一种矫正汽车挡风玻璃畸变的车载抬头显示系统及车辆的制作方法

1.本实用新型涉及车载抬头显示技术领域，具体涉及一种矫正汽车挡风玻璃畸变的车载抬头显示系统及车辆。


背景技术：

2.hud(head-up-display)平视显示系统是应用在车辆上的一种安全辅助设备，它使得驾驶员能够做到不低头或转头，仅需平视前方就可以得知行驶时的车辆信息，从而驾驶员能够最大程度地去关注道路情况，有效地提升行车安全。从hud出射后的光线投射至汽车挡风玻璃上，汽车挡风玻璃将光线反射回人眼当中，令人眼能够观察到hud带来的虚像。然而由于汽车挡风玻璃并非一个平面，而是带有一定的曲率，这使得通过汽车挡风玻璃1后的入眼图像带有畸变，使驾驶员观察到的图像不符合原本的设计，影响hud的使用感。
3.这种畸变可以通过在系统中添加畸变矫正的光学元件来实现，如现有技术cn217443656所述，通过在系统中增加凹透镜或凸透镜又或者是全息光学元件来实现风挡畸变的矫正。又如现有技术wo 2022/109615 a1中采用一定曲率的反射镜来矫正风挡的畸变。而在实际应用中，由于汽车风挡玻璃加工的误差，不同的风挡的曲率会有差异，采用固定的矫正透镜无法保证不同风挡玻璃矫正后图像的一致性，或经过固定矫正单元矫正后的hud所呈现的虚像不同，影响消费者体验。因此如何实现hud系统与不同风挡玻璃曲率相适配是本领域技术人员需要解决的问题。


技术实现要素：

4.本实用新型实施例提供了一种矫正汽车挡风玻璃畸变的车载抬头显示系统及车辆，旨在实现适配矫正不同风挡玻璃曲率的车载抬头显示系统，达到消除入眼图像因汽车挡风玻璃引起的畸变的效果。
5.本实用新型实施例提供了一种矫正汽车挡风玻璃畸变的车载抬头显示系统，应用于矫正汽车挡风玻璃的畸变，包括；
6.设置于所述汽车挡风玻璃下方的衍射光波导，所述衍射光波导上设置有图像生成单元；其中，所述图像生成单元用于形成携带图像信息的输入光，所述衍射光波导用于将所述输入光耦合输出为图像光，并将所述图像光传输至所述汽车挡风玻璃上；
7.所述汽车挡风玻璃和所述衍射光波导之间设置有焦距可调的矫正单元，所述矫正单元包括至少两个位置可相对改变的光学元件，用于改变所述衍射光波导输出的图像光的波前相位，以使投射至汽车挡风玻璃上的图像光的扩散角与汽车挡风玻璃对光线的聚合程度匹配。
8.进一步的，两个所述的光学元件通过位置相对改变以实现所述矫正单元的焦距调节，所述位置相对改变包括相对转动和相对位移。
9.进一步的，两个所述的光学元件结构相同，且均为光学透镜。
10.进一步的，所述矫正单元为alvarez透镜，所述alvarez透镜至少包括两个结构相
同且可横向相对位移的第一透镜。
11.进一步的，两个所述光学元件为具有n次方指数面型元件。
12.进一步的，两个所述光学元件的n次方指数面相对设置，或者两个所述第一透镜的n次方指数面相背设置。
13.进一步的，所述矫正单元为摩尔透镜，所述摩尔透镜至少包括两个结构相同且具有空间位相分布的第二透镜。
14.进一步的，两个所述第二透镜围绕一固定轴相对转动。
15.进一步的，所述衍射光波导包括波导基板，所述波导基板上设置有衍射入瞳单元、衍射扩瞳单元和衍射出瞳单元，所述衍射入瞳单元用于将所述输入光衍射为第一传导光，所述衍射扩瞳单元用于将所述第一传导光衍射为第二传导光，所述衍射出瞳单元用于将所述第二传到光衍射输出为所述图像光。
16.本实用新型实施例还提供了一种车辆，包括如上任一项所述的矫正汽车挡风玻璃畸变的车载抬头显示系统。
17.本实用新型实施例提供了一种矫正汽车挡风玻璃畸变的车载抬头显示系统及车辆，该系统应用于矫正汽车挡风玻璃的畸变，包括；设置于所述汽车挡风玻璃下方的衍射光波导，所述衍射光波导上设置有图像生成单元；其中，所述图像生成单元用于形成携带图像信息的输入光，所述衍射光波导用于将所述输入光耦合输出为图像光，并将所述图像光传输至所述汽车挡风玻璃上；所述汽车挡风玻璃和所述衍射光波导之间设置有焦距可调的矫正单元，所述矫正单元包括至少两个位置可相对改变的光学元件，用于改变所述衍射光波导输出的图像光的波前相位，以使投射至汽车挡风玻璃上的图像光的扩散角与汽车挡风玻璃对光线的聚合程度匹配。本实用新型实施例通过设置焦距可调的光学元件，即利用光学元件能够改变光线等光程包络面的曲率半径和焦距可调的特性，以适配不同风挡玻璃光学特性，从而消除因汽车挡风玻璃聚合光线而导致的入眼图像畸变，提高车载抬头显示系统平视显示器使用的便利性和舒适度。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本实用新型实施例提供的一种矫正汽车挡风玻璃畸变的车载抬头显示系统的结构示意图；
20.图2为现有技术中的车载抬头显示系统的结构示意图；
21.图3为本实用新型实施例所述的alvarez透镜中的第一透镜的结构示意图；
22.图4a为本实用新型实施例所述的alvarez透镜的结构示意图；
23.图4b为图4a所示的alvarez透镜的位移调节示意图；
24.图4c为本实用新型实施例所述的alvarez透镜的另一结构示意图；
25.图4d为图4c所示的alvarez透镜的位移调节示意图；
26.图5为本实用新型实施例提供的一种矫正汽车挡风玻璃畸变的车载抬头显示系统
的另一结构示意图；
27.图6本实用新型实施例所述的摩尔透镜中的第二透镜的结构示意图；
28.图7为本实用新型实施例所述的摩尔透镜的结构示意图；
29.图8为本实用新型实施例所述的alvarez透镜的焦距与位移的变化曲线图；
30.图9为本实用新型实施例所述的摩尔透镜的焦距与转动角度的变化曲线图；
31.图10a为汽车驾驶员在理想状态下观察到的车载抬头显示系统的图像示意图；
32.图10b为汽车驾驶员在畸变情况下观察到的车载抬头显示系统的图像示意图；
33.图11为为本实用新型实施例提供的一种矫正汽车挡风玻璃畸变的车载抬头显示系统的效果示意图；
34.图12为本实用新型实施例所述的衍射光波导的结构示意图。
具体实施方式
35.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
36.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
37.还应当理解，在此本实用新型说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本实用新型。如在本实用新型说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
38.还应当进一步理解，在本实用新型说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
39.下面请参见图1，本实用新型实施例提供的一种矫正汽车挡风玻璃畸变的车载抬头显示系统，应用于矫正汽车挡风玻璃1的畸变，包括；
40.设置于所述汽车挡风玻璃1下方的衍射光波导100，所述衍射光波导100上设置有图像生成单元102；其中，所述图像生成单元102用于形成携带图像信息的输入光，所述衍射光波导100用于将所述输入光耦合输出为图像光，并将所述图像光传输至所述汽车挡风玻璃1上；
41.所述汽车挡风玻璃1和所述衍射光波导100之间设置有焦距可调的矫正单元，所述矫正单元包括至少两个位置可相对改变的光学元件10，用于改变所述衍射光波导100输出的图像光的波前相位，以使投射至汽车挡风玻璃1上的图像光的扩散角与汽车挡风玻璃1对光线的聚合程度匹配。
42.本实施例中，所述车载抬头显示系统包括衍射光波导100、图像生成单元102和至少包含有两个光学元件10的矫正单元。其中，所述衍射光波导100设置在汽车挡风玻璃1的下方，图像生成单元102设置在所述衍射光波导100上，所述光学元件设置于所述衍射光波
导100与汽车挡风玻璃1之间。当所述车载抬头显示系统工作时，首先由设置在所述衍射光波导100上的所述图像生成单元102生成携带图像信息的输入光，所述输入光传输至所述衍射光波导100内，并经过所述衍射光波导100衍射扩展后，耦合输出为图像光，所述图像光传输至所述矫正单元，在这里，所述矫正单元根据汽车挡风玻璃1的焦距特性动态调整两个光学元件10的位置，达到动态调整矫正单元的焦距的效果，从而改变所述图像光的曲率半径，以使图像光投射至汽车挡风玻璃1后，能够使其扩散角与汽车挡风玻璃1对光线的聚合程度匹配。
43.在现有技术中，如图2所示，hud系统中的图像经过衍射光波导扩展传输后，入射到挡风玻璃上，然后图像光被挡风玻璃反射进入到观察者的眼睛。但是由于挡风玻璃本身带有一定的曲率，当有光线投射至挡风玻璃上时，会改变投射光线的曲率半径，从而使入眼图像发生畸变。
44.本实用新型实施例通过设置焦距可调的矫正单元，即利用光学元件能够改变光线等光程包络面的曲率半径和焦距可调的特性，以适配不同风挡玻璃光学特性，从而消除因汽车挡风玻璃1聚合光线而导致的入眼图像畸变，提高车载抬头显示系统的平视显示器使用的便利性和舒适度。
45.特别的，本实施例特别适用于在车辆波导型hud平视显示系统中，即在hud波导与汽车挡风玻璃1之间增设焦距可调的矫正单元，然后便可以根据汽车挡风玻璃1的焦距特性，动态调整所增设的矫正单元的焦距，从而改变投射至汽车挡风玻璃1上光线等光程的曲率半径，使投射至汽车挡风玻璃1上的光线扩散角与汽车挡风玻璃1对光线的聚合程度进行匹配，消除因汽车挡风玻璃1带来的畸变，提高hud使用的体验感。进一步的，通过所增设的矫正单元焦距可调的特性，还可以补偿因为汽车挡风玻璃1加工误差而造成的hud虚像距离相对理想距离的偏离，使得包括不同汽车挡风玻璃1的hud系统所呈现的虚像距离一致。
46.在一实施例中，两个所述的光学元件10的位置可相对改变，两个所述的光学元件10通过位置相对改变以实现矫正单元的焦距调节。这里所说的位置相对可以为两个光学元件10相互之间发生位移或者转动等变化，例如其中一个光学元件10相对另外一个光学元件10发生位移(例如左右移动、上下移动、斜向移动等等)或者转动，又或者二者同时进行位移或者转动，以达到相互靠近、相互远离或者相互转动的目的等等。此外，两个所述的光学元件10结构相同，且均为光学透镜。
47.在一具体实施例中，所述矫正单元为alvarez透镜10(为便于与后续中的摩尔透镜11相区分，此处将为alvarez透镜标记为10)，所述alvarez透镜10至少包括两个结构相同且可横向相对位移的第一透镜101。
48.具体的，两个所述光学元件10为具有n次方指数面型元件。
49.进一步的，两个所述光学元件10的n次方指数面相对设置，或者两个所述第一透镜101的n次方指数面相背设置。
50.本实施例中，如图3所示，采用alvarez透镜10作为所述矫正单元，该alvarez透镜10由两个具有3次方指数面型的光学元件(即所述第一透镜101)构成，可以通过所述两个第一透镜101的横向相对位移来调节整体透镜的焦距。图3显示了alvarez透镜10其中一块具有3次方指数面型的光学元件(即所述第一透镜101)三维示意图。结合图4a可见，两个所述第一透镜101的3次方指数面相对设置，即两个具有该3次方指数面型的光学元件相对设置，
从而构成的alvarez透镜10的一种结构，图4b为图4a发生一定横向位移后的alvarez透镜10的一种状态；结合图4c可见，两个所述第一透镜101的3次方指数面相背设置，即两个具有该3次方指数面型的光学元件相对设置构成的alvarez透镜10的另一种结构，图4d为图4c发生一定横向位移后的alvarez透镜10的一种状态。可以理解的是，本实施例所述的n次方指数面型可以是指n次方曲线或者n次直纹曲线等等。
51.alvarez透镜10至少由两个具有3次方面型的光学元件构成，可以通过平移调节至少两个光学元件的相对位置来改变整体alvarez透镜10的焦距，其焦距的调节范围代表可以适配的汽车挡风玻璃1焦距的变化范围，使汽车挡风玻璃1反射聚光效应造成的光学畸变得到矫正，进一步的，可以通过调整alvarez透镜10的焦距调整hud所呈现虚拟图像的图像距离，使得因为汽车挡风玻璃1加工误差造成的hud虚像距离不同的问题得以同步解决。
52.图8为一种alvarez透镜10的透镜焦度，即透镜焦距的倒数，随该alvarez透镜10的两个光学元件横向相对平移距离的变化曲线。可以根据汽车挡风玻璃1的光学特性，选择特定的矫正透镜焦度实现所呈现虚拟图像畸变的矫正，具体矫正流程如下所示：
53.(1)点亮带有alvarez透镜10的hud系统；
54.(2)利用相机实时拍摄虚拟图像畸变情况；
55.(3)相对平移alvarez透镜10的两个光学元件，以使虚拟图像畸变减小；
56.(4)重复执行步骤(2)与步骤(3)，直至检测到虚拟图像畸变已经处于最小化状态。
57.进一步的，包括衍射光波导100的hud系统的图像光在未经过汽车挡风玻璃1反射前，虚拟图像为在某一特定方向的无穷远距离处，该无穷远距离的虚像经过汽车挡风玻璃1反射后，转变为近似位于汽车挡风玻璃1后方(驾驶员前方)一定距离处，该距离随汽车挡风玻璃1面型的变化而变化，实际应用中，汽车挡风玻璃1面型的变化会造成同一款车型hud虚像距离呈现在不同位置处，从而影响消费者的对该车型整体感知。对某些面型的汽车挡风玻璃1，其面型的加工波动甚至会造成hud的虚拟图像无法被人眼清晰成像，需要光学元件10对hud系统作针对性调节矫正。可变焦透镜可以保证不同加工误差的汽车挡风玻璃1反射的hud虚拟图像处于某一预设位置处，并且避免无法清晰成像的情况出现。具体的虚拟图像距离调节过程如下所示：
58.(1)点亮带有alvarez透镜10的hud系统；
59.(2)定焦相机对目标距离处像平面成像；
60.(3)相对平移alvarez透镜10的两个光学元件，使相机采集到的hud虚拟图像清晰，从而在固定虚像距离处清晰呈现hud虚拟图像。
61.在另一具体实施例中，如图5所示，所述矫正单元为摩尔透镜11，所述摩尔透镜11至少包括两个结构相同且具有空间位相分布的第二透镜111。
62.具体的，两个所述第二透镜111围绕一固定轴相对转动。
63.本实施例中，采用摩尔透镜11作为所述矫正单元，该摩尔透镜11由两个具有一定空间位相分布的光学元件(即所述第二透镜111)构成，所述第二透镜111可以使得从不同位置穿过该第二透镜111的光线位相发生与第二透镜111上空间位相分布相对应的改变。具体的，可以通过所述两个第二透镜111绕某一固定轴(一般为光轴，其可以为水平方向，也可以为竖直方向，具体取决于两个第二透镜111的实际位置)的相对转动来调节整体透镜的焦距，其焦距的调节范围代表可以适配的汽车挡风玻璃1焦距的变化范围，使汽车挡风玻璃1
反射聚光效应造成的光学畸变得到矫正。进一步的，可以通过调整摩尔透镜11的焦距调整hud所呈现虚拟图像的图像距离，使得因为汽车挡风玻璃1加工误差造成的hud虚像距离不同的问题得以同步解决。
64.图6显示了一种摩尔透镜11其中一块具有一定位相分布的光学元件示意图，图7显示了由两个由图6所示的光学元件(即所述第二透镜111)组成的摩尔透镜11的焦距调节过程的三维示意图。调节摩尔透镜11两个光学元件的相对转动角度，从而使畸变得到最佳矫正。
65.如图9所示为一种摩尔透镜11的透镜焦度，即透镜焦距的倒数，随该摩尔透镜11所包括的两个光学元件的相对转动焦度的变化曲线。其对畸变矫正和虚像距离的调节过程与alvarez透镜10的调节过程类似，具体如下所示：
66.对于畸变矫正来说，首先点亮带有摩尔透镜11的hud系统，接着通过相机实时拍摄虚拟图像的畸变情况，然后相对转动摩尔透镜11的两个光学元件，以使畸变减小，重复前述拍摄和转动的操作，直至相机拍摄到的虚拟图像的畸变处于最小化状态。
67.对于虚像距离调节来说，首先点亮带有摩尔透镜11的hud系统，接着定焦相机对目标距离处像平面成像，然后相对转动摩尔透镜11的两个光学元件，以使相机采集到的hud虚拟图像清晰，从而在固定虚像距离处清晰呈现hud虚拟图像。
68.综合来说，本实施例为了矫正hud因汽车挡风玻璃1引起的畸变和调节虚像距离，通过在hud和汽车挡风玻璃1之间增设焦距可调的光学元件10(例如所述的alvarez透镜10和摩尔透镜11)，通过调节所增设光学元件组成部件(即所述第一透镜101或者第二透镜111)间的相对位置(平移或转动)实现具有特定焦距的光学元件，进而将投射至汽车挡风玻璃1上的光线曲率和汽车挡风玻璃1本身的曲率相匹配，从而将反射入人眼的图像消除掉因汽车挡风玻璃1反射引起的畸变，符合人眼的观察习惯，提高hud的使用体验。
69.一方面，当驾驶员通过hud观察车辆信息时，图10a为理想观察效果，然而由于hud出射光的曲率与汽车挡风玻璃1的曲率不匹配，汽车挡风玻璃1的形状决定其能将光线进行会聚，此时驾驶员观察到的图像将带有畸变，如图10b所示。故本实施例通过在hud和汽车挡风玻璃1之间增设焦距可调光学元件改变光线的发散角，补偿由风挡反射带来的图像畸变，可以使得成像效果回复到理想状态，如图10a所示。
70.另一方面，通过调节所增设的光学元件10的焦距，可以改变图像光线入射到汽车挡风玻璃1上的焦度，从而可以改变hud系统所呈现的虚拟图像的位置，如图11所示，可以通过改变光学元件10的焦距视虚拟图像的由位置1变化到位置2。在实际应用中，汽车挡风玻璃1的加工误差也会改变虚拟图像的位置，因此，可以通过所增设的光学元件10的焦距调整，使得一定误差范围内的汽车挡风玻璃1造成的图像位置偏离得到补偿。
71.在一实施例中，所述衍射光波导100包括波导基板，所述波导基板上设置有衍射入瞳单元、衍射扩瞳单元和衍射出瞳单元，所述衍射入瞳单元用于将所述输入光衍射为第一传导光，所述衍射扩瞳单元用于将所述第一传导光衍射为第二传导光，所述衍射出瞳单元用于将所述第二传到光衍射输出为所述图像光。
72.本实施例中，结合图12，所述衍射光波导100包括一个波导基板，一个衍射入瞳单元103，通过衍射由图像生成单元102产生的图像光，形成在波导基板内以全内反射方式传输的第一传导光(b1
p0，r
,b1
p0，g
,b1
p0，b
)。所述衍射光波导100还包括一个衍射扩瞳单元，通过
衍射第一传导光，形成第二传导光(b2p0，
r,
b2
p0，g
,b2
p0，b
)，并在第一方向上(图12中sx)方向实现光束扩展。所述衍射光波导100还包括一个衍射出瞳单元101，通过衍射第二传导光形成输出光，并在与第一方向不同的第二方向(图12中sy方向)上实现光束扩展。
73.本实用新型实施例还提供了一种车辆，包括如上所述的矫正汽车挡风玻璃畸变的车载抬头显示系统。
74.说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本技术权利要求的保护范围内。
75.还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。