CN209086550U - 一种裸眼3d-hud显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种裸眼3D‑HUD显示装置，包括3D图像显示装置和HUD光机，所述3D图像显示装置包括照明系统、显示模组和分光光栅，所述显示模组与分光光栅之间有透明介质；所述裸眼3D‑HUD显示装置通过显示模组生成图像元素，同时显示模组上的图像穿过透明介质和分光光栅，再通过HUD光机，最终将显示的HUD信息直接投射到人眼视觉系统，通过人眼视觉系统与交通状况进行融合，形成视野内的3D立体可视区域。本实用新型将分光光栅与HUD光机结合，使驾驶者直接观看到立体图像，并且依据不同需求可以自由切换为平面显示HUD或立体显示HUD，将图像信息精确结合于实际交通路况中，提高驾驶的安全性。

Description

一种裸眼3D-HUD显示装置

技术领域

本实用新型属于汽车产品技术领域，具体涉及一种裸眼3D-HUD显示装置。

背景技术

HUD全称为Head Up Display，中文叫做抬头显示器，是为让用户无需转移视线直接查看行车信息导航等信息叠加的显示器，目前很多高端车型已经配置了，它将车辆信息通过屏幕投射，显示于驾驶员前方两米左右，这样驾驶员在行车过程中就不用低头查看车辆或导航信息。

无论是普通的HUD技术还是AR-HUD技术，均为利用反射的原理，使显示器显示图像放大呈现入用户眼中，但是实际看到的图像都是平面图像，使显示的虚拟图像与实际景物无法有效结合，大大降低了用户体验。

目前车载HUD的缺点是，功能单一，投射距离短，显示的车辆信息相对较少，汽车中已经存在仪表内容，跟汽车的功能重复，虽然存在导航，但显示的却是2D图像，不够立体，对行车信息不够形象的体现。

实用新型内容

为了解决现有技术的上述缺陷，本实用新型提供了一种裸眼3D-HUD显示装置。

本实用新型的上述目的是通过下述技术方案来实现的：

一种裸眼3D-HUD显示装置，包括3D图像显示装置和HUD光机，

所述3D图像显示装置包括照明系统、显示模组和分光光栅，所述显示模组与分光光栅之间有透明介质；所述裸眼3D-HUD显示装置通过显示模组生成图像元素，同时显示模组上的图像穿过透明介质和分光光栅，再通过HUD光机，最终将显示的HUD信息直接投射到人眼视觉系统，通过人眼视觉系统与交通状况进行融合，形成视野内的3D立体可视区域。

进一步的，所述分光光栅为可切换平面显示HUD或立体显示HUD的光栅，用户根据不同需求通过电控开关方式进行自由切换为平面显示HUD或立体显示HUD。

本实用新型采用如上技术方案带来的有益技术效果是：本实用新型通过将分光光栅与HUD光机进行结合，使驾驶者左右眼接受到具有一定视差的图像，可直接观看到立体图像，并且依据不同需求可以自由切换平面显示HUD及立体显示HUD，将图像信息精确的结合于实际交通路况中，增强了驾驶者对于实际驾驶环境的感知，提高了驾驶的安全性，而且在不需要立体显示HUD情况下，可以零损失原始分辨率切换为平面显示HUD。本实用新型还可与ADAS系统结合，以使这种增强的信息显示效果更容易让驾驶者建立起对于自动驾驶这种新驾驶功能的信任，也为将来的汽车智能驾驶、无人驾驶提供一个重要的技术条件。本实用新型分光光栅还可与常规HUD光机兼容，经济量产性佳，成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例，下面将对实施例所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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它的附图。

图1是本实用新型裸眼3D-HUD显示装置的结构框架图；

图2是本实用新型一个实施例所述的裸眼3D-HUD显示装置的结构原理示意图；

图3是本实用新型另一实施例所述的裸眼3D-HUD显示装置的结构原理示意图；

图4是本实用新型另一实施例所述的裸眼3D-HUD显示装置的结构原理示意图；

图5是本实用新型裸眼3D-HUD显示装置的光线成像原理示意图；

图6是本实用新型一个实施例提供的3D图像显示装置结构示意图；

图7(a)和图7(b)是本实用新型一个实施例提供的分光光栅在未通电形态与通电形态下的示意图；

图8是本实用新型一个实施例提供的液晶柱状透镜光栅的结构示意图及液晶分子偏转示意图。

其中，1-人眼位置，2-挡风玻璃，3-第一反射镜，4-显示模组，5-第二反射镜，6-分光光栅，7-透明介质，8-照明系统，9-分光光栅虚像，10-显示模组虚像，11-第三反射镜。

具体实施方式

这里，要说明的是，本实用新型涉及的功能、方法等仅仅是现有技术的常规适应性应用。因此，本实用新型对于现有技术的改进，实质在于硬件之间的连接关系，而非针对功能、方法本身，也即本实用新型虽然涉及一点功能、方法，但并不包含对功能、方法本身提出的改进。本实用新型对于功能、方法的描述，是为了更好的说明本实用新型，以便更好的理解本实用新型。

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细描述，本文通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制，即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，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。

本实用新型提供的一种裸眼3D-HUD显示装置，其主要技术方案是使用特殊设计的3D图像显示装置，并结合HUD光机(HUD光机可为W型HUD光机，也可为C型光机)，即可以实现驾驶员观看到具有立体显示效果的HUD成像系统。

如图1所示，本实用新型提供的一种裸眼3D-HUD显示装置的结构框架图，主要包括感应器系统、图像控制处理系统、3D图像显示装置、HUD光机和人眼视觉系统。其中，感应器系统和图像控制处理系统相连接，图像控制处理系统与3D图像显示装置相连接。感应器系统用于接收外界信息及用户行为数据，并发送给图像控制处理系统。图像控制处理系统对接收到的外界信息及用户行为数据进行处理输出虚拟图像到3D图像显示装置，显示的图像经过HUD光机在人眼前方成放大虚像，根据不同需要左右眼可以接收相同的图像或不一样的图像。

感应器系统包括红外传感器、重力传感器、压力传感器、光感传感器或对环境、行为检测的传感器中的一种或多种，可以依据具体需要选择相应的传感器。

图像控制处理系统包括CPU、GPU等，可以对接收到的外界信息及用户行为数据(一系列的虚拟图像如油量、时速、车辆状况、环境状况、摄像头采集的路面状况、导航信息等)进行提取处理，并根据用户是否需要立体显示HUD，重新按照分光光栅进行排图，并输出到3D图像显示装置(显示模组)。

如图2至图6所示，本实用新型设计的3D图像显示装置主要包括照明系统8、显示模组4和分光光栅6，所述显示模组4和分光光栅6之间有透明介质7。其中，透明介质7选用高透光率的透明介质，用于控制分光光栅与显示模组像素点的距离，如透明介质可以选用玻璃、PMMA、PC或空气中的一种，也可以是真空。显示模组可以选用TFT显示屏、DLP显示屏或LCOS显示屏中的一种。

如图5所示，本实用新型裸眼3D-HUD显示装置的主要工作原理是：通过显示模组生成图像元素，同时显示模组上的图像穿过透明介质和分光光栅，再通过HUD光机，最终将显示的HUD信息直接投射到人眼视觉系统，通过人眼视觉系统与交通状况进行融合，形成视野内的3D立体可视区域。

本实用新型设计的HUD光机为W型HUD光机或C型HUD光机。

当HUD光机为W型HUD光机时，如图2所示，W型HUD光机主要包括第一反射镜3、第二反射镜5和挡风玻璃2，第一反射镜3将分光光栅6投射过来的图像射到第二反射镜5上，再通过第二反射镜5投射到挡风玻璃2上，最终通过挡风玻璃2将显示的HUD信息直接投射到人眼视觉系统，通过人眼视觉系统与交通状况进行融合，形成视野内的3D立体可视区域。将3D图像显示装置、第一反射镜3和第二反射镜5设置于挡风玻璃2下方，以避免遮挡视线。

当HUD光机为C型HUD光机，图3、图4所示，C型HUD光机主要包括第三反射镜11，所述第三反射镜11将分光光栅6投射过来的图像直接投射给人眼视觉系统，通过人眼视觉系统与交通状况进行融合，形成视野内的3D立体可视区域。

进一步的，上述所述第一反射镜为平面反射镜、球面反射镜、非球面反射镜或自由曲面反射镜中的一种，第二反射镜和第三反射镜为球面反射镜、非球面反射镜或自由曲面反射镜。

以上所述W型HUD光机或C型HUD光机的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而非对其限制。进一步的，所述W型HUD光机或C型HUD光机中所包含的反射镜数量还可以为三个、四个或四个以上的组合，本领域普通技术人员根据实际情况所进行的自由组合，这些都应属于本实用新型的保护范围。

进一步的，本实用新型形成的可视区域宽度为80～160cm,高度为35～70cm。所述显示HUD信息主要分为出屏和入屏，出屏入屏效果距离通过排图调整左右眼接收图像视差来实现。

作为本实用新型的一个优选实施例，为了实现用户的不同需求，使用户可以自由的切换平面HUD及立体显示HUD，即根据不同需要左右眼可以接收相同的图像或不一样的图像，本实用新型分光光栅采用可切换平面显示HUD或立体显示HUD的光栅，用户根据不同需求通过电控开关方式进行自由切换为平面显示HUD或立体显示HUD。

在本实施例中，所述分光光栅可以选用液体透镜光栅、液晶狭缝光栅或液晶透镜光栅中的一种，采用该类光栅时，驾驶者不需要观看立体效果仅需要通过电控开关方式切换，2D效果观看时不会损失分辨率，更利于驾驶的安全性。此外，所述分光光栅还可以选用普通的狭缝光栅、柱状透镜光栅、梯形光栅或三角形光栅等其中的一种，采用该类光栅时，驾驶者不需要观看立体效果，则让左右眼接收到相同图像，屏幕分辨率会有部分损失(上述普通的狭缝光栅、柱状透镜光栅、梯形光栅或三角形光栅如具有填充则可以很好的保护光栅形状，防止被破坏，与不具有填充的光栅一样，二者均可达到相同的分光效果)。

在本实施例中，分光光栅的电极材料主要为ITO，但也可以是其他透明电极材料，依据定向层摩擦方向、相应偏光片偏振方向以及电极图案，本实用新型实现方式主要优选采用如下两种，即液晶狭缝光栅和液晶透镜光栅。其中，液晶狭缝光栅的基本原理为：在未通电的情况下的初始状态可以依据需要设定为电极处透光或者不透光，通电之后液晶分子偏转，由初始状态反向变化，如电极初始状态透光，通电之后就变为不透光，在不透光的情况下变为普通狭缝光栅分光看到3D效果，透光情况为2D显示，无分辨率损失。如图7(a)和图7(b)所示，液晶透镜光栅选用液晶柱状透镜光栅，其基本原理是：以该种方式未通电情况下，液晶分子不发生偏转，为2D显示状态，通电之后整个液晶层分布强度不一致电场，液晶分子偏转角度不一致，产生折射率差，从而起到透镜效果，进行分光，使左右眼接收不同光线。图8所示为液晶柱状透镜光栅的结构示意图及其在通电情况下液晶分子的偏转示意图。

以上为使用液晶光栅实现方法，还有使用电置色变材料做电极实现方式进行切换，该种方式直接改变电极颜色实现狭缝光栅效果。

在本实用新型的另一个优选实施例中，显示模组和分光光栅以一定距离d放置，所述d通过如下公式确定：

d＝n*ls–n*lv

＝n*ls-n*f*(D*l’s-le*P’-pitch)/(D+P’-pitch)/[f+(D*l’s-le*P’-pitch)/(D+P’-pitch)]；

其中，n为透明介质折射率(由设计选用介质确定)，ls为显示模组距离HUD光机的距离(由选用光机确定)，lv为分光光栅距离HUD光机的距离，f为HUD光机焦距(由选用的HUD光机系统确定)，D为人眼瞳孔间距，l’s为显示模组虚像距离(由选用HUD光机确定)，le为眼睛到HUD光机的距离(由车辆本身情况确定)，P’-pitch为显示模组像素虚像周期(由选用显示模组及设计视点确定，一般两视点竖直摆放光栅覆盖2个主像素，但也可以是多个像素)。

进一步，通过如下公式计算分光光栅参数：

分光光栅虚像距离l’v-------l’v＝(D*l’s-le*P’-pitch)/(D+P’-pitch)；

分光光栅离HUD光机距离lv------

lv＝f*(D*l’s-le*P’-pitch)/(D+P’-pitch)/[f+(D*l’s-le*P’-pitch)/(D+P’-pitch)]；

分光光栅虚像周期L’-pitch为：

L’-pitch＝P’-pitch*[le+(D*l’s-le*P’-pitch)/(D+P’-pitch)]/(le+l’s)。

进一步，分光光栅设计参数如下：

显示模组像素排图周期P-pitch＝ls/l’s*P’-pitch；

显示模组和分光光栅的放置距离为d：

d＝n*ls–n*lv＝n*ls-n*f*(D*l’s-le*P’-pitch)/(D+P’-pitch)/[f+(D*l’s-le*P’-pitch)/(D+P’-pitch)]；

分光光栅周期L-pitch为：

L-pitch＝L’-pitch*lv/l’v＝P’-pitch*[le+(D*l’s-le*P’-pitch)/(D+P’-pitch)]/(le+l’s)*f*(D*l’s-le*P’-pitch)/(D+P’-pitch)/[f+(D*l’s-le*P’-pitch)/(D+P’-pitch)]/(D*l’s-le*P’-pitch)/(D+P’-pitch)。

如果是透镜光栅则光栅本身焦距0.5d<fv<2d，一般比较多的采用是fv＝d。

为保证眼睛能看到不同图像，既分光光栅能正确分光，分光光栅虚像周期与显示模组像素虚像周期应满足以下关系：

L’-pitch/P’-pitch＝(le+lv’)/(le+ls’)

由上述关系式可以获得屏幕与光栅在空气中的放置距离d空：

d＝n*d空。

但因为多数光机采用离轴设计，所以在实际应用中对不同HUD光机系统需要，计算出来的d，显示模组、分光光栅与距离HUD光机的距离lv、ls会有轻微差别，需要设计仿真确定修正因子k，不同HUD光机系统k也不一定相等。

由上公式可得，分光光栅与显示模组的距离d，分光光栅的周期L-pitch，显示模组像素排图周期P-pitch。

最后，由显示模组像素排图周期p-pitch，结合分光光栅角度以及视点数，得到最终排图周期，并采用常规裸眼3d算法进行排图。

在本实用新型中，视点数是设计确定的，一般是2～9个，分光光栅倾斜角度是由经验确定，一般较佳的为0°或者60～80°。

以上为HUD前置光栅(即光栅在TFT显示屏幕前方)设计方法，相比普通裸眼3D显示器光栅周期L-pitch小于P-pitch，而一般的HUD裸眼3D显示器的光栅周期L-pitch小于排图像素周期P-pitch，刚好与普通裸眼3D显示器相反。HUD后置光栅同样按照类似方法设计，一般的后置光栅HUD裸眼3D显示器光栅周期L-pitch大于排图像素周期P-pitch，与普通后置裸眼3D显示器及前置HUD显示器二者相反。

本实用新型裸眼3D结合HUD光学技术的做法，通过HUD放大，图像叠加。裸眼式3D技术最大的优势便是摆脱了眼镜的束缚，不需要佩戴眼镜，能够极大提升3D观看的视觉享受和驾车体验，同时，与驾驶员辅助系统的环境传感器以及GPS数据、地图资料和驾驶动态数据建立密切的网络联系。

综上所述，根据裸眼3D的原理，要想实现3D-HUD的功能，不仅仅需要硬

件的支持，还需要软件对显示的图像进行特殊算法处理。本实用新型中3D效果的算法采用的是排图算法，需要对左右眼的显示图像按照排图周期，分光光栅倾斜角度及视点数进行排列，同时依据需要叠加的现实环境位置来调整两幅图的视差大小。如由以上公式计算出像素pitch为6，倾斜角度为0°，则先排三个像素左图图像，接着排三个像素右图图像，反复排列，并且会根据屏幕分分辨率的大小适当对左右图分辨率处理至水平分辨率为屏幕二分之一，然后依据需要显示的距离，适当偏移两幅图像位置，达到调整视差的目的。

裸眼3D是人眼看向同一个方向时，投射进人左右眼不同的图像，并且图像

在人眼产生视觉差效果，当人眼通过大脑把两个眼睛看到的图像合成最终图像后便产生立体效果，因此软件必须通过算法把两张要显示的图片合成一张，并且通过调整算法来实现显示的图像的远近，大小，位移距离，再加上特殊光膜通过折射，才能最终实现3D-HUD功能。为了能够实现3D-HUD导航功能，软件必须能够解析导航信息，根据算法，对导航信息进行合成显示。为了适应室外环境下环境光的亮度，软件还要能够自动调节显示背光。

3D-HUD技术使用了增强投影面，通过数字微镜元件生成图像元素，同时成像幕上的图像通过反射镜最终射向挡风玻璃。增强过后的显示信息可以直接投射在用户视野角度的道路上显示出立体3D图像，进而与交通状况进行融合。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“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。

本实用新型的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本实用新型的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、系统和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、系统、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、系统、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种裸眼3D-HUD显示装置，包括3D图像显示装置和HUD光机，其特征在于，

所述3D图像显示装置包括照明系统、显示模组和分光光栅，所述显示模组与分光光栅之间有透明介质；

所述裸眼3D-HUD显示装置通过显示模组生成图像元素，同时显示模组上的图像穿过透明介质和分光光栅，再通过HUD光机，最终将显示的HUD信息直接投射到人眼视觉系统，通过人眼视觉系统与交通状况进行融合，形成视野内的3D立体可视区域。

2.根据权利要求1所述的裸眼3D-HUD显示装置，其特征在于，

所述分光光栅为可切换平面显示HUD或立体显示HUD的光栅。

3.根据权利要求2所述的裸眼3D-HUD显示装置，其特征在于，

所述分光光栅为液体透镜光栅、液晶狭缝光栅或液晶透镜光栅中的一种。

4.根据权利要求1所述的裸眼3D-HUD显示装置，其特征在于，

所述HUD光机为W型HUD光机或C型HUD光机；

当HUD光机为W型HUD光机时，所述W型HUD光机包括第一反射镜、第二反射镜和挡风玻璃，所述3D图像显示装置、第一反射镜和第二反射镜设置于挡风玻璃下方，以避免遮挡视线；所述第一反射镜将分光光栅投射过来的图像射到第二反射镜上，再通过第二反射镜投射到挡风玻璃上，最终通过挡风玻璃将显示的HUD信息直接投射到人眼视觉系统；

当HUD光机为C型HUD光机，所述C型HUD光机包括第三反射镜，所述第三反射镜将分光光栅投射过来的图像直接投射给人眼视觉系统。

5.根据权利要求2所述的裸眼3D-HUD显示装置，其特征在于，

所述裸眼3D-HUD显示装置还包括感应器系统和图像控制处理系统，所述感

应器系统和图像控制处理系统相连接，所述图像控制处理系统与3D图像显示装置相连接；

所述感应器系统用于接收外界信息及用户行为数据，并发送给图像控制处理系统；

所述图像控制处理系统用于对接收到的外界信息及用户行为数据进行处理，并根据用户是否需要立体显示HUD，按照分光光栅进行排图，并输出到显示模组。

6.根据权利要求1所述的裸眼3D-HUD显示装置，其特征在于，

所述透明介质选用高透光率的透明介质，用于控制分光光栅与显示模组像素点的距离。

7.根据权利要求1所述的裸眼3D-HUD显示装置，其特征在于，

所述显示模组为TFT显示屏、DLP显示屏或LCOS显示屏中的一种。

8.根据权利要求4所述的裸眼3D-HUD显示装置，其特征在于，

所述第一反射镜为平面反射镜、球面反射镜、非球面反射镜或自由曲面反射镜中的一种；所述第二反射镜和第三反射镜为球面反射镜、非球面反射镜或自由曲面反射镜。

9.根据权利要求5所述的裸眼3D-HUD显示装置，其特征在于，

所述感应器系统包括红外传感器、重力传感器、压力传感器、光感传感器或对环境、行为检测的传感器中的一种或多种。

10.根据权利要求5所述的裸眼3D-HUD显示装置，其特征在于，

所述分光光栅以一定角度设置，所述角度为0°或者60～80°。