反射镜22运动有两个自由角度，一个移动一个旋转，通过两组驱动结构控制小反射镜22的位移和角度，当所述小反射镜22移动时成像距离远近发生改变，显示屏幕相面位置也会发生改变，利用小反射镜22旋转进行补偿解决了虚像位置高低发生改变的问题。
29.如图1、图2和图7所示，在上述实施例中，所述小反射镜22是自由曲面或者平面镜。小反射镜22将来自成像显示单元21的光线反射到大反射镜23，再经过挡风玻璃3反射，使得驾驶员4在成像显示区域1看到一个放大的虚像，自由曲面镜成像视觉质量较好，平面镜市面上常见，成像清晰且成本低。
30.如图1、图2和图7所示，在上述实施例中，所述小反射镜22移动范围在0～28mm之间，旋转角度在-3
°
～3
°
之间。小反射镜22移动能够调节成像距离，移动范围在0～28mm之间保证小反射镜22占用的空间大小合适，在一定的范围内适应不同环境和车速下驾驶员眼睛对焦距离，改善视觉疲劳的问题，若小反射镜22移动超出28mm会导致成像距离超出2～20m，从而会影响到系统调焦的效果，使得呈现的画面模糊，所述小反射镜旋转角度超出-3
°
～3
°
之间会使得图像过低或过高，不满足人机工程，导致驾驶员无法正常看见图像。
31.如图1和图2所示，在上述实施例中，所述大反射镜23与第二旋转驱动件连接，所述第二旋转驱动件驱动大反射镜作旋转运动，具体地，所述大反射镜23与步进电机旋转轴相连接，步进电机驱动旋转轴旋转，带动大反射镜23旋转。在成像显示区域成像距离调节过程中，虚像的高低会跟着改变，旋转大反射镜23起到补偿的作用，保证虚像位置高低不发生改变，在另一些实施例中，通过旋转更大的角度实现不同身高人群使用抬头显示器，受众面积得到增加。
32.如图1和图2所示，在上述实施例中，所述大反射镜23的旋转角度在-2.6
°
～2.6
°
之间。大反射镜23适应不同的虚像位置高低变化进行调整，使得光线紧凑，重合度高，限制旋转角度的范围能够保证改善效果的同时不占用过多的空间，大反射镜23的旋转角度超过-2.6
°
～2.6
°
无法实现对虚像位置高低变化的补偿，超出范围会使得图像过低或过高而且会与系统中的其他机械结构干涉。
33.如图1和图2所示，在一些实施例中大反射镜23旋转的角度通过标定测试，依据固定数组反馈调节或者通过驾驶员检测系统dms反馈调节。具体地，通过标定测试，依据固定数组反馈调节大反射镜23旋转角度。小反射镜22的位置沿着光路前后移动，抬头显示器的出光方向发生改变，虚像高低会跟着发生改变，由于不同的成像距离下小反射镜22的位置不同，对应抬头显示器的出光角度也不同，可以根据抬头显示器出光角度变化反馈，用于大
反射镜23的角度的旋转补偿。不同成像距离下，使用零位开关，记录对应成像距离下的小反射镜22的位置，同时计算仿真标定此位置下的需要的反射镜23旋转的补偿角度，生成对应的标定数组，满足虚像高低不随成像距离远近变化而变化。
34.在另一些实施例中，驾驶员监测系统dms根据聚焦的成像距离实时反馈大反射镜23所需要的旋转角度。通过dms驾驶员检测系统，实时检测人眼的注视点视角，判断虚像距离需要显示的位置，反馈给驱动步进电机，从而控制大反射镜23的旋转补偿角度。成像距离可以根据驾驶行车环境自适应调节成像距离的远近，显示画面的大小。
35.如图4、图5和图6所示，在一些实施例中，所述成像显示单元显示区域21通过软件控制进行上下移动，所述成像显示单元显示区域21上下移动时入射光线位置发生改变，所述成像显示单元显示区域21移动范围在0～22mm之间。小反射镜22的位置发生改变，为保证出射光线的角度不变，入射光线的位置就要发生改变，不同成像距离下对应屏幕上不同的显示位置，从光路中选择小反射镜22三个位置a、b和c，对应的出射光线为s1、s2和s3，此时成像显示单元21光线的位置对应s1’、s2’和s3’，成像显示单元显示区域21上下进行移动改变入射光线的位置使得小反射镜22反射到大反射镜23上光线位置不变，通过移动成像显示单元显示区域21使得成像距离调节过程中虚像位置高低不发生改变，成像显示单元显示区域21移动范围超过22mm无法实现对虚像位置高低进行补偿，移动范围扩大不仅减低变焦的效率还会占用过多的空间，在另一些实施例中，可以通过移动成像显示单元使得成像显示单元显示区域21移动，实现对虚像位置高低补偿调节的功能。
36.如图1至图7所示，在一些实施例中，驾驶员眼睛到所述挡风玻璃呈现的虚像之间的距离为成像距离，所述成像距离从2米到20米远近景可调。在上述方案中，对小反射镜22移动的范围、大反射镜23旋转角度和成像显示单元显示区域21移动的范围均做了规定，镜片有效反射面积小，结构紧凑，体积小，成像距离在2～20m范围内的光线紧凑，重合度高。
37.如图1和图3所示，所述成像变焦补偿系统的成像的视场角度根据实际行车环境调节。由于成像系统之间的光程间隔发生改变，系统的焦距及其放大倍率发生变化，所述成像显示单元显示图像的大小不发生改变时，不同的成像距离下对应的视场角度会发生改变，图3可变区域1a越远的位置，驾驶员眼睛在4a位置看的角度越大，即成像距离越远，可视角度越大。
38.本实用新型抬头显示器变焦补偿系统工作原理及过程，光线从成像显示单元发出，经过小反射镜、大反射镜，再经过挡风玻璃，最后驾驶员在显示区域看到一个放大的虚像，通过机械驱动机构移动小反射镜，改变焦距，从而改变成像距离，在成像距离远近调节过程中图像的高低发生变化，通过旋转大反射镜进行补偿，使得显示屏幕图像重合，大反射镜旋转的角度可以通过标定测试反馈调节或者通过驾驶员检测系统dms反馈调，还可以采用移动成像显示单元和旋转小反射镜的方式进行补偿，成像距离从2米到20米远近景可调，同时成像的视场角度根据实际行车环境调节。
39.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语诸如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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实用新型的限制。
40.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
41.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
42.虽然对本实用新型的描述是结合以上具体实施例进行的，但是，熟悉本技术领域的人员能够根据上述的内容进行许多替换、修改和变化、是显而易见的。因此，所有这样的替代、改进和变化都包括在附后的权利要求的精神和范围内。