使用普通凸透鏡的汽車用平視顯示器系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本專利屬于汽車配件，尤其屬于汽車平視顯示器(HUD)顯示系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]平視顯示器(Head Up Display)，以下簡稱HUD，量產(chǎn)的部分中高端車型都帶有HUD顯示功能，可以將速度和導(dǎo)航等圖文信息投射到前擋風(fēng)玻璃上，駕駛員是通過汽車導(dǎo)航對HUD進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，然后導(dǎo)航將設(shè)置好的參數(shù)傳給HUD中的單片機(jī)4使用。如寶馬的HUD顯示系統(tǒng)，它由外殼和內(nèi)部的光學(xué)和電子元件組成的一個盒式部件，固定在駕駛員的視線正前方的儀表臺下方。為了便于描述，將寶馬HUD的內(nèi)部光路及成像原理簡單表示為如圖1所示:其中7為單片機(jī)，將圖文信息傳給TFT屏，I為TFT屏，用于顯示速度和導(dǎo)航等圖文信息;2為平面反光鏡，將TFT中顯示的內(nèi)容反射到自由曲面反光鏡3中，目的為增加光路長度。整個HUD光學(xué)系統(tǒng)中，駕駛員看到的是通過前擋風(fēng)玻璃后反射的圖文信息，這是一個虛像，駕駛員感覺虛像是在前擋風(fēng)玻璃的前方，HUD的光路越長，則駕駛員會覺得虛像會離前擋風(fēng)玻璃越遠(yuǎn)。所以增加平面反光鏡的目的就是增加光路的長度;3為自由曲面反光鏡，為HUD光路的核心組件;5為汽車的前擋風(fēng)玻璃，作為光路的組成部分，將HUD的光線反射到駕駛員的眼睛;4為駕駛員的眼睛，即駕駛員可以觀察到HUD顯示的圖文信息和信息，駕駛員會認(rèn)為這是一個顯示在前擋風(fēng)玻璃前方的虛像。
[0003]自由曲面反光鏡3，其功能詳細(xì)描述如下:
功能1:該反光鏡有一定的曲率，是一個凹面的反光鏡，有放大的作用，寶馬HUD的TFT規(guī)格為2.2英寸，但駕駛員觀察到放大后的圖文信息約為7.9英寸，放大率約為3.6倍，這個放大功能就是由自由曲面反光鏡實現(xiàn)。
[0004]功能2:在放大圖文信息的同時，也等效于增加光路的長度，增加的長度與放大倍數(shù)相同，在這里圖像放大3.6倍，也相當(dāng)于將光路延長3.6倍，因此原來只有0.47米長的總光路，經(jīng)過延長之后實現(xiàn)虛像離駕駛員眼睛為1.7米的長度。
[0005]功能3:汽車的前擋風(fēng)玻璃不是一個平面，而是一個非線性變化的曲面，并且在顯示區(qū)域的每個位置的曲率變化均不相同，這樣會導(dǎo)致正常的圖文信息會產(chǎn)生畸變，因此自由曲面反光鏡在保持圖文信息放大功能的前提下，必須對顯示區(qū)域內(nèi)的前擋風(fēng)玻璃在顯示區(qū)域內(nèi)的曲率變化產(chǎn)生圖文信息的畸變進(jìn)行反向補(bǔ)償，用于抵消前擋風(fēng)玻璃產(chǎn)生的光學(xué)畸變。
[0006]功能4:由于TFT顯示屏比較小，只有2.2英寸，放大后的圖文信息為7.9英寸，并且光路中還有反光鏡和前擋風(fēng)玻璃的存在，因此導(dǎo)致從TFT不同顯示位置到前擋風(fēng)玻璃反射到駕駛員眼睛的光路長度不一樣，也也會導(dǎo)致圖文信息發(fā)生畸變，在HUD中，也是靠自由曲面反光鏡來校正和抵消光路長度不一樣而產(chǎn)生的畸變。
[0007]在寶馬HUD中，由于是依靠自由曲面反光鏡對前擋風(fēng)玻璃曲率和光路長度不一樣的畸變進(jìn)行校正，因此在設(shè)計自由曲面反光鏡時就必須針對某一車型的HUD內(nèi)部結(jié)構(gòu)、HUD安裝位置、前擋風(fēng)玻璃顯示區(qū)域的位置和形狀等因素進(jìn)行定制，對自由曲面反光鏡的設(shè)計要求極高，使用自由曲面反光鏡的HUD必須是專車專用，如果安裝到不同的車型，或者車輛更改前擋風(fēng)玻璃的造型，則HUD的自由曲面反光鏡必須重新設(shè)計，因此HUD主機(jī)是無法通用的。在不通用的情況下，也對與光路相關(guān)部件的制造誤差和裝配誤差的要求嚴(yán)格，如果誤差偏大，就會導(dǎo)致圖文信息畸變等問題發(fā)生。
[0008]由于自由曲面反光鏡對加工精度要求極高，因此加工難度大，并且由于曲面鏡的凹面形狀，因此對模具的加工也提出很高的要求；由于自由曲面反光鏡要實現(xiàn)光路畸形校正功能，因此對其的變形和反光率等指標(biāo)要求很高，由于材料特性，在高溫加工后回到正常狀態(tài)都有一定的收縮率，這會導(dǎo)致生產(chǎn)良品率低，生產(chǎn)成本高。由于自由曲面反光鏡與前擋風(fēng)玻璃的曲率變化結(jié)果需要相互抵消，則對前擋風(fēng)玻璃的精度和變形也提出很高的要求，如果超出范圍，也會導(dǎo)致圖文信息明顯畸變，因此也會導(dǎo)致前擋風(fēng)玻璃的制造成本大幅上升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本專利目的在于克服目前汽車的HUD顯示系統(tǒng)中因使用自由曲面反光鏡所造成的加工難度大、生產(chǎn)成本高的缺點，提供一種加工容易、生產(chǎn)成本低的使用普通凸透鏡的汽車用平視顯示器系統(tǒng)。
[0010]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為一種使用普通凸透鏡的汽車用平視顯示器系統(tǒng)，它是由外殼和內(nèi)部的光學(xué)和電子元件組成的一個盒式部件，駕駛員是通過汽車導(dǎo)航對HUD進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，然后導(dǎo)航將設(shè)置好的參數(shù)傳給HUD中的單片機(jī)使用，其要點在于它的內(nèi)部元件包括單片機(jī)、TFT屏、平面反光鏡、凸透鏡，單片機(jī)將圖文信息傳輸給TFT屏，TFT屏發(fā)出的圖文信息順序通過平面反光鏡、凸透鏡投射到汽車的前擋風(fēng)玻璃，外殼上設(shè)計有調(diào)試接頭，調(diào)試接頭的與單片機(jī)相連。
[0011]本發(fā)明是在現(xiàn)有的平視顯示器系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，外殼與電子系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相似，利用普通凸透鏡代替自由曲面反光鏡，具有加工容易、生產(chǎn)成本低，普通凸透鏡代替自由曲面反光鏡后的代替原理如下:
功能1:使用普通凸透鏡實現(xiàn)圖文信息內(nèi)容放大的功能，這點容易理解，通過調(diào)整凸透鏡與TFT和平面反光鏡之間的距離，實現(xiàn)放大的作用，并且放大倍數(shù)可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。在本專利實現(xiàn)的HUD中，選用普通的雙凸透鏡，凸透鏡的直徑在150-180mm之間，焦距在140-180mm之間，如果焦距太短則曲率大，不容易加工，焦距太長則同樣的放大倍數(shù)需要更遠(yuǎn)的距離，導(dǎo)致HUD的體積過大，由于在放大成為實像，因此必須選擇一倍焦距到二倍焦距之間，通過計算，當(dāng)凸透鏡的直徑在150-180mm之間，焦距為140mm，凸透鏡與TFT之間的光路距離為179mm時正好放大倍數(shù)為3.6倍，當(dāng)距離改變時，放大倍數(shù)也可以隨之改變。
[0012]功能2:在放大圖文信息的同時，也同樣實現(xiàn)光路的延長，這個延長倍數(shù)與放大倍數(shù)是一樣的，也是延長3.6倍。
[0013]即在使用普通凸透鏡代替自由曲面反光鏡后，同樣實現(xiàn)了自由反光鏡的放大和延長光路的功能，與自由反光鏡效果完全相當(dāng)。
[0014]所述的單片機(jī)傳輸給TFT屏的圖文信息是通過軟件進(jìn)行預(yù)變形的，實現(xiàn)抵消前擋風(fēng)玻璃的曲率非線性和光路長度不一樣等光學(xué)因素產(chǎn)生的光學(xué)畸變，最終實現(xiàn)HUD顯示。
[0015]由于選用的是普通的凸透鏡，因此無法實現(xiàn)自由曲面反光鏡一樣通過光學(xué)的方式對光路畸變進(jìn)行校正，因此本專利中通過單片機(jī)中的軟件對TFT顯示的圖文信息進(jìn)行反向較正，S卩TFT顯示的圖文信息為一個根據(jù)存儲的參數(shù)進(jìn)行預(yù)先畸變，這個畸變的方向與前擋風(fēng)玻璃曲率和光路長度不一樣而產(chǎn)生的畸變效果完全相反，正好互相抵消，因此實現(xiàn)駕駛員觀察到的虛像正好是無畸變的圖文信息。
[0016]所述的單片機(jī)傳輸給TFT屏的圖文信息是通過軟件進(jìn)行預(yù)變形的，其調(diào)試過程為①在整體車輛下線時，在駕駛員眼睛的位置放置一個攝像頭，并將攝像頭與調(diào)試接頭相接，從而使攝像頭與單片機(jī)相連接，單片機(jī)進(jìn)入畸變校正模式-②垂直畸形校正-③圖文信息加上校正參數(shù)-④對比攝像頭拍攝的圖文信息與發(fā)出的圖文信息，判斷拍攝圖文信息是否畸變-⑤是，則修正校正參數(shù)重復(fù)步驟③、④、⑤直到圖文信息無畸變，表明完成垂直畸形校正，繼續(xù)⑥水平畸形校正-⑦圖文信息加上校正參數(shù)-⑧對比攝像頭拍攝的圖文信息與發(fā)出的圖文信息，判斷拍攝圖文信息是否畸變-⑨是則修正校正參數(shù)重復(fù)步驟⑦、⑧、⑨直到圖文信息無畸變，表明完成水平畸形校正，此時單片機(jī)中對圖文信息進(jìn)行預(yù)先畸變處理的參數(shù)就是本輛汽車的光學(xué)畸變的反向校正參數(shù)。
[0017]在調(diào)試過程中先調(diào)垂直畸形校正或水平畸形校正無區(qū)別，都可以。
[0018]所述的單片機(jī)傳輸給TFT屏的圖文信息是通過軟件進(jìn)行預(yù)變形的，其調(diào)試過程為①在整體車輛下線時，在駕駛員眼睛的位置放置一個攝像頭，并將攝像