基于MEMS阵列的车载成像装置的制作方法

基于mems阵列的车载成像装置
技术领域
1.本实用新型涉及基于mems阵列的车载成像装置。


背景技术：

2.车载空中成像设备简称aid，不同于以往常规的抬头显示设备hud，hud的成像一般位于汽车前挡风玻璃外侧，人眼视线方向成虚像，而aid设备是要在汽车前挡风玻璃与驾驶员、乘客之间成实像，除了可以显示内容外，还可以与手势识别等设备配合进行人机交互。
3.hud、aid用于汽车前仪表平台，能够改善驾驶人员和汽车仪表的交互体验，尤其在高速驾驶时，能够显著减少驾驶人员因为观看仪表低头的次数，提高了安全性。对于hud、aid设备的呈现形式上，希望不遮挡驾驶视线，chud或者其他带散射幕布的解决方案就没有那么安全。
4.而hud、aid的安装会占用一定的空间，越大的成像尺寸，对应越大的空间占用。在车载hud、aid场景下，汽车前仪表平台空间有限，这就限制了hud、aid设备的成像尺寸。在有限的汽车前仪表台面空间内，上下方向上可以避让的空间有限，水平方向上可避让的空间较大，应用于汽车前仪表台面的hud、aid设备往扁平化发展是未来的趋势。
5.现有的空中成像设备，基于空气投影技术，主要包括：
6.1、第一种是负折射平板的方式，通过引入负折射平板，借助汽车前风挡玻璃内表面反射，在空中重构出一个等大的实像；
7.2、第二种是介质“屏幕”的方式，在成像位置设置散射面(比如投影幕布)，让投影光机形成的图像，发生散射，进而被散射到人眼；
8.3、第三种类似抬头显示hud的反射方案，采用自由曲面反射镜片形成实像；
9.4、第四种是基于微小mems阵列的成像方案。
10.对于第一种负折射平板的方式，如图1所示，实像4和图像源1关于负折射平板8镜像，在眼盒5位置看视线一般会延申到负折射平板上，这样会有部分遮挡问题。第一种解决遮挡的方式是，增大观察视线和负折射平板法线的夹角，同时让负折射平板尽量和汽车前仪表台面平行，改方式需要负折射平板的面积急剧增大，负折射平板的长度很容易就超过了1米，很显然这是不现实的。第二种解决遮挡的方式是，借助汽车前风挡玻璃反射一次，不过一般汽车前风挡玻璃到汽车前仪表台面还有250～300mm的距离，因为负折射平板放大倍率只有1，那么图像源就会离负折射平板较远，那么系统的体积一般较大，且该情形下，会形成一个位于汽车前风挡玻璃外侧的虚像，而不是实像。另外，负折射平板的成像方式，因为其技术特点，一方面会有明显的杂光；另一方面成像画质无法做到细腻程度，像质的好坏还取决于负折射平板内部反射阵列的间距。
11.对于第二种介质“屏幕”的方式，借助一层介质的存在，对光线进行散射，从而让投影光以较小的孔径角情况下，就能实现大眼盒范围的图像可见。该方式只有在特殊情形下可以采用，即没有图像透明的需求，但是基于汽车前仪表平台的空中智能成像设备，需要图像无遮挡，这就导致投影幕布、空中水幕的方式，无法真正的上车。
12.另外如图2所示，也代表了常规的解决方案，图像源7由二维阵列的像素组成，常见的图像源有透射式的lcd屏，反射式的lcos屏、dmd芯片。图像源通过成像透镜3或反射系统后，在特定的位置再现出放大或者缩小的实像4。人眼在眼盒5位置对图像进行观看的时候，有观测区域的要求，这就需要图像源上每颗像素点带有一定发光孔径角，像素点的发光是通过背光照明实现的，那么背光光源就必定是具有一定发光角度的光源。如果是单一角度的平光照射，就无法实现在一定区域内观测；当然可以通过在平光后面加扩散膜的方式将光线进行发散，但是本质上照射到图像源上的照明光束必须是发散光。
13.如图3所示，给出了一种基于二维mems10的小体积方案，因为使用细光束11成像，二维mems10和激光光源9组合本身可以做到很小的体积，但是必须借助具有散射功能的屏幕12才能实现不同位置的观看。
14.对于第三种类似抬头显示hud的反射方式，自由曲面反射镜加工精度一般要求较高，该方案的视场角一般被限制在12
×3°
左右，更大的视场角，需要更大的光学口径，另外该方案也面临太阳光杂光的问题，反射镜的反射率在85％以上，杂光如果存在更容易被人眼观测到。同时该方案体积一般也较大。
15.对于第四种基于微小mems阵列的成像方案，如公布号cn109254410a公开的《空间成像装置》，从人眼视觉的本质出发，给出一种实现了扁平化的设计思路。根据该方案技术特点，我们也发现了该方案的一些限制；其一、考虑人眼瞳孔直径，一般分布在2～8mm，如果观察区观看没有图像缺失的话，需要mems阵列非常密集；且观察区距离待显示区与mems阵列和待显示区距离比值越大，mems阵列就越密集，在大尺寸成像的情况下，mems的数量就会非常大；其二、考虑成像分辨率的要求，形成空中的像点的不同方向光线，光束口径要足够小；其三、光纤的数量和mems阵列单元的数量是一样，考虑到分辨率要求，这个数量是极大的。


技术实现要素：

16.本实用新型的目的在于提供基于mems阵列的车载成像装置，能够有效解决现有车载成像装置体积大、视场小的问题。
17.为了解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：基于mems阵列的车载成像装置，包括：
18.光源：用于发射多束平行光组成粗光束；
19.mems微振镜阵列机构：将光源发射的粗光束反射；
20.成像透镜：具有正焦距，用于将mems微振镜阵列机构反射的光束汇聚，成实像；或者，具有负焦距，用于将mems微振镜阵列机构反射的光束发散，成虚像。
21.优选的，所述光源和mems微振镜阵列机构之间的光路上还设有至少一块分束镜。
22.优选的，所述光源和mems微振镜阵列机构之间的光路上还设有一块分束镜，所述光源发射的粗光束一部分经过分束镜反射到mems微振镜阵列机构上，粗光束的另一部分透过分束镜。
23.优选的，所述分束镜的透光率为50％，反射率为50％。
24.优选的，所述光源和mems微振镜阵列机构之间的光路上还设有两块平行设置的分束镜，分别为第一分束镜和第二分束镜，所述光源发出的粗光束一部分通过第一分束镜反
射到mems微振镜阵列机构上，粗光束的另一部分透过第一分束镜照射到第二分束镜上，照射到第二分束镜上的粗光束一部分反射到mems微振镜阵列机构上，另一部分透过第二分束镜。
25.优选的，所述第一分束镜的透光率为75％，反射率为25％；第二分束镜的透光率为50％，反射率为50％。
26.优选的，所述mems微振镜阵列机构包括多个按矩形阵列排布的mems微振镜。
27.优选的，所述成像透镜具有正焦距，成像透镜为菲涅尔透镜或者菲涅尔透镜组。
28.优选的，所述成像透镜具有负焦距，所述成像透镜为凹透镜或者凹透镜与一个或多个透镜的组合。
29.优选的，所述光源发射的光束为单色光束，或者，所述光源发射的光束为r、g、b三色混合光束。
30.与现有技术相比，本实用新型的优点是：在成像透镜具有正焦距时，成实像实现空中成像，便于人机交互；而在成像透镜具有负焦距时，将呈现虚像作为hud使用。通过平行粗光束的光源与mems微振镜阵列机构配合，不需要荧幕也可以实现大的眼盒范围观看，而且采用mems微振镜阵列机构相对于单个mems微振镜，能进一步缩小mems部分所占用的空间，从而实现小体积大视场的目的。
附图说明
31.图1为现有负折射平板形式原理图；
32.图2为现有空中成像原理图；
33.图3为现有二维mems方案原理图；
34.图4为本实用新型基于mems阵列的车载成像装置采用正焦距成像透镜的实施例一的原理图；
35.图5为本实用新型基于mems阵列的车载成像装置中采用的mems微振镜阵列机构的结构示意图；
36.图6为本实用新型基于mems阵列的车载成像装置采用正焦距成像透镜的实施例二的原理图；
37.图7为本实用新型基于mems阵列的车载成像装置采用正焦距成像透镜的实施例三的原理图。
38.图8为本实用新型基于mems阵列的车载成像装置的实施例四，采用负焦距成像透镜时的原理图。
39.附图标记为：光源1、mems微振镜阵列机构2、mems微振镜21、成像透镜3、实像4、眼盒5、分束镜6、第一分束镜61、第二分束镜62、图像源7、负折射平板8、激光光源9、二维mems10、细光束11、屏幕12、虚像13。
具体实施方式
40.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面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。
41.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至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
42.实施例一：
43.参阅图4、图5为本实用新型基于mems阵列的车载成像装置的实施例，基于mems阵列的车载成像装置，包括：光源1、mems微振镜阵列机构2和成像透镜3，光源1用于发射多束平行光组成的粗光束，倾斜的角度照射到mems微振镜阵列机构2上，并且光源1发出的光束覆盖整个mems微振镜阵列机构2的表面，mems微振镜阵列机构2中每个mems微振镜21都可以单独控制反射角度，成像透镜3具有正焦距，经过mems微振镜阵列机构2反射成多束平行光，再通过成像透镜3汇聚后在空中成实像4，而只要用户处于眼盒5覆盖的区域内就可以观看到完整的实像4。
44.mems微振镜阵列机构2是由多个mems微振镜21按矩形阵列方式拼接组成的，mems微振镜21的排列方式不局限于图5给出的形式，也不局限单个mems单元的尺寸，具体要根据mems微振镜21的刷新频率，以及角度偏转精度确定。
45.成像透镜3可以采用单片的菲涅尔透镜，也可以采用菲涅尔透镜组，利用菲涅尔透镜轻薄的特性，可以进一步降低整个装置的体积以及重量。mems微振镜阵列机构2将入射的平行光，调制成不同角度的平行光，一个角度的平行光经过成像透镜3后最终可以在空中形成实像点；那么，mems阵列通过将入射平行光调制成不同角度就能在空中重构出一副画面。
46.如果是只要求显示单色的图像，那光源1发射的光束就采用单色光束，如果要显示彩色的图像，则光源1可以采用r、g、b三色混合光束。
47.光源1和mems微振镜阵列机构2表面法线夹角越大，成像透镜3和mems微振镜阵列机构2的间距可以越小，能有效的缩短系统的体积，但是法线夹角越大对mems微振镜21的尺寸要求越小，需要的mems微振镜21数量就越多，所以要根据实际成本选择合适的光源1与mems微振镜阵列机构2的法线夹角。
48.通过平行粗光束的光源1与mems微振镜阵列机构2配合，不需要荧幕也可以实现大的眼盒5范围观看，而且采用mems微振镜阵列机构2相对于单个mems，能进一步缩小mems所占用的空间，从而实现小体积大视场的目的。
49.实施例二：
50.如图6所示，与实施例一的区别在于：在光源1和mems微振镜阵列机构2之间增加一块分束镜6，该分束镜6表面设有镀膜，使得照射到分束镜6上的光线在第一入射面50％透过、50％反射，分束镜6上光线第二入射面也镀增透膜，让光线尽量透过。分束镜6第一入射面50％透过、50％反射，对光线的利用率是最高的。
51.光源1发射的粗光束照射到分束镜6上，被分束镜6反射到mems微振镜阵列机构2，mems微振镜阵列机构2中的每个mems微振镜21单独可以调整反射角度，形成多束平行光，穿过分束镜6后通过成像透镜3汇聚形成实像4，而只要用户处于眼盒5覆盖的区域内就可以观看到完整的实像4。
52.实施例三：
53.如图7所示，与实施例一的区别在于：在光源1和mems微振镜阵列机构2之间增加两
块分束镜6，两块分束镜6加入后，成像透镜3和mems微振镜阵列机构2的距离可以减小，光源1的入射口径也可以减小，这样能够显著减小系统的体积。
54.两块分束镜6平行设置，靠近光源1的为第一分束镜61，远离光源1的为第二分束镜62，光源1发出的光一部分通过第一分束镜61反射到mems微振镜阵列机构2上，另一部分透过第一分束镜61照射到第二分束镜62上，这部分光一部分透过第二分束镜62，另一部分被第二分束镜62反射到mems微振镜阵列机构2上，mems微振镜阵列机构2上反射的光束将透过第一分束镜61或/和第二分束镜62后，通过成像透镜3汇聚成实像4，最终被在眼盒5范围内的用户观看到完整的实像4。而第一分束镜61的透光率为75％，反射率为25％；第二分束镜62的透光率为50％，反射率为50％，最大程度的满足效率最大化和亮度均匀。
55.对于实施例二和实施例三中采用分束镜6后对于mems微振镜阵列机构2中单个mems微振镜21的尺寸就没有大小的限制，只要mems微振镜21彼此之间有效的间隔足够小就可以了，用以满足不同观看位置不会出现图像缺失，这样mems的数量就会较少。当然也可以采用三片甚至更多片的分束镜6，进一步缩小系统体积。
56.实施例四
57.如图8所示，与实施例一、二、三的区别在于，其成像透镜3具有负焦距，因此，从mems微振镜阵列机构2反射出的光束，经过成像透镜3后将发散，会在成像透镜3位于mems微振镜阵列机构2一侧成虚像13。成像透镜3可以为一片凹透镜，也可以是凹透镜和凸透镜的组合，只要保证整个成像透镜3的焦距为负焦距即可，从而实现hud功能。
58.上述方案和常规mems方案比较而言，取消了荧幕，因为粗光束照明，已经可以形成符合人眼观看的大光束孔径；和常规负折射平板、类似hud方案比较而言，因为采用了粗光束照明、分束镜6结构，能够显著减小系统体积，即实现更小体积、更大视场的效果。
59.以上所述仅为本实用新型的具体实施例，但本实用新型的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本实用新型的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本实用新型的专利范围之中。