增强现实抬头显示装置及车辆的制作方法

1.本实用新型涉及一种增强现实抬头显示装置及车辆，属于显示设备技术领域。


背景技术：

2.抬头显示((head up display，hud)，在功能上充当了汽车信息“投影仪”的角色。该技术可以将汽车相关信息投影到驾驶员视线前方，从而减少驾驶过程中低头查看仪表或中控屏的频率。传统hud是一种光机电耦合部件，主要由主控pcb板、光源、显示介质、光学镜组、直流电机等组成构成，由显示光源经过多次镜面结构反射，将信息反射到透明介质(显示屏或挡风玻璃)上，从而使人眼看到仿佛悬浮在眼前的虚像。hud的使用大大提升驾驶舒适度和安全性，预计在2025年全球hud装机量将达到1500万台。
3.按照产品形态，目前主流的hud主要分为组合型(c
‑
hud)和风挡型(w
‑
hud)。技术上c
‑
hud光学结构简单，设计相对容易，但其显示尺寸与投影距离有限，且可能在车辆碰撞时会对驾驶员产生二次伤害；w
‑
hud显示效果更加一体化，但其光学结构复杂，设计与布置难度较高，占据体积大，且其光学原理需要配合复杂面型的挡风玻璃，无疑增加了制备与量产难度。
4.近年来兴起的基于光波导实现的增强现实抬头显示(ar
‑
hud)，将数字图像叠加在车外真实环境上，使得驾驶员获得增强现实的视觉效果，可用于ar导航、自适应巡航、车道偏离预警等。
5.ar
‑
hud与目前主流的c
‑
hud和w
‑
hud相比，具备体积小、投影距离远、视场角大、普适性高等特点。现有技术中，由于挡风玻璃普遍采用双层结构，因此光线经过挡风玻璃，会造成二次反射，形成视觉重影，极大带来视觉体验不舒适感。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于提供一种能够有效消除重影，提高显示图像的质量和效率的增强现实抬头显示装置。
7.为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种增强现实抬头显示装置，包括图像单元、光波导单元和反射单元，所述图像单元用于产生图像光线且引导所述图像光线入射至所述光波导单元的表面，所述光波导单元将所述图像光线传导并朝向所述反射单元射出，所述反射单元将所述图像光线反射至人眼并产生虚像，所述反射单元包括具有反射功能的透明件和设置在所述透明件上的多光谱反射层，所述透明件包括至少两层层叠设置的透明板，所述多光谱反射层设置在靠近所述光波导单元的第一透明板上。
8.进一步地，所述多光谱反射层包括至少一层低折射率层和至少一层高折射率层，所述多光谱反射层可表达为(lh)^m，其中，l为低折射率层，h为高折射率层，m为层叠周期数，所述高折射率层的折射率和所述低折射率层的折射率相差至少为0.1。
9.进一步地，所述低折射率层的厚度范围为0～300nm；所述高折射率层的厚度范围为0～100nm；所述层叠周期数m为2～50，靠近所述第一透明板设置的第一层低折射率层的
厚度范围大于0。
10.进一步地，所述低折射率层的折射率范围为1.3～1.78；所述高折射率层的折射率范围为1.8～2.9。
11.进一步地，所述低折射率层的材质为氧化硅、氧化铝、及氟化镁中任一种；所述高折射率层的材质为氧化钛、氧化铁、氧化铌、氧化钽、氧化锆、氧化铬、氧化铈、及氧化钴中任一种。
12.进一步地，所述多光谱反射层和所述第一透明板之间还设置有匹配层，所述匹配层的折射率为2.0～2.9。
13.进一步地，所述多光谱反射层包括基底层和形成在所述基底层上的微结构层，所述微结构层包括若干重复设置的微结构，所述微结构包括至少三个微结构单元，每个所述微结构单元的宽度不相同，所述微结构单元包括凸起和与所述凸起相邻设置的凹槽，所述凸起的宽度范围为100～400nm，所述凸起的高度范围为50～300nm，所述凹槽的宽度范围为50～300nm。
14.进一步地，所述基底层和微结构层的折射率为1.4～1.7，所述基底层和微结构层的材质为柔性亚克力、树脂、塑料中的任一种。
15.进一步地，所述透明件为双层挡风玻璃。
16.进一步地，所述光波导单元至少一层光波导、及设置在所述光波导一侧的第一遮光层和设置在所述光波导另一侧的第二遮光层，所述第一遮光层用以吸收从所述光波导透射出的光线，所述第二遮光层用以吸收从所述光波导透射和/或反射出的光线以及从外界透射进入的太阳光线。
17.本实用新型还提供一种车辆，包括如上所述的增强现实抬头显示装置。
18.本实用新型的有益效果在于：本实用新型所示的增强现实抬头显示装置在靠近光波导单元的第一透明板上设置有对红绿蓝多波段光具备一定带宽的高反射率的多光谱反射层，用以反射图像光线，使得较少的图像光线透过第一透光板入射到其他透明板，从而能够有效消除重影现象，提高显示图像的质量和效率。
19.同时，该多光谱反射层对红绿蓝主波段处较窄带宽进行高反射，通过了部分光线，避免全部光线均被反射，从而避免产生镜面效应，提高安全性能。
20.上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
21.图1为本技术一实施例所示的增强现实抬头显示装置的光路示意图；
22.图2为现有技术中增强现实抬头显示装置的反射单元的光路示意图；
23.图3为图2中所示的反射单元形成重影效应的光路示意图；
24.图4为图1中所示的部分增强现实抬头显示装置的光路示意图；
25.图5为图1中所示的部分增强现实抬头显示装置消除重影的光路示意图；
26.图6为实施例一得到的多光谱反射层的反射效率
‑
波长效果仿真图；
27.图7为图1中多光谱反射层的一种结构示意图；
28.图8为实施例二得到的多光谱反射层的反射效率
‑
波长效果仿真图。
具体实施方式
29.下面将结合附图对本实用新型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。
30.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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机构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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
31.此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
32.请参见图1，本技术一实施例所示的增强现实抬头显示装置，其包括图像单元1、光波导单元2和反射单元3。图像单元1用于产生图像光线且引导图像光线入射至光波导单元2的表面。光波导单元2将图像光线传导，同时增加出瞳扩展，并朝向反射单元3射出。光波导单元2射出的图像光线照射到反射单元3上，反射单元3将照射其上的图像光线反射至人眼并产生虚像。
33.增强现实抬头显示装置的抬头显示原理为：图像单元1发出一定视场角的图像光线，该图像光线入射光波导单元2，经光波导单元2出瞳扩展后出射，出射的图像光线经反射单元3以一定反射角反射至人眼，人眼即可透过反射单元3看到一定投影距离的虚像。
34.光波导单元2包括至少一层光波导21，可以是一层光波导21、两层光波导21或三层光波导21等等，本实施例中，光波导单元2包括三层叠加的光波导21，关于光波导21的层数在此不做具体限定，可根据实际需要进行设置。
35.光波导21表面设置有耦入区域(未图示)和耦出区域(未图示)，耦入区域被配置为使得入射的图像光线被耦合到光波导21中并沿光波导21传导至耦出区域，耦出区域被配置为将光波导21中的图像光线射出。图像光线经过耦入区域，在光波导21内部发生衍射和全反射，衍射和全反射的图像光线经过光波导21内多次传导，图像光线布满整个耦出区域并在耦出区域射出，从而实现出瞳扩展。光波导21将耦入的光线在满足全反射的条件下，能够向特定方向持续传导，光波导21的透过率大于80％，光波导21可以为玻璃、树脂或者在可见光下透过率大于80％的材料，在此不一一列举。光波导21的厚度小于2mm，光波导21的具体厚度在此不做具体限定，可根据实际需要进行设置。
36.耦入区域和耦出区域为具备衍射特性的结构单元，本质为具备折射率梯度且可实现光线衍射传导的纳米结构，具体的，耦入区域和耦出区域都为周期性光栅结构，如纳米级的浮雕光栅或体全息光栅，周期性光栅结构可以直接制作在光波导21上，也可以预先制作在薄膜上，再将载有光栅结构的薄膜与光波导21结合。形成耦入区域和耦出区域的光栅结构底部可位于光波导21表面上或者光波导21内。
37.耦入区域和耦出区域可以均可为矩形，其中，耦入区域也可以采用圆形或其它形
状，根据需要而定。耦入区域和耦出区域沿同一轴线排布在光波导21的同一面的两侧或不同面的两侧，本实施例中，耦入区域和耦出区位于光波导21的同一表面上且两者之间具有间距。光栅结构可采用全息干涉技术、光刻技术或纳米压印技术制备而成，根据实际需要可自由选择。
38.耦入区域优选为倾斜浮雕光栅，图像光线在耦入区域位置入射，通过衍射过程被耦合至光波导21内。倾斜设置的衍射光栅对波长具有选择性，避免色散，针对某一波段具有较高的衍射效率。耦出区域的光栅结构的周期和取向和耦入区域的光栅一致，其可为正光栅或者倾斜光栅。
39.通过设计光栅结构的周期、深度、占空比及倾斜角度等参数，对特定波长或波段的光进行高效率选择，实现波长选择性功能。比如，对绿色图像光线进行耦合，继而在波导内弯折传导，对蓝色和红色图像光线不作用，实现单通道光线衍射。或者对蓝色和红色波段的光进行高效率选择，实现双通道光线衍射。单通道衍射的光波导21只对某一颜色图像光进行传导，其余颜色图像光通过该光波导21，实现光线之间互不干涉。
40.此外，光波导21表面还可以设置有转折区域(未图示)，转折区域用于改变图像光线在光波导21内的传播方向。当图像光线入射至耦入区域后，图像光线在光波导21内全反射至转折区域，转折区域改变图像光线的传播方向，使改变方向后的图像光线全反射至耦出区域，可以对输出图像进行有效扩瞳，从而扩大了视角范围，更能满足用户需求。
41.光波导单元2还包括设置在光波导21一侧的第一遮光层22和设置在光波导21另一侧的第二遮光层23，第一遮光层22用以吸收从光波导21透射出的光线，第二遮光层23用以吸收从光波导21透射和/或反射出的光线以及从外界透射进入的太阳光线。
42.第一遮光层22和第二遮光层23与光波导21之间具有间隙，以此吸收从光波导21透射出或反射出的光线，避免吸收光波导21内部的光线。关于间隙的具体在此不做具体限定，可根据实际需要进行设置。
43.第一遮光层22和第二遮光层23对可见光波段的吸收率大于60％，即，第一遮光层22和第二遮光层23可为对可见光波段的吸收率大于60％的结构或对可见光波段的吸收率大于60％的材料制备得到，具体的材料和结构在此不一一列举，可根据实际需要进行选择。
44.光波导单元2若未设置第一遮光层22，则在光波导21中传导的图像光线即使经过多重光波导21后，仍然会有部分图像光线透过光波导21射出，尤其是，无论图像光线是垂直入射还是斜入射至耦入区域，仅部分光线会衍射后在光波导21内传导，0级衍射光线都会透过光波导21射出。这部分图像光线会经任意具备反射特性的面反射或漫反射，经过反射或漫反射后的光线会再次入射至光波导21内，引入杂散光，影响成像质量。而光波导单元2设置有第一遮光层22，则第一遮光层22将透过光波导21射出的图像光线吸收，避免了其经过反射或漫反射后再次入射至光波导21内，从而减弱干扰，提高了成像质量。
45.第一遮光层22在光波导21表面的投射区域覆盖耦入区域在光波导21表面的投射区域，且第一遮光层22在光波导21表面的投射区域和耦出区域在光波导21表面的投射区域相离设置，从而最大限度地吸收从光波导21表面透射出的光线。即，第一遮光层22在光波导21表面的投射区域覆盖的最大范围为除耦出区域在光波导21表面的投射区域以外的面积，最小范围为耦入区域在光波导21表面的投射区域。
46.光波导单元2若未设置第二遮光层23，则在光波导21中传导的图像光线即使经过
多重光波导21后，会在耦出区域相对反射单元3的一侧透射出光线以及外界的太阳光线经过反射单元3也会进入光波导21后从耦出区域213相对反射单元3的一侧透射出光线，即，太阳光线也会倒灌，在光波导21内逆传导，引起关键器件升温损坏。同时在图像光线入射光波导21时，也会有部分光线经过光波导21表面反射，这些光线会经任意具有反射特性的面所反射或漫反射，经过反射或漫反射后的光线会再次入射至光波导21内，引入杂散光，影响成像质量。而光波导单元2设置有第二遮光层23，则第二遮光层23将这些光线吸收，避免了其经过反射或漫反射后再次入射至光波导21内或逆传导，从而减弱影响，提高了成像质量。
47.第二遮光层23在光波导21表面的投射区域覆盖耦出区域在光波导21表面的投射区域，且第二遮光层23在光波导21表面的投射区域和图像单元1在光波导21表面的投射区域相离设置，从而最大限度地吸收从光波导21表面透射出或/和反射出的光线。即，第二遮光层23在光波导21表面的投射区域覆盖的最大范围为除图像单元1在光波导21表面的投射区域以外的面积，最小范围为耦出区域在光波导21表面的投射区域。
48.通过设置耦入区域和耦出区域的光栅结构的尺寸、两者之间的距离、光栅的具体结构，光波导21的厚度尺寸以及第一遮光层22和第二遮光层23的位置和尺寸，可以实现图像光线经耦入区域衍射耦入，光线经光波导21衍射并传送至耦出区域，而光波导21表面透射出和反射出的光线被第一遮光层22或第二遮光层23吸收，并由耦出区域出射并照射至反射单元3，光线由反射单元3反射至人眼，在人眼前方形成图像的虚像，提高成像质量。
49.反射单元3包括具有反射功能的透明件31和设置在透明件31上的多光谱反射层32，透明件31包括至少两层层叠设置的透明板，即，图像光线照射至透明件31，透明件31对图像光线产生至少两次反射。透明件31包括靠近光波导单元2设置的第一透明板311和与第一透明板311层叠设置的第二透明板312。第一透明板311和第二透明板312可以为曲面结构或平面结构，在此不做具体限定。本实施例中，透明件31为双层挡风玻璃，第一透明板311和第二透明板312都为挡风玻璃，但也不仅限于此，透明件31还可以为其他结构，在此不一一列举。
50.如图6和图8所示，该多光谱反射层32对红绿蓝主波段处较窄带宽进行高反射，从而通过大部分较宽带宽光线，避免全部光线均被反射，从而产生镜面效应，影响安全。
51.请参见图2，现有技术的ar
‑
hud方案中，经过光波导单元出射的图像光线入射至反射单元03，反射单元03为挡风玻璃03，而挡风玻璃具备高透特性，其反射率较低，因此，大部分图像光线会透过挡风玻璃出射，而较少图像光线会经挡风玻璃反射被人眼接收，从而极大降低光利用效率。
52.请参见图3，挡风玻璃03一般为双层挡风玻璃，其具备两个前表面，经过光波导单元出射的图像光线入射双层挡风玻璃，首先经过第一前表面031反射，部分光线透过第一前表面031入射第二前表面032，经第二前表面032再次反射，两次反射的光均被人眼接收，从而在远处虚像会呈现重影效应。
53.请参见图4，多光谱反射层32的设置有助于提升显示效率，经过光波导单元2出射的图像光线入射反射单元3，经反射单元3表面的多光谱反射层32反射，因多光谱反射层32具备高的反射效率，因此，大部分光线被反射至人眼，明显提高光利用效率。
54.请参见图5，多光谱反射层32设置在靠近光波导单元2的第一透明板311上，使得大部分图像光线在第一透明板311上被反射，较少的图像光线透过第一透光板入射到第二透
明板312，即，增强透明件31的第一次反射，减弱甚至消除透明件31的第二次反射，所以此时人眼接收的主要的图像光线仅为第一透光板反射的光线，而可以忽略第二透光板的反射光线，从而能够有效消除重影现象。多光谱反射层32的具体反射效率取决于第一透光板和第二透光板反射效率比值的可接受范围。
55.多光谱反射层包括至少一层低折射率层和至少一层高折射率层，其可表达为(lh)^m，其中，l为低折射率层，h为高折射率层，m为层叠周期数。
56.其中，低折射率层的厚度范围为0～300nm，高折射率层的厚度范围为0～100nm，所述层叠周期数m为2～50。其中，靠近第一透明板设置的第一层低折射率层的厚度范围大于0，即，多光谱反射层中靠近第一透明板设置的第一层折射率层为低折射率层。
57.低折射率层的折射率范围为1.3～1.78。高折射率层的折射率范围为1.8～2.9，且高折射率层的折射率和低折射率层的折射率相差至少为0.1。
58.低折射率层的材质为氧化硅、氧化铝、及氟化镁中任一种或多种；高折射率层的材质为氧化钛、氧化铁、氧化铌、氧化钽、氧化锆、氧化铬、氧化铈、及氧化钴中任一种或多种。关于低折射率层和高折射率层的材质还可以为其他，在此不一一列举。
59.此外，多光谱反射层和第一透明板之间还设置有匹配层，匹配层的折射率为2.0～2.9。匹配层的材料通常为二氧化硅。
60.该多光谱反射层对于440～460nm波段的光的反射率为70％～100％，对于515～535nm波段的光的反射率为70％～100％，对于610～630nm波段的光的反射率为70％～100％。
61.下面结合具体实施例对上述的反射单元进行进一步阐述。
62.实施例一
63.反射单元可以表达为：sm|(lh)^m|，其中s为透明件，即挡风玻璃，m为匹配层，其为高折射率材料tio2，l为低折射率材料sio2，h为高折射率材料tio2，m为层叠周期数，各层厚度如下表1所示。
64.表1实施例一中的匹配层、低折射率层和高折射率层的材料和厚度
[0065][0066][0067]
请参见图6，本实施例得到的多光谱反射层在可见光波段的反射效率曲线图中，可得到，对于430～460nm波段的光的反射率大于70％，对于520～530nm波段的光的反射率大于70％，对于580～635nm波段的光的反射率大于70％。
[0068]
本技术还提供一种用以制备上述所示的反射单元的方法，该方法包括：
[0069]
s11：提供转移层，在转移层上制作匹配层；
[0070]
s12：在匹配层上制备低折射率层，再多次制备低折射率层或高折射率层形成多光
谱反射层；
[0071]
s13：将转移层贴合至第一透明板上，得到反射单元。
[0072]
转移层用于多光谱反射层制作时的载体、并用于将多光谱反射层转移至挡风玻璃，转移层的材料为柔性亚克力、树脂、塑料等，在此不一一列举。
[0073]
匹配层、低折射率层和高折射率层可通过物理气相沉积(pvd)制备，但也不仅限于此，还可以为其他制备方法。
[0074]
低折射率层和高折射率层的具体厚度、所用材料以及层叠方式可根据实际需要进行设置。
[0075]
此外，多光谱反射层还可为其他结构，多光谱反射层包括基底层和形成在基底层上的微结构层。
[0076]
微结构层包括若干重复设置的微结构，微结构包括至少三个微结构单元，每个微结构单元的宽度不相同。微结构单元包括凸起和与凸起相邻设置的凹槽，凸起的宽度范围为100～400nm，凸起的高度范围为50～300nm，凹槽的宽度范围为50～300nm。
[0077]
基底层和微结构层的折射率为1.4～1.7，基底层和微结构层的材质为柔性亚克力、树脂、塑料中的任一种，但不仅限于此，在此不一一列举。且基底层对可见光波段透过率大于80％。
[0078]
下面结合具体实施例对上述的反射单元进行进一步阐述。
[0079]
实施例二
[0080]
请参见图7，多光谱反射层32的基底层321材料为氧化硅，微结构层中的微结构包括三个微结构单元，分别为第一微结构单元、第二微结构单元和第三微结构单元，其中，第一微结构单元包括第一凸起322和第一凹槽323，第二微结构单元包括第二凸起324和第二凹槽325，第三微结构单元包括第三凸起326和第三凹槽327。第一凸起322的宽度p1＝0.2μm，第二凸起324的宽度p2＝0.25μm，第三凸起326的宽度p3＝0.3μm，第一凹槽323的宽度f1＝0.1μm，第二凹槽325的宽度f2＝0.15μm，第三凹槽327的宽度f3＝0.25μm，第一凸起322、第二凸起324和第三凸起326的高度为0.2μm。
[0081]
请参见图8，本实施例得到的多光谱反射层在可见光波段的反射效率曲线图中，可得到，对于450nm波长的光的反射率大于60％，对于540nm波长的光的反射率大于60％，对于640nm波长的光的反射率大于20％。
[0082]
本技术还提供一种用以制备述所示的反射单元的方法，该方法包括：
[0083]
s21：提供基底层，在基底层上旋涂光刻胶；
[0084]
s22：在光刻胶上制备微结构层的图形；
[0085]
s23：将微结构层的图形转移至基底层上，形成多光谱反射层；
[0086]
s24：提供转移层，将形成多光谱反射层转移至转移层；
[0087]
s25：将转移层贴合至第一透明板上，得到反射单元。
[0088]
其中，微结构层的图形的制备方法为光刻法或曝光法等，将微结构层的图形转移至基底层的方法为离子刻蚀法或物理化学反应法等。转移层的材质为柔性亚克力、树脂、塑料中的任一种，但不仅限于此，在此不一一列举。将多光谱反射层转移至转移层的方法可为压印，即，将多光谱反射层固定到转移层上，从而方便后续的使用。
[0089]
本技术还提供一种车辆，包括如上所示的增强现实抬头显示装置，在挡风玻璃前
方形成虚像。车辆可以是骑车、电动汽车等，例如，纯电动汽车、增程式电动汽车、混合动力电动汽车、燃料电池汽车、新能源汽车等，对此不做具体限定。多光谱波段反射层的设置有助于提升显示效率，提高挡风玻璃设计的普适性。该多光谱波段反射层增强挡风玻璃的第一次反射，减弱甚至消除挡风玻璃的第二次反射，从而能够有效消除重影现象。
[0090]
综上，本实用新型所示的增强现实抬头显示装置在靠近光波导单元的第一透明板上设置有对红绿蓝多波段光具备一定带宽的高反射率的多光谱反射层，用以反射图像光线，使得较少的图像光线透过第一透光板入射到其他透明板，从而能够有效消除重影现象，提高显示图像的质量和效率。
[0091]
同时，该多光谱反射层对红绿蓝主波段处较窄带宽进行高反射，通过了部分光线，避免全部光线均被反射，从而避免产生镜面效应，提高安全性能。
[0092]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0093]
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。