抬头显示器及包含其的交通工具的制作方法

1.本技术涉及电子显示设备的技术领域，具体是一种抬头显示器及包含其的交通工具。


背景技术：

2.抬头显示系统(也即抬头显示器)简称hud，又被叫做平视显示系统，是指以驾驶员为中心、盲操作、多功能仪表盘。它是把时速、导航等重要的行车信息，投影到驾驶员前面的挡风玻璃上，让驾驶员尽量做到不低头、不转头就能看到时速、导航等重要的驾驶信息。
3.但由于现有单一像面抬头显示器，无法实现在不同像面显示不同信息的交互需求。为了解决该问题，在现有技术中提出液态镜头、多层塑胶可变液晶材料等解决方案，以实现多像面显示。但是，现有的解决方案的缺点在于：体积大、成本高、不宜量产等缺陷，不适于在hud系统中的大规模应用。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，即提供一种可以低成本、重量轻、体积小且易于大规模生产的抬头显示器，其包括：
5.图像源，用于发射产生图像的光；
6.图像转换装置，在所述图像源的光路上设置在所述图像源的下游，所述图像转换装置能够将所述图像转换为全息图像；
7.多像面呈现装置，所述多像面呈现装置包括超透镜或者由超透镜构成，所述超透镜包括基底和设置在基底的至少一侧上的纳米结构，在图像源的光路上，所述多像面呈现装置设置在所述图像转换装置的下游；
8.其中，所述超透镜被配置为，能够将不同波长的光分别聚焦至不同的焦平面上。
9.本技术的进一步设置为：图像源配置为，发射离散波长的光。
10.在此，本技术的进一步设置为：超透镜被配置为，对入射至其上的不同波长的光产生相同的相位差，以形成不同的焦平面。
11.通过采用上述技术方案，超透镜具有单一传播相位，对于图像源投射的不同波长的光，都有一个焦距与之对应。
12.本技术的进一步设置为：超透镜的纳米结构分为多个区域，每个区域的纳米结构被配置为，将不同波长的光聚焦至对应的焦平面上。进一步地，多个区域可以环形地构成或扇形地构成。
13.本技术的进一步设置为：图像源配置为，发射复色光。
14.在此，本技术的进一步设置为：超透镜被配置为，调整入射至其上不同位置的光的出射角，以使相同波段的光会聚至同一焦平面上，且不同波段的光聚焦至不同的焦平面上。
15.通过采用上述技术方案，超透镜可以对发射复色光的图像源的光进行色散调控，通过计算超透镜的焦距和孔径，确认折射角，再引用光的波长，确认超透镜对应的相位。
16.本技术的进一步设置为：在基底的两侧上均设有纳米结构。借此，通过超透镜的级联可以实现对光进行更加灵活的调控。
17.本技术的进一步设置为：设有另一超透镜，该另一超透镜同样包括基底和至少设置在基底的一侧上的纳米结构，并且用于与超透镜配合工作多像面呈现装置，即同样实现超透镜的级联工作，从而实现对光进行更加灵活的调控。
18.本技术的进一步设置为：所述超透镜为可调超透镜，所述可调超透镜被配置为，通过外加激励调控其相位，以调节所述焦平面的位置。
19.本技术的进一步设置为：所述外加激励包括电控、热控、光控以及机械调控。
20.本技术的进一步设置为：基于电控的所述可调超透镜包括相变单元，所述相变单元包括间隔设置的第一电极层和第二电极层以及设置在所述第一电极和第二电极之间的纳米结构，其中所述纳米结构包括相变材料或由相变材料构成，所述第一电极与所述第二电极通过所述相变单元的中间件实现电连接，能够通过所述控制器改变所述第一电极与所述第二电极之间的电势，改变所述相变单元的相变态。
21.本技术的进一步设置为：基于电压调控的所述可调超透镜包括相变单元，所述相变单元包括纳米结构、第一电极层、第二电极层和相变材料层，其中所述第一电极层填充于所述纳米结构的周围，所述第一电极层的高度低于所述纳米结构的高度；所述相变材料层设置在所述第一电极层远离所述基底的一侧，且填充于所述纳米结构的周围，所述第一电极层与所述相变材料层的高度之和大于或等于所述纳米结构的高度；所述第二电极层设置于所述相变材料层远离所述基底的一侧；
22.基于电压调控的所述可调超透镜能够通过所述控制器改变所述第一电极层与所述第二电极之间的电势，改变所述相变材料层的相变态。
23.本技术的进一步设置为：所述图像转换装置采用空间光调制器。
24.本技术的进一步设置为：抬头显示器的物像关系满足下式：
[0025][0026]
其中，p为图像转换装置与多像面呈现装置的距离，q为像面与多像面呈现装置的距离，f为多像面呈现装置的焦距，m为工作波长数量且m≥1且为整数。
[0027]
本技术还提出了一种交通工具，其包括：挡风玻璃以及所述的抬头显示器，其中所述抬头显示器发出的光经所述挡风玻璃反射后，经反射的光的反向延长线形成多个焦平面上。
[0028]
借助以上的技术方案，本技术可以实现以下有益效果：
[0029]
1、本技术具有超透镜，并设置超透镜的相关参数，通过超透镜将图像源发出的不同波长的光投射至不同的目标位置，使得抬头显示器的像呈现在多个像面上，使得像面信息多样化，同时观察者可轻松地在不同的像面(即深度)中观察到每个像面所呈现的交互信息，从而实现更好的交互；
[0030]
2、通过引入超透镜，降低系统的复杂程度；
[0031]
3、通过设置多个超透镜，对图像源的光逐级会聚，实现对于光的灵活调制且实现更大的焦距范围，同时更好的矫正了像差，使得成像更加清晰；
[0032]
4、本技术的多像面呈现装置，减少了传统图像生成装置所需的光学组件以及调装
难度，能够减小体积和重量；并且，采用半导体工艺加工方便量产超透镜元件，易于大规模生产、成本低、良率高。
附图说明
[0033]
为了能更进一步了解本实用新型的特征以及技术内容，请参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本实用新型加以限制。
[0034]
图1为本技术的抬头显示器的一个实施例的结构示意图。
[0035]
图2为本技术的一个实施例中的超透镜的纳米结构排布的示意图。
[0036]
图3为本技术的一个实施例中的超透镜的纳米结构排布的示意图。
[0037]
图4为本技术的一个实施例的结构示意图。
[0038]
图5为本技术的一个实施例的结构示意图。
[0039]
图6为本技术的一个实施例的交互示意图。
[0040]
图7为本技术的一个实施例的交互示意图。
[0041]
图8为本技术的物像关系示意图。
[0042]
图9为本技术的一个实施例中的可调超透镜示意图。
[0043]
图10为本技术的另一实施例中的可调超透镜示意图。
[0044]
图11为本技术的一个实施例中的纳米结构示意图。
[0045]
附图标记：
[0046]
1、图像源；2、图像转换装置；3、多像面呈现装置；
[0047]
31、第一电极；32、第二电极；33、纳米结构；34、连接层；35、第一绝缘层；36、第二绝缘层；37、填充物；
[0048]
301、基底；302、纳米结构二；303、相变材料层；304、第一电极层；305、第二电极层；
[0049]
4、焦平面。
具体实施方式
[0050]
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
[0051]
在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
[0052]
应当理解，尽管在本技术可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本技术范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
[0053]
发明人发现，由于超透镜可以对不同的波长呈现不同焦距，因此可以实现多像面图像显示，所以，在此，发明人提出一种抬头显示器及包含其的交通工具。
[0054]
实施例1
[0055]
参见图1，本技术提出了一种抬头显示器包括：
[0056]
图像源1，用于投射图像，例如图像源1能够投射离散波长的光或者复色光，从而产生多个图像；在其中一个实施例中，图像源1包括：可以为发光二极管显示器、有机发光二极管显示器、硅基液晶显示器、数字微镜器件、基于微机电系统的激光束扫描显示器、microled(微发光二极管)阵列、三色激光投影 dmd、蓝色激光投影 荧光转盘 dmd或窄带led dmd等；
[0057]
图像转换装置2，在图像源1的光路上设置在图像源1的下游，其接收图像源1发出的光，并将其转换为全息图像，例如，在其中一个实施例中，图像转换装置2可采用空间光调制器(spatial light modulator，slm)，空间光调制器是一种对光波的光场分布进行调制的元件，slm系统可包括一层液晶材料，其被配置在两个具有电极的壁之间以形成液晶单元(cell)。液晶材料是通过将电波形施加到电极而转换(switch)的。液晶材料的一个特性是，它们在长期dc电压的作用下恶化。slm系统被设计为使得液晶材料被维持在净零dc电压下，且使得用于寻址slm系统的驱动方案导致dc平衡。在合理的几秒时间周期内，可以维持净零电压。这类元件可在随着时间变化的电驱动信号或者其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光转化为相干光。
[0058]
多像面呈现装置3，在此其包括超透镜或者由超透镜构成，超透镜包括基底301和设置在基底301的至少一侧上的纳米结构33。在光路上，超透镜设置在图像转换装置2的下游。多像面呈现装置3能够将图像转换装置2转换后的光根据波长分别聚焦至不同的焦平面4上，使得图像源1的光通过多像面呈现装置3后能够形成多个像面。
[0059]
本技术实施例及各可选实施例中，所描述的超透镜包括如下特征：
[0060]
超透镜是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据其上的纳米结构单元来调制入射光。其中纳米结构单元包含全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。如上所述，超透镜包括基底301和基底301表面的纳米结构单元，所述纳米结构单元的顶点和/或中心设置有纳米结构33；
[0061]
纳米结构单元为可密堆积图形，纳米结构单元可以视为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构33。或者，所述纳米结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构33。理想状态下，纳米结构单元应为六边形顶点及中心排布的纳米结构33，或者为正方形顶点及中心排布的纳米结构33，应当理解，实际产品可能因超透镜形状的限制，在超透镜边缘有纳米结构33的缺失，使其不满足完整的六边形/正方形。具体的，如图11所示，纳米结构单元由纳米结构33按照规律排布而成，若干个纳米结构单元成阵列排布形成纳米结构膜。
[0062]
如图11左部分示出的一个实施例，纳米结构单元包括一个中枢纳米结构33，其周围环绕着6个与其距离相等的周边纳米结构33，各周边纳米结构33圆周均布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构33组成的正三角形互相组合。
[0063]
如图11中间部分示出的一个实施例，纳米结构单元包括一个中枢纳米结构33，其周围环绕着4个与其距离相等的周边纳米结构33，组成正方形。
[0064]
纳米结构单元及其密堆/阵列的形式也可以是圆周排列的扇形，如图11右部分示出的，包括两个弧形边的扇形，也可以是一个弧形边的扇形，如图11右部分中的左下角区域。在扇形的各边交点以及中心设置有纳米结构33。
[0065]
在其中一个实施例中，超透镜可采用具有单一传播相位的超透镜，该超透镜被配置为，使得对于入射至其上的不同波长的光产生相同的相位差。
[0066]
在此，由于该超透镜的相位分布与经过其的光的波长无关，所以光的相位差为定值，具体地，具有单一传播相位的超透镜的相位分布满足下式：
[0067][0067][0068]
其中，m为工作波长数量，λ为波长，f为相应波长所对应的焦距。
[0069]
通过上式可知，本实施例的超透镜工作在不同波长下，其焦距随波长的不同而变化，通过一个给定的波长，超透镜便有一个焦距与之对应，由此经过超透镜的不同波长光，均对应不同的焦距，形成不同的焦平面4。
[0070]
需要补充的是，参见图8，本技术中的物像关系满足以下公式：
[0071][0072]
其中，p为图像转换装置2与多像面呈现装置3的距离，q为像面与多像面呈现装置3的距离，f为多像面呈现装置3的焦距，m为工作波长数量且m≥1且为整数。
[0073]
物距p已知，在其保持不变的情况下，改变多像面呈现装置3的焦距，便能够改变像距。同时，可根据实际交互场景的位置，确定q的范围，例如，在一个具体的实施例中，q1可为0.01-1m；q2可为1-10m；q3可为10-100m，每个像面区域内可展示不同的交互信息，例如车速，行驶路线，道路物体信息。
[0074]
实施例2
[0075]
本实施例与上述实施例1的区别在于：本实施例中的超透镜的纳米结构33分为多个区域，任一区域内的纳米结构33被配置为，能够将不同波长的光聚焦至其对应的焦平面4上，在一个具体地实施例中，超透镜的相位分布满足以下公式：
[0076][0077]
其中，m为工作波长数量，λ为波长，f为相应波长所对应的焦距。
[0078]
通过上述公式得知，可以根据通过每个区域的光的波长以及光所对应的焦平面4，可以设计每个区域的相位，从而设计纳米结构33的几何尺寸和/或其在超透镜上的排布。
[0079]
例如，如图2所示，在其中一个实施例中，超透镜沿超透镜的半径方向分为多个同心圆环区域，每个区域均对应一种波长的光。
[0080]
或者，如图3所示，在其中一个实施例中，超透镜分为多个扇形区域。
[0081]
需要说明的是，本实施例中超透镜的分布情况包括但不限于以上两种方案。
[0082]
本实施例的其余内容同上述实施例1。
[0083]
实施例3
[0084]
本实施例与实施例1的区别在于，在本实施例中，图像源1为发射复色光的图像源，进而多像面呈现装置3包括至少一个基于色散调控的超透镜，其被配置为，将入射至其上的光的出射角调制成，使得相同波段的光聚焦至同一焦平面4上。
[0085]
在其中一个实施例中，多像面呈现装置3可包括多个同光轴排布的基于色散调控的超透镜。超透镜的相位分布由广义折射定律得出，如下述公式：
[0086][0087]
其中，θr为折射角，θi为入射角，为超透镜的相位，s为入射点的切线方向。
[0088]
在本实施例的抬头显示器中，可以使用复色光源，扩大了所采用的可用光源的范围。通过对复色光借助超透镜进行色散控制，可以将不同波段的光折射到不同的像面上，从而实现多像面显示。
[0089]
本实施例的其余内容同实施例1。
[0090]
实施例4
[0091]
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例的多像面呈现装置3包括多于一个超透镜，例如两个超透镜。在此，多像面呈现装置3被配置为，将入射的不同波长的光依次通过至少两个超透镜的纳米结构后，聚焦至不同的焦平面4上。例如在其中一个实施例中，如图4所示，多像面呈现装置3包括两个超透镜以形成级联超透镜，两个超透镜在此可以以纳米结构33相同侧或相对侧设置。
[0092]
或者，在另一实施例中，如图5所示，多像面呈现装置3为双面超透镜。两个超透镜的相位分布可相同或者不同。
[0093]
本实施例通过设置多个超透镜，能够对图像源1的光逐级会聚，从而可以实现对光进行更加灵活的调制。
[0094]
实施例5
[0095]
在实施例1-4的基础上，在一个优选地实施例中，超透镜采用可调超透镜，例如，如图7所示，可调超透镜采用电压的调控方式。可调超透镜上设置有调控电压，可调超透镜的纳米结构单元采用相变材料，相变材料通过在外加激励(如热、激光、外加电压)下改变物质内部的晶格,可以大幅度地改变介电常数。
[0096]
gst作为常用的相变材料，其由锗(ge)、锑(sb)和碲(te)三种元素组成,在可重写光盘技术上被广泛应用。固态gst有晶态和非晶态两种相态,两态的介电常数存在较大的差别。
[0097]
当非晶态gst温度超过结晶温度(多为160℃)时,非晶态会首先相变为亚稳态的面心立方晶体结构,类似于nacl。如果温度继续升高,亚稳态晶体结构会变为稳态的六方结构。非晶态到晶态的相变过程可通过把gst放置于加热板上加热、使用激光脉冲照射、外加电压等手段来实现。
[0098]
相反地，把晶态gst加热超过其熔点(多为640℃)并液化，后经急速冷却可形成非晶态gst。整个冷却凝固过程需要在10ns内急速完成，如果凝固时间过长，液态gst有充足时间重组为晶态结构。在应用激光的情况下，gst从晶态到非晶态的相变往往需要较大功率的短脉冲(脉宽《10ns)激光。
[0099]
gst晶态或非晶态的相变过程一旦完成，即使撤去外部激励并回到室温环境，gst仍可长时间保持相变后的晶态或非晶态。gst的晶化比例可通过控制晶化过程的物理参数获得，例如，对非晶态gst进行加热，晶化比例可通过改变加热温度或加热时间来调控，以获得不同的折射率。
[0100]
在图9中的(1)和(2)中示出本技术的可调超透镜一个纳米结构33、即相变单元的示意图。在此，相变单元是透射式的相变单元。可以直接利用相变元件实现导电并加热。如图9中的(1)所示，第一电极31与纳米结构33的下侧电连接，第二电极32与纳米结构33的上侧电连接。在两个电极的作用下，由相变材料制成的纳米结构33直接导电发热，实现相变态的改变。在此，第一电极31和第二电极32的材料在工作波段透明，以避免降低光线的透过率。
[0101]
在此，该第二电极32可以直接与纳米结构33电连接；或者，如图9中的(1)所示，该相变单元还包括：连接层34，且连接层34在工作波段透明。该连接层34位于纳米结构33远离第一电极31的一侧，并与纳米结构33电连接；第二电极32位于第一电极31与连接层34之间，并与连接层34电连接。本施例中，该层状的第一电极31和连接层34均采用导电且透明的材料，例如，可以使用ito制作而成。
[0102]
例如，为了避免间隔设置的第一电极31与第二电极32之间漏电，参见图9中的(1)所示，该相变单元还包括：第一绝缘层35；第一绝缘层35位于第一电极31与第二电极32之间，并抵接第一电极31、第二电极32。可选地，该相变单元还可包括与纳米结构33并列设置的第二绝缘层36，在能够支撑部分电极的情况下，也可实现绝缘。如图10所示，该第二绝缘层36可以起到支撑连接层34的作用。
[0103]
参见图9中的(2)所示，该相变单元也可以包括：填充物37，该填充物37在工作波段透明；填充物37填充在纳米结构33之间。本实施例中，在纳米结构33周围填充有透明材料，即填充物37；该填充物37在工作波段具有较高的透过率，并且，填充物37的折射率与相变材料的折射率相比，二者之间的差值不小于0.5，以能够保证纳米结构33的调制效果。
[0104]
在本实施例中，如图9中的(1)和(2)所示，相变单元为透射式的，其中光线a射入至相变单元，该相变单元对光线a进行相位调制，并出射调制后的光线b，该光线b为透射光。
[0105]
在可调超透镜的另一设计方案中，如图10所示，超透镜包括基底301、纳米结构二302、相变材料层303、第一电极层304以及第二电极层305；基底301的一侧设置有多个纳米结构二302，第一电极层304填充于纳米结构二302的周围，第一电极层304的高度低于纳米结构二302的高度；相变材料层303设置在第一电极层304远离基底301的一侧，且填充于纳米结构二302的周围，第一电极层304与相变材料层303的高度之和大于或等于纳米结构二302的高度；第二电极层305设置于相变材料层303远离基底301的一侧；第一电极层304以及第二电极层305用于对相变材料层303加载电压，相变材料层303能够根据所加载的电压改变可调超透镜的相位。
[0106]
在该可调超透镜中不仅包含有基底301和纳米结构二302，还针对性地选取了相变材料层303作为填充材料填充于该纳米结构二302的周围，利用了该相变材料层303在受到电压的影响后能够相应地改变相变状态的特质，从而改变该可调超透镜的焦距，采用第一电极层304与第二电极层305对填充在纳米结构二302周围的相变材料层303施加一定的电压，当该相变材料层303接收到电压时，该相变材料层303即可改变可调超透镜的焦距，此时的焦距与未施加电压时的焦距不同。
[0107]
可选地，相变材料层303在所加载的电压发生变化时，能够改变相变材料层303的折射率。在当前的设计方案中，相变材料层303是填充在该超透镜所具有的多个纳米结构二302周围，因此，当该相变材料层303的折射率发生变化时，能够改变包含该相变材料层303的可调超透镜的焦距。
[0108]
替选地，在其中一个实施例中，可调超透镜采用机械调控方式。例如，超透镜的基底301采用可拉伸材质，如液晶，超透镜的纳米结构33加工完成后固定在基底301上，通过外部机械设备拉伸或压缩基底301，改变超透镜上纳米结构的间距，从而改变通过超透镜的光的周期，进而改变光的相位。
[0109]
或者，在其中一个实施例中，可调超透镜采用光控的调控方式。例如，抬头显示器还包括波前调制器和光学聚焦装置，其中，波前调制器，波前调制器包括透射式和反射式，可选地，波前调控器可以是液晶空间光调制器(lcslm)、数字微反射镜(dmd)或者由可调超透镜构成的空间光调制器。
[0110]
波前调制器和多像面呈现装置3分别设置在光学聚焦装置的两个相对侧，波前调制器能够对入射的光进行波前调制，并将调制后的光投射至光学聚焦装置，光学聚焦装置对调制后的光进行聚焦，从而形成多个光焦点，多像面呈现装置3的纳米结构单元位于多个光焦点形成的光焦面处，且至少部分纳米结构单元的纳米结构33与光焦点位置对应。通过将控制光聚焦在相应的纳米结构33处，可以激励该纳米结构33，从而改变超透镜的相位。
[0111]
在其中一个实施例中，可调超透镜的纳米结构33的材料采用光热敏材料，其可以将光能转换为热能，以提高相变速度和效率。
[0112]
实施例6
[0113]
本技术还提出了一种交通工具，例如汽车，其包括挡风玻璃以及上述任一实施例中的抬头显示器。
[0114]
对于抬头显示器，其能够图像光投射至挡风玻璃，挡风玻璃通过反射将上述光会
聚至驾驶员或观察者的眼中不同的位置和深度，驾驶员或观察者注视挡风玻璃，便能够在挡风玻璃的另一侧观察到抬头显示器所呈现的虚像。例如，在其中一个实施例中，抬头显示器经挡风玻璃后的反向延长线形成多个焦平面4，其光路如图6或图7所示。
[0115]
以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。