一种超大视场的车载抬头显示光学系统、机械封装结构及电子电路

本发明属于光学系统设计及智能车辆车载抬头显示，具体而言，涉及一种折返式光学系统构造成的智能车辆车载抬头显示光学系统、机械封装结构及电路。

背景技术：

1、随着无人驾驶、智能辅助驾驶、人工智能技术、5g通信技术的发展，未来汽车将成为一个信息集成平台，信息的显示将是这个集成平台最重要的组成部分之一。车载抬头显示系统(hud)显示技术是车载显示技术中最有吸引力的技术方案。hud是指车载计算机系统将要显示的信息显示在图像源设备上，图像源设备发射的光线通过由反射、折射光学元件构成的光学投影系统，投射到汽车挡风玻璃上，光线由挡风玻璃反射进入到驾驶员眼中，反射光线的反向延长线，在车辆挡风玻璃前方呈虚像，与前方的实物融为一体，实现增强现实(ar)的信息显示技术。汽车驾驶员可以通过挡风玻璃得到投影系统在汽车前方显示的各种信息，包括汽车仪表信息，道路信息，车联网信息，场景识别与交互，等等，增强现实型抬头显示(ar hud)将是未来发展的趋势与重点。

2、智能驾驶技术的发展，使驾驶员需要处理的信息越来越多，hud是一项解决信息交互与安全行车问题的技术，是增强现实成像技术(ar)的实际应用。hud系统将道路信息、车辆信息以及社交信息显示在驾驶员视野前的透明玻璃或汽车风挡玻璃上，从而避免驾驶员视线偏离道路，提升安全性，是智能化汽车发展的必然趋势。hud系统要保障投影信息在驾驶员位置清晰可见，确保投影图形的位置、色彩、亮度、清晰度能与周围环境区分开来。

3、要实现有效的交互式ar hud，要求投影系统在车辆前方所成的虚像具有大的视场才能获得好的显示效果，例如全视场超过40°，然而目前常见的hud视场一般只有5°-15°。远远达不到实现ar hud技术的要求。

4、目前常见的hud采用单一图像源，曲面反射式设计。由于驾驶员眼睛到汽车挡风玻璃，挡风玻璃到投影镜头都有一定距离，从眼睛到投影镜头总的距离一般不小于700毫米。而要实现较大的视场，例如30°，就会导致反射面口径达到808毫米，同时多片离轴反射面的存在，将导致系统难以安装。另一方面，人在车辆驾驶实际过程中，是可移动状态，因此，一般采用一定尺寸的眼盒表示驾驶员眼睛，典型的眼盒尺寸150×60毫米。眼盒尺寸决定了这个投影系统的光阑。大光阑与大视场，必然导致系统难以获得好的成像质量，另一方面，也限制了投影镜头的小型化。因此，在目前这种汽车抬头显示设计思路下，技术上是难以实现大视场的。这也导致了目前的hud技术的视场往往较小，一般在15度以下。

5、综上，ar hud能够成为一种现实的智能辅助驾驶方案，将很大程度取决于大视场hud投影技术的成功开发，结合相关联领域的技术进步，探索新的技术方案，实现大视场hud显而易见是极其重要的。

技术实现思路

1、本发明提供了一种车载抬头显示光学系统，该显示光学系统具有超广角、全覆盖、体积小的特点，具有优越的显示性能。同时借助外部算例可以使车载抬头显示具有全景增强现实的功能。

2、对于大视场，本发明的成像视场角可以达到40°，相较于普通投影镜头(视场角≈10°)，视场宽度可以达到普通抬头显示镜头的5倍，视场面积可以达到普通抬头显示镜头的20倍。图1中提供了本发明光学投影镜头的视场示意图。

3、使用了单镜头成像的方式实现了超大视场，相较于多镜头拼接式，具有更高的整体完备性和更实际的应用意义。

4、下面为构成超大视场的镜头结构，光学镜头基本结构如图2所示：

5、本发明提供了一种小体积、超广角投影镜头的解决方案。所述光学系统镜头模组自左至右依次排列为物面、第一至第十五透镜、非球面反射镜和接收屏。其中，第二透镜朝向物面一侧表面为光阑面，投影镜头模组的影像接收屏为汽车的前挡风玻璃。

6、所述第一透镜为平行平板，厚度为9.500mm，该平行平板表面为显示芯片(dmd)放置处；

7、所述第二透镜为弯月型透镜，其朝向物侧的一面为凸面，厚度为0.960mm；

8、所述第三透镜为弯月型透镜，其朝向物侧的一面为凸面，厚度为8.420mm；

9、所述第四透镜为弯月型透镜，其朝向物侧的一面为凹面，厚度为1.034mm；

10、所述第五透镜为双凸透镜，厚度为3.113mm；

11、所述第六透镜为双凹透镜，厚度为0.950mm；

12、所述第七透镜为双凸透镜，厚度为1.756mm；

13、所述第八透镜为弯月型透镜，其朝向物侧的一面为凹面，厚度为0.950mm；

14、所述第九透镜为弯月型透镜，其朝向物侧的一面为凸面，厚度为1.010mm；

15、所述第十透镜为弯月型透镜，其朝向物侧的一面为凸面，厚度为0.950mm；

16、所述第十一透镜为双凸透镜，厚度为2.558mm；

17、所述第十二透镜为双凹透镜，厚度为1.155mm；

18、所述第十三透镜为双凸透镜，厚度为2.621mm；

19、所述第十四透镜为弯月型透镜，其朝向物侧的一面为凸面，远离物面侧表面为非球面，厚度为0.950mm；

20、所述第十五透镜为双凸透镜，远离物面侧表面为非球面，厚度为5.917mm；

21、所述第十六光学元件为非球面反射镜，用于反射物面发射出的光线，缩短光学系统整体长度。

22、进一步地，各个镜面曲率半径如下：

23、所述第一透镜为平行平板，其前表面和后表面曲率半径均为正无穷；

24、所述第二透镜前表面半径为17.545mm，后表面半径为19.693mm；

25、所述第三透镜前表面半径为18.934mm，后表面半径为21.960mm；

26、所述第四透镜前表面半径为-57.622mm，后表面半径为-23.611mm；

27、所述第五透镜前表面半径为16.580mm，后表面半径为-44.326mm；

28、所述第六透镜前表面半径为-29.331mm，后表面半径为21.447mm；

29、所述第七透镜前表面半径为20.454mm，后表面半径为-9.878mm；

30、所述第八透镜前表面半径为-9.390mm，后表面半径为-117.911mm；

31、所述第九透镜前表面半径为173.932mm，后表面半径为291.207mm；

32、所述第十透镜前表面半径为68.313mm，后表面半径为29.940mm；

33、所述第十一透镜前表面半径为61.995mm，后表面半径为-35.901mm；

34、所述第十二透镜前表面半径为-19.227mm，后表面半径为131.397mm；

35、所述第十三透镜前表面半径为92.138mm，后表面半径为-42.563mm；

36、所述第十四透镜前表面半径为2024.218mm，后表面为非球面表面，其半径为31.784mm，二次曲面常数k为-3.711，四阶系数a为-4.124e-007，六阶系数b为-1.299e-010，八阶系数为c为-4.162-013，十阶系数d为-2.563e-016；

37、所述第十五透镜前表面半径为372.955mm，后表面为非球面表面，其半径为-40.471mm，二次曲面常数k为0.226，四阶系数a为4.184e-007，六阶系数b为5.353e-010，八阶系数c为1.176e-012，十阶系数d为8.145e-015；

38、所述反射镜表面为非球面表面，半径为-68.900mm，二次曲面常数k为-0.281，四阶系数a为1.045e-006，六阶系数b为-2.577e-010，八阶系数c为-6.179e-014，十阶系数d为5.011e-017；

39、上述各镜片中，第一透镜为平行平板，焦距为正无穷；

40、第二透镜为焦距为正的透镜，其焦距为279.115068mm；

41、第三透镜为焦距为正的透镜，其焦距为112.058637mm；

42、第四透镜为焦距为正的透镜，其焦距为59.90589307mm；

43、第五透镜为焦距为负的透镜，其焦距为25.11996502mm；

44、第六透镜为焦距为正的透镜，其焦距为-16.36535949mm；

45、第七透镜为焦距为负的透镜，其焦距为13.07237355mm；

46、第八透镜为焦距为正的透镜，其焦距为-17.21138097mm；

47、第九透镜为焦距为负的透镜，其焦距为694.5997172mm；

48、第十透镜为焦距为正的透镜，其焦距为-71.94384299mm；

49、第十一透镜为焦距为负的透镜，其焦距为37.87939146mm；

50、第十二透镜为焦距为正的透镜，其焦距为-27.01293006mm；

51、第十三透镜为焦距为正的透镜，其焦距为38.87649258mm；

52、第十四透镜为焦距为负的透镜，其焦距为-53.32343863mm；

53、第十五透镜为焦距为正的透镜，其焦距为56.9680566mm；

54、镜十六为反光镜，其半径为176.814011mm。

55、本发明抬头显示系统的显示芯片(dmd)选用0.47dmd显示芯片，可进行4k投影。

56、本镜头模组具有良好的光学性能，对所述镜头进行成像效果分析，效果如附图3～图7所示，可见，成像质量良好，本发明车载抬头显示装置光学性能优异。

57、本镜头模组各透镜材质为玻璃，具有良好的耐热性。

58、本镜头模组各透镜材质为玻璃，具有较高的透射率。

59、上述各个镜片的选材具体如下：

60、所述第一透镜选用成都光明(cdgm)型号为hqf6的玻璃；

61、所述第二透镜选用成都光明(cdgm)型号为hk5的玻璃；

62、所述第三透镜选用成都光明(cdgm)型号为baf7的玻璃；

63、所述第四透镜选用成都光明(cdgm)型号为hzbaf3的玻璃；

64、所述第五透镜选用成都光明(cdgm)型号为hqk3的玻璃；

65、所述第六透镜选用成都光明(cdgm)型号为hzf11的玻璃；

66、所述第七透镜选用成都光明(cdgm)型号为hk7的玻璃；

67、所述第八透镜选用成都光明(cdgm)型号为hzk8的玻璃；

68、所述第九透镜选用成都光明(cdgm)型号为zbaf1的玻璃；

69、所述第十透镜选用成都光明(cdgm)型号为hlaf4的玻璃；

70、所述第十一透镜选用成都光明(cdgm)型号为hzk5的玻璃；

71、所述第十二透镜选用成都光明(cdgm)型号为hzk9a的玻璃；

72、所述第十三透镜选用成都光明(cdgm)型号为hzf6的玻璃；

73、所述第十四透镜选用成都光明(cdgm)型号为hf1的玻璃；

74、所述第十五透镜选用成都光明(cdgm)型号为hzk11的玻璃；

75、进一步地，本抬头显示系统光学镜头进行了机械封装(附图8)并进行了电子电路设计，其中，镜头的机械封装，由于实际光路的传播需要，对镜头模组内的镜片结构进行了修饰，以保障光路畅通。

76、电子电路设计部分可分为数据传输电路和车载直流电源供电电路。数据传输电路中，处理过的待投屏的数据经数据传送电路及信息检测、放大、接收处理后，将数据面板呈现至光学系统的物面，再由光学系统将数据投射至汽车的前挡风玻璃上，完成信息的投递。

77、车载直流电源供电电路(即外部电路)为全程提供电力保障。其供电电路由晶体管，滑动变阻器，若干电阻构成，在集电极一侧形成稳定的电压输出，为投影系统提供稳定的电压。

78、最终的封装结果以剖面图形式展示车载抬头显示的光机电结构图，选择eva树脂为封装材料，光学镜片用胶使用ht8705紫外光固化胶，该款光学镜片固定胶水具有耐高温、高透光、高折射率的优点，如图9、图10，抬头显示系统的外部电路示意图如图11所示

79、进一步地，基于本镜头模组，本抬头显示光学系统拓展结构光模组，结构光探测效果图如附图12所示，并伴随采集路面信息送至处理器进行处理，可以实现路面上难以发现的障碍物检测，和夜晚能见度较低时的辅助驾驶员辨别路况的功能。

80、进一步地，基于本镜头模组，为抬头显示装置增加增强现实模块，将互动信息投射在汽车的前挡风玻璃上，将导航路况等信息实时地在实景道路上进行展示。

81、本发明的有益效果：

82、(1)大视场。本发明具有超大视场，在同类抬头显示装置的比较下，显示面积是现有装置显示面积的20倍。采用单镜头而非拼接的方式达成大视场的效果，具有更好的完备性。

83、(2)ar交互。超大的视场角为增强现实(ar)的应用提供了条件基础。近乎铺满前汽车前挡风玻璃的的显示面积，可供开发实景车载导航，具有良好的驾驶体验。

84、(3)结构光路面识别。系统拓展的结构光模组能有效的识别人眼难以识别的，与道路颜色相近的障碍物，及时反馈给驾驶员，保障行驶安全。

85、(4)实时投屏。将手机界面通过数据线实时投放到汽车前挡风玻璃上，重要消息及时提醒。减小了驾驶人开车时操作手机的安全风险。

86、(5)高度便携。折反式光学镜头的设计有效节省车内空间，独立封装，即用即装，可独立生产。