CN108027511B - 信息显示装置、信息提供***、运动对象设备、信息显示方法和记录介质 - Google Patents

信息显示装置、信息提供***、运动对象设备、信息显示方法和记录介质 Download PDF

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Abstract

一种信息显示装置，将图像形成光束发射到透射反射构件，并使虚像通过该反射构件可见。该信息显示装置被配置为显示虚像，从而使得通过反射构件观看虚像时的会聚角与通过反射构件观看真实对象时的会聚角之间的差小于或等于1度。

Description

信息显示装置、信息提供***、运动对象设备、信息显示方法 和记录介质
技术领域
本公开涉及信息显示装置、信息提供***、运动对象设备、信息显示方法和记录介质。
背景技术
近年来，开发使虚像可见的装置已经变得流行。例如，下面列出的PTL1公开了一种被配置为仅将图像光束投影在图像观看者的一只眼睛上并且使虚像可见的装置。
[引用列表]
[专利文献]
[PLT 1]日本未经审查的专利申请公开No.2010-076533
发明内容
[技术问题]
在一个方面中，本公开提供了一种信息显示装置，其能够防止虚像可见性恶化并且防止设备配置的复杂性。
[问题的解决方案]
在一个实施例中，本公开提供了一种信息显示装置，其将图像形成光束发射到透射反射构件并通过反射构件使虚像可见，其中信息显示装置被配置为显示虚像，从而使得通过反射构件观看虚像时的会聚角与通过反射构件观看真实对象时的会聚角之间的差小于或等于1度。
[发明的有益效果]
根据一个实施例的信息显示装置能够防止虚像可见性恶化并且防止设备配置的复杂性。
本发明的目的和优点将通过权利要求中特别指出的要素和组合来实现和获得。应该理解的是，前文的一般性描述和下面的详细描述都是示例性和解释性的，而不是对本发明所要求保护的进行限制。
附图说明
图1是图示根据第一实施例的作为信息显示装置的HUD设备配置的图。
图2是图示HUD设备硬件配置的框图。
图3是图示HUD设备功能性配置的框图。
图4是图示光源部分配置的图。
图5是图示光偏转器配置的图。
图6是图示二维扫描时扫描线轨迹的图。
图7是用于说明视差角的图。
图8是用于说明背景距离、从视点位置到虚像的成像位置的距离L和视差角度之间的关系的图。
图9是图示通过虚像对存在于前景中的前方车辆进行标记的示例的图。
图10是图示在前方车辆后方的路面上显示导航信息的示例的图。
图11是图示在前方路面上显示速度信息的示例的图。
图12是图示示例3的信息提供***的硬件和功能性配置的框图。
图13是图示示例3的信息提供***的感测单元配置的框图。
图14A是图示示例3的感测单元的激光雷达配置的图。
图14B是图示示例3的感测单元的激光雷达配置的图。
图14C是图示示例3的感测单元的激光雷达配置的图。
图15是用于说明示例3的信息显示方法的流程图。
图16是图示示例4的信息提供***的硬件和功能性配置的框图。
图17是图示示例4的感测单元的硬件配置的框图。
图18是用于说明示例4的信息显示方法的流程图。
图19是图示示例5的信息提供***的硬件和功能性配置的框图。
图20是用于说明示例5的信息显示方法的流程图。
图21是用于说明示例5的信息显示方法的图。
图22是用于说明根据第二实施例的信息显示方法的流程图。
图23是用于说明根据第二实施例的修改例的信息显示方法的流程图。
具体实施方式
<第一实施例>
将描述平视显示(HUD)设备100，其为根据第一实施例的信息显示装置。图1图示了根据第一实施例的HUD设备100的配置。
HUD设备的投影方法通常分为面板方法以及激光扫描方法，面板方法通过使用诸如液晶面板、数字镜面设备(DMD)面板或真空荧光显示器(VFD)之类的成像设备来形成中间图像；激光扫描方法通过使用二维扫描设备对从激光源发射的激光束进行扫描来形成中间图像。特别地，与通过全屏发射的部分遮蔽(shading)来形成图像的面板方法不同，激光扫描方法可以为每个像素分配发射和不发射，并可以形成高对比度图像。
激光扫描方法被用于根据第一实施例的HUD设备100。然而，面板方法可以被替代地用作本公开的信息显示装置的投影方法。
作为一个示例，HUD设备100被安装在运动对象上，例如车辆、飞机、船舶或工业用机器人，并且被配置为使操作运动对象所需的导航信息(例如，包括运动对象的速度、运动对象前方的对象(真实对象)的位置或存在、距目的地的距离、运动方向、当前位置名称、诸如极限速度之类的指示符、拥堵信息等信息)通过运动对象的前挡风玻璃50(参见图1)可见。在这种情况下，前挡风玻璃50还用作透射反射构件，其被入射光中的一部分穿透并反射剩余光中的至少一部分。以下，将描述HUD设备100被安装在包括前挡风玻璃50的车辆上的情况。
如图1所示，HUD设备100包括光学扫描单元10、屏幕30和凹面镜40。HUD设备100向前挡风玻璃50发射用于在前挡风玻璃50上形成图像的光束(图像光束)，并且使得能够从图像观看者A(在该实施例中是作为车辆使用者的驾驶员)的视点位置(观看者双眼的中点)对虚像I进行视觉确认。
即，图像观看者能够通过前挡风玻璃50观看作为虚像I(绘制)的由光学扫描单元10在屏幕30上形成(或呈现)的图像(中间图像)。该中间图像是用于向驾驶员提供信息的信息提供图像。
作为示例，HUD设备100设置在车辆的仪表板下方，并且从图像观看者A的视点位置到前挡风玻璃50的距离最多在从几十厘米到一米的范围内。
在本实施例中，通过使用现有的光学设计仿真软件来设计凹面镜40，以使其具有预定的会聚能力，从而使得虚像I的成像位置能够与期望的位置一致。此外，在本实施例中，凹面镜被用作扫描镜20。然而，凸面镜或平面镜可以替代凹面镜被用作扫描镜20。
在本实施例中，凹面镜40的会聚能力被设定，从而使得虚像I在距离图像观看者A的视点位置大于或等于4m且小于或等于10m(优选地，小于或等于6m)的位置(深度位置)处显示。
注意，前挡风玻璃通常形成为不是平坦表面而是稍微弯曲的曲面，并因此，虚像I的成像位置由凹面镜40和前挡风玻璃50的曲面决定。
光学扫描单元10包括光源单元11、光偏转器15和扫描镜20。来自光源单元11的光束被光偏转器15偏转，并且偏转的光束被扫描镜20反射回以执行屏幕30的光学扫描。优选地，凹面镜40和扫描镜20中的至少一个被设计和布置为对由于前挡风玻璃50的影响而将中间图像的水平线转变成向上或向下凸的线的光学畸变元件进行校正。
在光源单元11中，R，G，B三种颜色的激光束被组合。其中3种颜色的激光束被组合的组合光束被引导到光偏转器15的反射面。光偏转器15由通过半导体制造处理所生产的微电子机械***(MEMS)扫描仪形成，并且MEMS扫描仪包括可围绕两个正交轴中的每一个垂直摆动的单个微镜。注意，可以通过对两个MEMS扫描仪进行组合来形成光偏转器15，其中每个MEMS扫描仪包括可围绕一个轴摆动的微镜。可选地，电扫描仪或多边形扫描仪可以替代MEMS扫描仪被用作光偏转器中包括的扫描仪。稍后将描述光源单元11的详细配置。
由光偏转器15偏转的一束光束被扫描镜20反射回来，并且在屏幕30的表面(扫描表面)上呈现一维或二维图像(中间图像)。优选地，具有使激光束以期望的发散角发散的功能的微透镜阵列或微镜阵列被用作屏幕30。可选地，也可以替代性地使用扩散激光束的扩散板，或具有光滑表面的透明板或反射板。稍后将描述光偏转器15的详细配置。
来自屏幕30的激光束被凹面镜40反射，并且反射的激光束入射到前挡风玻璃50上。到前挡风玻璃50的入射光束中的一部分穿过前挡风玻璃50，并且剩余激光束中的至少一部分向视点位置反射。结果，图像观看者能够通过前挡风玻璃50观看通过放大中间图像而创建的虚像I。即，图像观看者能够通过前挡风玻璃50观看虚像I的放大显示。
注意，作为透射反射构件的组合器可以设置在比前挡风玻璃50更靠近视点位置的位置处，并且来自凹面镜40的激光束可以被引导至组合器，从而使得以与其中前挡风玻璃50被单独设置的情况相类似的方式执行图像显示。
图2图示了HUD设备100的控制***的硬件配置。如图2所示，HUD设备100的控制***包括现场可编程门阵列(FPGA)600、中央处理单元(CPU)602、只读存储器(ROM)604、接口608、总线610、激光二极管(LD)驱动器6111和MEMS控制器615。
FPGA 600被配置为控制LD驱动器6111以操作LD 111(将在稍后描述)，并且被配置为控制MEMS控制器615以操作光偏转器15。CPU 602被配置为控制HUD设备100的总体操作。ROM 604被配置为存储用于控制HUD设备100总体操作的图像处理程序。RAM 606被用作CPU602的工作区域。接口608被配置为允许HUD设备100与外部控制器进行通信。例如，接口608连接到车辆的控制器区域网络(CAN)。
图3图示了HUD设备100的功能性配置。如图3所示，HUD设备100包括车辆信息输入单元800、外部信息输入单元802、图像数据生成单元804以及图像绘制单元806。
车辆信息输入单元800被配置为从CAN接收车辆信息(其为包括车辆速度、里程、距目标对象的距离、外部环境的亮度等的信息)。外部信息输入单元802被配置为从外部网络接收关于车辆外部的信息(其为来自GPS的导航信息等)。图像数据生成单元804被配置为基于由车辆信息输入单元800接收的车辆信息和由外部信息输入单元802接收的信息，来生成要呈现的图像的图像数据。图像绘制单元806包括控制单元8060。控制单元8060被配置为根据图像数据控制光学扫描单元10，并因此图像绘制单元806被配置为将图像光束发射到前挡风玻璃50。结果，使虚像I从图像观看者A的视点位置可见。
图3所示的上述单元表示由图2所示的HUD设备100中任何元件和设备实现的功能和单元，其基于存储在ROM 604中的程序通过来自CPU 602的指令来激活。
图4图示了光源单元11的详细配置。如图4所示，光源单元11包括多个光发射设备111R、111B和111G，其各自具有一个或多个发射点。作为示例，光发射设备111R、111B和111G中的每个由LD(激光二极管)形成。光发射设备111R、111B和111G分别发射带有相互不同波长λR、λG和λB的激光束。例如，λR＝640nm，λG＝530nm，λB＝445nm。从LD 111R，LD 111G和LD111B发射的带有波长λR、λG和λB的激光束分别通过对应的耦合透镜112R，112G和112B耦合到后续光学***。耦合的激光束通过相应的光圈构件113R，113G和113B而成形。根据激光束的发散角，光圈构件113R，113G和113B中每个的光圈形状可以被设置为各种形状中的任一种，包括圆形、椭圆形、矩形和正方形。随后，通过光圈构件成形为光束的激光束的光路由组合元件120耦合在一起。组合元件120可以是板形或棱镜形的分色镜，其根据激光束的波长反射及穿透激光束，并将激光束耦合到单个光路。耦合的激光束通过透镜119被引导到光偏转器15的反射面。透镜119可以是弯月形透镜，具有面向光偏转器15的凹面。
图5图示了光偏转器15的详细配置。光偏转器15是通过半导体制造处理所生产的MEMS扫描仪。如图5所示，光偏转器15包括具有反射面的反射镜150和彼此分开设置的一对曲折部分152。曲折部分152中的每个包括在X轴方向上排列的多个梁(beam)，从而使得两个相邻梁通过折回(fold-back)部分以Z字形方式连接。曲折单元152中每个包括的两个相邻梁包括由框架构件154支撑的梁A152a和梁B152b。多个压电元件156(例如，PZT)逐个地提供在多个梁上。通过对曲折单元中每个包括的两个相邻梁的压电元件施加不同的电压，两个相邻梁在不同方向上偏转，并且这样的两个相邻梁的偏转被累积，从而使得镜150围绕X轴(＝垂直方向)旋转相对较大的角度。
通过这样的配置，利用低电压实现围绕X轴的垂直方向光学扫描。另一方面，通过使用连接到反射镜150的扭杆弹簧的共振来实现围绕Y轴的水平方向光学扫描。
通过控制上述光偏转器15，在屏幕30的图像绘制区(参见图6)中在二维位置处(例如，光栅扫描)扫描激光束，并且通过根据激光束的扫描位置来执行LD的发射控制，可以实现基于逐个像素的图像呈现和虚像的显示。在图6中，“Ps”表示扫描线间距。
尽管仅从HUD设备100瞬时地投影与激光束的直径相等的点图像，但激光束以非常高的速度被扫描，并且残像在一帧图像内完全保留在人眼中。通过利用余像现象，可以使驾驶员感知投影在显示区域上的图像。实际上，屏幕30上形成的图像被凹面镜40和前挡风玻璃50反射，并且反射图像被驾驶员感知为显示区域中的虚像。因此，当图像未被显示时，由LD进行的激光束发射被停止。可以将显示区域中除了显示虚像的部分以外的部分的亮度设置为零。
即，由HUD设备100所形成之虚像的成像位置可以设置在能够形成虚像的预定显示区域中的任意位置。该预定显示区域可以通过HUD设备100设计阶段的规格来设定。
通过利用激光扫描方法，可以采取关闭LD或者减少除了显示虚像的部分以外的部分的光量的措施。
另一方面，当将面板方法用于中间图像时，需要诸如液晶面板或DMD面板之类的照亮整个面板的成像设备，并且难以在未显示图像时，将显示区域中除了显示虚像的部分以外的部分的亮度设置为零。
人的右眼和左眼存在于不同位置处。视差是沿着观看者两只眼睛的两条视线观看的对象的视位(apparent position)上的位移，并且是通过观看者的各个眼睛的视线之间的倾斜角来测量的。由于透视，从不同位置观看时，近处对象具有比远距离对象更大的视差，因此可以使用视差来确定距离。人类大脑通过识别观看者眼中反射的对象投影之间的差异来感知深度。
HUD设备例如是将信息作为虚像显示在车辆驾驶员前方的车载显示设备。这样的虚像被重叠并显示在驾驶员观看的前景中。通过调节虚像中显示信息的几何配置以与实际空间相匹配，可以使驾驶员感知到显示信息表观地存在于真实空间中的任意位置处。
然而，HUD设备的显示图像(虚像)被投影在设计阶段确定的二维位置处。即使调整形状和色调，从而使得显示图像被看作存在于实际空间中的任意位置(例如，在驾驶员的视点所指向的路面处)，视差或者根据虚像被显示的位置的投影差异将出现在驾驶员双眼的视网膜中。
如图7所示，θHUD表示观看HUD设备100的虚像时，驾驶员(图像观看者)的双眼视线之间的倾斜角(会聚角)(其在该情况下表示视差)，并且θscene表示当驾驶员观察前景中的远点时，驾驶员的各个眼睛的视线之间的倾斜角(会聚角)(其在该情况下表示视差)。在下文中，|θHUD-θscene|被称为视差角。注意，当观看对象时，图像观看者双眼视线之间的倾斜角通常称为会聚角。
众所周知，如果视差角超过1度，观看者可能会感知到双像、疲劳感和不悦。为了消除该问题，根据第一实施例的HUD设备100被设计为使得视差角小于或等于1度。确认的是，当从视点位置到虚像I的成像位置的距离L等于4m时，视点位置与对象之间的距离大于或等于2m且小于或等于1000米，并且视差角小于或等于1度。进一步确认的是，当从视点位置到虚像I的成像位置的距离L大于或等于6m时，即使对象位于无限远处，视差角也小于1度。距离L越短，设备中的光路距离越短，并且有可能实现HUD设备的小型化。
考虑到根据第一实施例的HUD设备100被用作安装在车辆上的信息显示设备的事实，如果距离L被设定在4m至6m的范围内，则HUD设备100至少适用于距离车辆前方1000m处的对象，这对于实际应用来说是足够了，并且也有利于HUD设备的小型化。
如果HUD设备100适用于距视点位置2m或更大距离的对象，则其对于实际应用来说显得足够了。也就是说，利用虚像对离视点位置m小于2m附近的对象进行标记的必要性非常低。从功能的观点来看，如果HUD设备100适用于距视点位置y m(＝2m至5m)或更大距离处的对象，则其显得令人满意。
在HUD设备100安装在飞机上的情况下，如果距离L被设定在4m至6m(优选地，5m至6m)的范围内，则HUD设备100适用于远距离存在的对象并且可以实现HUD设备的小型化。
即使当HUD设备100安装在任何类型的运动对象上时，距离L可以被设定为6m或更大。但是，从防止HUD设备大型化的观点出发，优选将距离L设定为10m或以下。
配置HUD设备100，使得通过光学扫描单元10和凹面镜40的虚像成像位置(至少深度位置)被设置成使视差角小于或等于1度。例如，可以通过扫描镜20、凹面镜40以及透射反射构件(例如前挡风玻璃50)中每个的曲率(放大率(power))来设置虚像的成像位置。
图8是用于说明背景距离、从视点位置到虚像I的成像位置的距离L和从距离L计算出的视差角之间的关系的图。从图8中可以看出，为了在不生成双像或视差的情况下识别虚像，除了前景中的任意注视点以外，还需要通过HUD设备100使虚像的显示距离(从视点位置到虚像成像位置的距离)为4m或更大。
在根据第一实施例的HUD设备100中，当虚像在比目标对象更近的位置处生成时，目标对象与重叠并显示在目标对象附近的虚像之间的视差角小于或等于1度，并且有可能在观看存在于前景中的目标对象的同时，通过虚像清晰地识别信息。然而，确认的是，当除了虚像以外的显示区域的部分变暗并且信息不显示的区域稍微高亮时，将抑制在目标对象附近使虚像可见的效果。通过在根据第一实施例的HUD设备100中利用激光扫描方法，有可能在不抑制本公开的有益效果的情况下保持扩展现实的感觉。
接着，将描述第一实施例的一些示例。
<示例1>
如图9所示，在实施例1中，为了利用虚像对车辆前方100m处的前方车辆进行标记，利用HUD设备100在驾驶员(图像观看者)的视野中显示一个二维虚像，作为在车辆前方100m距离处出现的标记。
在视野中，包括了前方100米距离处的前方车辆和该前方车辆后方的路面。前方100米距离处的前方车辆被观看为存在于远离驾驶员的位置处，并且前方车辆后方的路面被观看为存在于驾驶员附近。在该示例中，虚像是U形标记，并且该虚像重叠并显示在前方车辆后方的路面上。
优选地，该标记的形状、尺寸、亮度、颜色和位置的参数与前方100m处前方车辆的形状、尺寸、亮度、颜色和位置的参数相匹配。优选地，根据前方车辆与车辆之间的车辆距离来改变参数。通过使参数一致，看起来标记好像存在于车辆前方100米处的前方车辆的位置附近。
然而，当从图像观看者观看时，虚像(标记)存在(显示)的位置处于xm距离处。如果此时前方车辆与虚像之间的视差角超过1度，则虚像可能会被观看为双像。如果在视野中显示这样的虚像，则图像观看者难以识别该虚像。图像观看者可能会感知到疲劳感和不悦。
如果将虚像(标记)的投影距离(或者从图像观看者的视点位置到虚像成像位置的距离L)设置为6m，则θHUD等于0.62deg。虚像背景侧的目标对象存在于前方车辆后方的路面上。如果目标对象到路面的距离被设置为99米，则θscene等于0.037度。在这种情况下，视差角|θHUD-θscene|小于1度，并且不会出现双像或视差。注意，这种情况下的视差角计算是基于图像观看者双眼之间的距离等于65mm(该值表示日本人的平均值)这一假设来执行的。
如上所述，通过利用示例1(被配置为使得视差角被设定为小于或等于1度)的HUD设备100，有可能抑制双像、不悦和疲劳感的出现，并且视野中显示的虚像和视野中包括的前方车辆被识别为存在于相同位置。
<示例2>
如图10所示，在示例2中，HUD设备100被用来显示通过几何变换获得的虚像，从而使得从图像观看者观看时，虚像具有距视野中包括之路面的深度位置。此外，还显示没有进行几何变换的虚像(例如，包括车速之类的导航信息)。图像数据生成单元804通过对原始图像数据执行几何变换来生成图像数据，并且图像绘制单元806基于通过几何变换获得的图像数据呈现虚像。
在示例2中，其上重叠虚像的路面一部分被包括在视野中。具体而言，通过几何变换而获得并显示的虚像是提示驾驶员执行由导航信息指示的车道改变的箭头图案，该箭头图案的上端被观看为远离驾驶员视点的部分，并且该箭头图案的下端被观看为驾驶员视点附近的部分。
视野中包括的对象被观看为具有距视点位置的深度位置(远处或近处)。然而，由HUD设备100生产的虚像是在从视点位置观察时不具有深度位置的二维图像。
当驾驶员的双眼聚焦在前景(远处)并且前景与虚像之间的视差角超过1度时，难以在观看前景的同时将所显示的虚像识别为导航信息。驾驶员可能会将虚像感知为双像。为了当虚像显示在视野中时识别虚像的信息，图像观看者需要将视点移动到虚像。
在这种情况下，HUD设备100被配置为使得视差角小于或等于1度，并且有可能在观看前景的同时正确识别导航信息。
在上述示例中，已经描述了其中利用虚像标记前方车辆的情况，以及其中虚像被重叠在路面上的情况。此外，可以假定利用虚像对驾驶员前方前景中的任意对象(包括行人、路面上的白线和建筑物)进行标记，并且虚像被重叠在这些对象上。
接着，将描述用于通过HUD设备100显示图像的信息显示方法。在通过HUD设备100的图像显示中，基于驾驶员的视点位置、虚像位置、视点与虚像之间的距离、虚像的尺寸，以及其中执行虚像重叠的范围来确定要显示的图像。
当虚像被重叠在路面上时，优选地对目标位置和目标距离进行确定，并且执行通过几何变换获得的虚像的显示，从而使得所显示的虚像在从驾驶员视点处观看时，被观看为存在于目标距离处的目标位置(参见图11)。
当通过假定路面是平坦表面来显示虚像时，可以仅通过执行几何变换来执行图像显示。然而，当显示诸如弯曲或斜坡之类的路面形状时，或者当显示重叠在白线上的虚像时，需要获得用于在路面上重叠虚像的目标位置的坐标(位置信息)。此外，当虚像重叠在诸如前方车辆或行人之类的对象上时，需要获得对象的位置信息。
<示例3>
图12图示了适用于需要对象位置信息的情况的示例3的信息提供***300的硬件和功能性配置。
如图12所示，安装在运动对象(例如，车辆)上的信息提供***300包括HUD设备100、感测单元310(三维位置信息获取单元)和坐标变换单元801。感测单元310被配置为获得视野中包括的对象的三维位置信息。坐标变换单元801被配置为将由感测单元310获得的、并基于感测单元310的坐标系的对象三维位置信息变换成基于HUD设备100的坐标系(参见图6)的坐标。在该示例中，坐标变换单元801提供在车辆的电子控制单元(ECU)350中。然而，坐标变换单元801可以与ECU 350分开提供。
感测单元310包括激光雷达310a和对象识别单元310b(三维位置信息计算单元)。激光雷达可被称为LIDAR(激光成像检测和测距)。
接着，将参照图12至14C来描述感测单元310。图13图示了感测单元310的配置，并且图14A至图14C图示了激光雷达310a的配置。
如图13所示，激光雷达310a是安装在车辆上的扫描型激光雷达。激光雷达310a被配置为发射激光束并接收来自对象(前方车辆、停止车辆、结构、行人等)的反射激光束(散射光)，从而使得到对象的距离被测量。作为示例，来自车辆电池(蓄电池)的电力被供应到激光雷达310a。
如图13所示，激光雷达310a包括作为光源的激光二极管(LD)、LD驱动器12、投影光学***21、光接收光学***31、检测***41、同步***51和测量控制单元46。
作为示例，LD由边缘发射激光器形成。该LD由LD驱动器12驱动以发射激光束。LD驱动器12基于从测量控制单元46输出的LD驱动信号(矩形脉冲信号)接通LD以发射激光束(发射)。作为示例，LD驱动器12包括连接到LD以向LD供应电流的电容器、用于接通和断开电容器和LD之间的电导的晶体管以及用于给电容器充电的充电单元。测量控制单元46被配置为响应于从车辆的ECU接收到测量控制信号(测量开始信号或测量危险信号)而开始和停止测量。
图14A示意性地图示了投影光学***21和同步***51的配置。图14B示意性地图示了光接收光学***31的配置。在下文中，其中将图14A所指示的Z轴方向假定为垂直方向的XYZ三维直角坐标系被用于描述激光雷达310a。
如图14A所示，投影光学***21包括设置在来自LD的激光束的光路上的耦合透镜22、设置在穿过耦合透镜22的激光束的光路上的反射镜24、以及设置在由反射镜24反射的激光束的光路上作为偏转器的旋转镜26。在该示例中，为了设备的小型化，反射镜24设置在耦合透镜22和旋转镜26之间的光路上，并且该光路从反射镜24折回到旋转镜26。
从LD发射的激光束被耦合透镜22成形为具有预定光束轮廓的激光束，并且所成形的激光束被反射镜24反射并且被旋转镜26围绕Z轴进行偏转。
由旋转镜26围绕Z轴偏转以覆盖预定偏转区域的激光束导致从投影光学***21投影的激光束，其为从激光雷达310a发射的激光束。
旋转镜26包括围绕旋转轴(Z轴)的两个或更多的反射面。旋转镜26反射(偏转)来自反射镜24的激光，同时使激光束围绕旋转轴进行旋转，以在单轴水平方向(Y轴方向)上执行激光束的一维扫描，从而覆盖与偏转区域相对应的有效扫描区域。偏转区域和有效扫描区域位于激光雷达310a的+X侧。在下文中，将旋转镜26的旋转方向称为镜旋转方向。
如图14A至14C所示，旋转镜26包括两个相对的反射面。可选地，旋转镜26可以包括单个反射面或可以包括三个反射面。此外，旋转镜26可以包括至少两个反射面，并且可以被布置为使得反射面以与旋转镜旋转轴不同的角度放置，并且扫描和检测区域被改变为Z轴方向。
光学扫描***200(参见图13)可以被配置为包括LD、LD驱动器12和投影光学***21，并且执行激光束在有效扫描区域中的扫描。
如图14B所示，光接收光学***31包括：旋转镜26，其反射由投影光学***21投影并被在有效扫描区域中的对象反射(散射)的激光束；反射镜24，其反射来自旋转镜26的激光束；以及成像光学***，其设置在来自反射镜24的激光束光路上，以将激光束聚焦在时间测量光电二极管(PD)42(其将被稍后描述)上。
在图14C中图示了从LD到反射镜24的光路以及从反射镜24到时间测量PD 42的光路。
从图14C可知，投影光学***21和光接收光学***31被设置并重叠在Z轴方向上，并且旋转镜26和反射镜24由投影光学***21和光接收光学***31共享。通过LD的对象的发光范围与时间测量PD42的有效光接收范围之间的相对位置差能得到减小，并且可以稳定地执行对象的检测。
如图14B和图13所示，检测***41包括：时间测量PD 42，其通过光接收光学***31接收从投影光学***21投影、并由在有效扫描区域中的对象反射(散射)的激光束；PD输出检测器44，其基于时间测量PD42的输出电流(电流信号)检测作为电压信号的光接收信号；以及时间测量单元45，其测量LD驱动信号的上升时刻与PD输出检测器44的光接收信号的检测时刻之间的时间差。
从投影光学***21投影并被对象反射(散射)的激光束透过旋转镜26和反射镜24被引导到成像光学***，并且通过成像光学***聚焦在时间测量PD 42上(参见图14B)。在图14B中，为了使装置小型化，将反射镜24设置在旋转镜26和成像光学***之间，并且使光路从反射镜24折回到旋转镜26。在该示例中，成像光学***包括两个透镜(成像形成透镜)。可选地，成像光学***可以包括单个透镜或可以包括三个或更多的透镜。可以使用镜光学***来代替。
如图14A和图13所示，同步***51包括：同步透镜52，其设置在透过耦合透镜22的从LD发射并通过反射镜24反射、并且由旋转镜26偏转并由反射镜24再次反射的激光束光路上；同步检测PD 54，其设置在通过同步透镜52的激光束光路上；以及PD输出检测器56，其检测同步检测PD 54的输出。
具体而言，反射镜24在旋转镜26的旋转方向上设置在偏转区域的上游侧，并且通过旋转镜26偏转到偏转区域上游侧的激光束入射到反射镜24。被旋转镜26偏转并被反射镜24反射的激光束通过同步透镜52入射到同步检测PD 54。
注意，反射镜24也可以在旋转镜26的旋转方向上设置在偏转区域的下游侧。同步***51也可以设置在被旋转镜26偏转并被反射镜24反射的激光的光路上。
每当在旋转镜26的旋转期间由旋转镜26的反射面反射的激光束被同步检测PD54接收时，同步检测PD54就输出一个信号。即，同步检测PD54周期性地输出一个信号(同步信号)。
以这种方式，同步发射被执行以利用来自旋转镜26的激光束照射同步检测PD 54，并且可基于同步检测PD54的激光束接收时刻来获得旋转镜26的旋转时刻。
当在执行LD的同步发射之后经过了预定时间时，可以通过执行LD的脉冲发光来执行激光束在有效扫描区域中的光学扫描。即，通过在用激光束照射同步检测PD 54的时刻起开始的预定时间结束时执行LD的脉冲发光，可以执行激光束在有效扫描区域中的光学扫描。
用于时间测量和同步检测的光电检测器的示例包括上述的PD、APD(雪崩光电二极管)、作为盖革(Geiger)模式APD的SPAD(单光子雪崩二极管)。APD和SPAD的灵敏度高于PD，并且有利于提高检测精度和检测距离。
PD输出检测器的操作可以包括两个操作：光接收信号(电压信号)的放大和光接收信号的时刻检测。在光接收信号的放大操作中，通过使用信号放大器将PD的输出电流变换成电压信号，并随后放大该电压信号。在光接收信号的时刻检测操作中，通过使用比较器检测超过预定输出电平(阈值电平)的光接收信号的上升波形部分。即，PD输出检测器被配置为通过使用比较器从光接收信号输出二进制逻辑信号。
PD输出检测器56被配置为当检测到同步检测PD 54的光接收信号(上升波形部分)时，向测量控制单元46输出同步信号(二进制逻辑信号)。
测量控制单元46被配置为基于从PD输出检测器56接收到的同步信号来生成LD驱动信号，并且将LD驱动信号输出到LD驱动器12和时间测量单元45。即，LD驱动信号是从同步信号延迟的脉冲发光信号(周期性脉冲信号)。
PD输出检测器44被配置为当检测到时间测量PD42的光接收信号(上升波形部分)时，将检测信号(矩形脉冲信号)输出到时间测量单元45。
时间测量单元45被配置为确定来自测量控制单元46的LD驱动信号的上升时刻与来自PD输出检测器44的检测信号的上升时刻之间的时间差，并将该时间差输出到测量控制单元46作为时间测量结果。
测量控制单元46被配置为通过将来自时间测量单元45的时间测量结果变换为距离来计算到对象的往返距离，并且将指示往返距离一半的距离数据输出到对象识别单元310b。
此外，测量控制单元46被配置为在LD驱动信号的上升时刻和光接收信号的检测时刻之间的预定时刻获得光学扫描***200的激光束的扫描位置，并且将该扫描位置输出到对象识别单元310b作为对象方向数据。
对象识别单元310b被配置为基于从测量控制单元46针对一条扫描线或针对两条或更多条扫描线获得的两份或更多份距离数据和方向数据来识别对象存在的位置，确定对象的三维位置信息，并且将三维位置信息输出到测量控制单元46作为对象识别结果。测量控制单元46被配置为将三维位置信息发送到ECU 350。
ECU 350被配置为基于接收到的三维位置信息来执行车辆的转向控制(例如，自动转向)和速度控制(例如，自动制动)。
ECU 350的坐标变换单元801被配置为将基于激光雷达310a坐标系并且由对象识别单元310b计算出的三维位置信息变换为基于HUD设备100的坐标系的坐标，并通过CAN将变换后的坐标输出到HUD设备100。
HUD设备100被配置为基于要利用虚像对其进行标记的对象的三维位置信息(由感测单元310获得的)来生成虚像，呈现虚像并显示虚像。标记的图像数据被生成为使得作为虚像的标记实时跟随对象的位置，并且在必要时执行几何变换，从而使得标记的尺寸在从视点位置观看时被改变为与对象的外观尺寸的三维一致，并且基于图像数据来呈现虚像。
接下来，将参照图15描述由示例3的信息提供***300执行的信息显示方法。
如图15所示，在步骤S1中，对象识别单元310b从激光雷达310a获得与对象有关的距离和方向。
随后，在步骤S2中，对象识别单元310b基于与对象有关的距离和方向来计算对象的三维位置信息。
随后，在步骤S3中，ECU 350将对象的三维位置信息变换为基于HUD设备100的坐标系的坐标。
随后，在步骤S4中，图像数据生成单元804基于在坐标变换之后获得的三维位置信息来生成图像数据。
随后，在步骤S5中，图像绘制单元806根据图像数据呈现图像。
<示例4>
图16图示了安装在运动对象(例如，车辆)上的示例4的信息提供***400的硬件和功能性配置。图17图示了信息提供***400的感测单元410的硬件配置。
如图17所示，示例4的感测单元410包括：立体相机410a，其是被配置为捕获车辆前方区域作为成像区的成像单元；对象识别单元410b，其被配置为执行图像处理，从而基于由立体相机410a捕获的图像数据来识别存在于成像区中的预定识别对象。
立体相机410a包括彼此平行排列的两个相机单元：用作左眼的第一相机单元110A和用作右眼的第二相机单元110B。这些相机单元110A和110B中的每一个都包括透镜115、图像传感器116以及传感器控制器117。作为示例，图像传感器116可以采用由电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)制成的图像传感器。传感器控制器117被配置为执行图像传感器116的曝光控制和图像读出控制、图像传感器116与外部电路的通信以及图像数据的发送控制。立体相机410a设置在车辆前挡风玻璃50的后视镜附近。
对象识别单元410b包括数据总线121、串行总线122、CPU123、FPGA124、ROM125、RAM126、串行接口127和数据接口128。
立体相机410a通过数据总线121和串行总线122连接到对象识别单元410b。CPU123被配置为控制立体相机410a的传感器控制器117的总体操作，并且控制对象识别单元410b的总体操作，包括图像处理。
由相机单元110A和110B的图像传感器116捕获的图像的亮度图像数据通过数据总线121被写入到对象识别单元410b的RAM 126中。来自CPU 123或FPGA 124的传感器曝光值的修正控制数据、图像读出参数的修正控制数据和各种设置数据通过串行总线122被发送和接收。
FPGA 124被配置为执行需要对存储在RAM 126中的图像数据进行实时操纵的处理，诸如伽马(gamma)校正、失真校正(右图像和左图像的并行处理)以及通过块匹配的视差操作，生成视差图像，并将视差图像数据写入RAM 18中。用于识别预定识别对象(包括诸如车辆或行人之类的固体对象、诸如路面上的白线之类的车道线，以及路面侧部上存在的路缘石或中间带)的识别程序被存储在ROM 125中。识别程序是图像处理程序的示例。
CPU123被配置为通过数据接口128从未经示出的传感器设备经由车辆的CAN获得包括车辆速度、加速度、转向角、偏航率等的CAN信息。基于存储在ROM 125中的识别程序，CPU 123使用存储在RAM 126中的亮度图像和视差图像来执行图像处理，并且识别诸如前方车辆和车道线之类的识别对象。在该示例中，CPU 123从上述视差图像获得对象的三维位置信息作为识别结果数据。
识别结果数据通过串行接口127被提供给ECU 350和HUD设备100。
ECU350被配置为通过使用识别结果数据来执行车辆的制动控制、速度控制和转向控制。例如，可以执行自动使车辆跟踪前方车辆以将两个车辆之间的距离保持在预定距离的巡航控制，并且可以执行用于防止与前方障碍物碰撞的自动制动控制。
HUD设备100被配置为基于要利用虚像(识别结果数据)对其进行标记的对象的三维位置信息来生成图像数据，并且基于该图像数据来呈现虚像并显示虚像。
接着，将参照图18描述由示例4的信息提供***400执行的信息显示方法。
如图18所示，在步骤S11中，利用立体相机410a捕获前景(对象)。
随后，在步骤S12中，基于立体相机410a的成像结果(右捕获图像和左捕获图像)生成视差图像。
随后，在步骤S13中，对象识别单元410b基于视差图像来计算对象的三维位置信息。
随后，在步骤S14中，ECU 350将对象的三维位置信息变换为基于HUD设备100的坐标系的坐标。
随后，在步骤S15中，图像数据生成单元804基于坐标变换之后的三维位置信息生成图像数据。
随后，在步骤S16中，图像绘制单元806根据图像数据呈现图像。
<示例5>
在安装在运动对象(例如，车辆)上的示例5的信息提供***500中，感测单元510如图19所示，包括激光雷达510a、单眼相机510b和对象识别单元510c。注意，示例5的感测单元510可以具有与示例3或示例4的上述配置相同的配置。
激光雷达510a是与示例3的激光雷达310a类似的扫描型激光雷达。激光雷达510a被配置为将与对象有关的距离数据发送到对象识别单元510c。
单眼相机510b被设置为捕获前景，并且被配置为将所捕获的图像发送到对象识别单元510c。
对象识别单元510c被配置为基于来自单眼相机510b的捕获图像和来自激光雷达510a的距离数据来确定对象(例如，前方车辆)的存在。当对象的存在被确定时，对象识别单元510c从激光雷达510a获得与对象有关的距离数据。
注意，激光雷达被配置为以高精度检测近距离处的近处对象，并且不受白天和夜晚的影响。另一方面，单眼相机被配置为检测远距离处的远处对象。通过使用单眼相机，不仅可以识别另一车辆，还可以识别白线或对面车辆的灯。
因此，感测单元510能够通过使用激光雷达510a和单眼相机510b两者来始终高精度地执行对象识别。
注意，可以基于目标区域与其捕获图像的周围区域之间纹理量的差异来确定来自单眼相机510b的捕获图像中对象的存在。此外，可以从捕获图像获得基于单眼相机坐标系的与对象有关的方向数据。
接着，将参照图20描述由示例5的信息提供***500执行的信息显示方法。
如图20所示，在步骤S21中，利用单眼相机510b捕获前景。捕获图像被发送到对象识别单元510c。
随后，在步骤S22中，执行对象识别。具体而言，对象识别单元510c确定对象的存在，并且当存在对象时(当确定结果为肯定时)，对象识别单元510c从激光雷达510a获得与对象有关的距离数据。
随后，在步骤S23中，确定是否存在两个或更多的对象。这里，两个或更多个的对象可以包括路面上的白线、停止或行驶的前方车辆，路侧路缘石、护栏、墙壁等。当确定结果为否定时，控制进行到步骤S24。当确定结果为肯定时，控制进行到步骤S27。
在步骤S24中，对象识别单元510c基于来自激光雷达510a的距离数据和从单眼相机510b的捕获图像获得的方向数据来计算对象的三维位置信息。为了以高精度获得三维位置信息，优选地，激光雷达510a和单眼相机510b尽可能靠近地设置在彼此附近。此外，优选的是将基于单眼相机510b的坐标系的对象方向数据变换为基于激光雷达510a的坐标系的方向数据。注意，方向数据不仅可以从单眼相机510b获得，还可以从激光雷达510a获得。在这种情况下，可以通过使用来自单眼相机510b的方向数据和来自激光雷达510a的方向数据(两个方向数据都应该是基于相同的坐标系)的平均值来获得具有更高精度的对象方向数据。
随后，在步骤S25中，ECU 350执行对象三维位置信息的坐标变换。具体而言，基于激光雷达510a的坐标系的对象坐标被变换为基于HUD设备100的坐标系的坐标。
随后，在步骤S26中，图像数据生成单元804基于坐标变换之后的三维位置信息生成图像数据。在执行步骤S26之后，控制进行到步骤S31。
在步骤S27中，对象识别单元510c基于来自激光雷达510a的距离数据和从来自单眼相机510b的捕获图像获得的方向数据来计算每个对象的三维位置信息。
随后，在步骤S28中，ECU 350执行每个对象三维位置信息的坐标变换。具体而言，基于激光雷达510a的坐标系的每个对象的坐标被变换成基于HUD设备100的坐标系的坐标。
随后，在步骤S29中，ECU 350设定用于唤起观看者注意的每个对象的优先级。对于对象中距离数据指示距离较短的对象，设定高优先级。可以执行优先级设置，从而使得对于运动对象设定高优先级，并对于静止对象设定低优先级。通过监测每个对象的三维位置信息，可以确定对象是静止对象还是运动对象。
随后，在步骤S30中，图像数据生成单元804基于坐标变换之后的三维位置信息生成图像数据，从而使得可以识别对象之间的优先级差异。作为示例，通过在对象之间改变虚像的颜色、亮度、形状、尺寸和位置中的任何一个以标记每个对象，优先级的差异可以被识别。例如，当为中心线设定最高优先级时，中心线由红色虚像标记。当为路缘石设置设定第二高优先级时，路缘石由黄色虚像标记。当为前方车辆设置第三高优先级时，前方车辆由绿色虚像标记(参见图21)。即，以特别的颜色标记具有高优先级观察的对象从而唤起观看者的注意。
随后，在步骤S31中，图像绘制单元806根据图像数据绘制呈现图像。
在上述示例3至5中的每一个中，可以将所获得的对象三维位置信息用于车辆控制和虚像标记两者。
优选地，上述感测单元被配置为当根据要标记的对象，由虚像对前方车辆或行人进行标记时，适当地选择单眼相机、立体相机和激光雷达中的任何一种。当虚像被重叠在路面上时，并且当虚像根据导航信息而在交叉路口上显示时，需要其坐标。为此，需要包括通过使用GPS获得的车辆位置、交叉路口等的地图信息。
当显示车道偏离警告的指示时，考虑这些信息被重叠在白线上。在这种情况下，需要通过使用上述感测单元来获得白线的位置。类似地，需要通过上述感测单元获得诸如弯曲或斜坡之类的道路状态信息。
所获得的信息项目如上所述通过车载网络由HUD设备100接收。CAN(控制器区域网络)是车载网络的一个示例。通常，除了上述位置信息以外，通过CAN还发送和接收诸如车速、转向角和制动控制之类的车辆状态信息，并且这些信息也可以用于重叠显示。在获得这些信息之后的HUD设备100中，图像数据生成单元804基于所获得的信息来执行要绘制的图像的几何变换，并且图像绘制单元806执行呈现处理。基于虚像的视场角和俯角以及距离来计算呈现处理。
在前文中，已经描述了由HUD设备100执行的信息显示方法的示例。
在上述示例3-5中，由感测单元执行获得要标记的对象的位置信息。可选地，HUD设备100可以被配置为接收由感测单元获得的图像信息和三维位置信息，从而使得HUD设备100执行检测处理。此外，还考虑准备并利用除了CAN以外的专用通信线路。
根据上述第一实施例的HUD设备100提供了一种信息显示装置，其将图像形成光束发射到前挡风玻璃50并使虚像通过前挡风玻璃可见，该信息显示装置被配置为使得通过前挡风玻璃50观看虚像时的会聚角和通过前挡风玻璃50观看真实对象时的会聚角之间的差小于或等于1度以显示虚像。
在这种情况下，有可能利用简单的配置来设置虚像的成像位置以使得上述差小于或等于1度，从而防止虚像可见性恶化(诸如将虚像变成双像)。也就是说，有可能防止虚像可视性恶化并防止设备配置的复杂性。
如上所述，HUD设备100被设计为使得当驾驶员观看的场景和显示图像(虚像)中的每一个被反映在驾驶员的右眼和左眼视网膜中时，场景和显示图像之间的视差角小于或等于1度。HUD设备100能够在不引起双像、疲劳感和不悦的情况下执行现实重叠显示。即，当通过HUD设备100执行现实重叠显示时，驾驶员能够在观看前景的同时识别显示图像(虚像)，而不引起双像、疲劳感和不悦。
另一方面，上面列出的PTL 1公开了一种车载显示***(重叠显示技术)，其将图像形成光束仅投影在图像观看者的一只眼睛上，以便取消由于双眼视差导致的HUD设备的双像。
然而，在PTL 1所公开的车载显示***中，另外需要用于将图像形成光束仅投影在图像观看者的一只眼睛上的机构，这需要复杂的结构。
即，在PTL 1的车载显示***中，需要用于防止虚像可视性恶化的改进和用于防止设备配置复杂性的改进。
在第一实施例的HUD设备100中，当从视点位置到虚像的成像位置的距离大于4m时，可以确定地防止虚像可见性恶化。在这种情况下，即使在前方1000米的位置处的对象被标记时，视差角也小于或等于1度，并且防止驾驶员感知到疲劳感和不悦以到足以满足实际应用的程度。
当从视点位置到虚像的成像位置的距离小于10m时，可以防止HUD设备的大型化。为了增大从视点位置到成像位置的距离，需要增加HUD设备中的光路距离，并且HUD设备的大型化是不可避免的。
当在显示区域中显示与运动对象使用者观看的运动对象周围存在的真实对象三维一致的虚像时，可以提高虚像的可见性。
当从运动对象使用者观看时、与运动对象周围存在的真实对象三维一致的虚像(通过几何变换以具有深度位置而获得的虚像)和不与真实对象三维一致的虚像(不经几何变换而获得的虚像)一起在显示区域中显示时，通过坐标变换而获得并显示根据真实对象需要具有深度位置的虚像(诸如用于标记真实对象的虚像)，并且可以在不进行几何变换的情况下显示虚像(运动对象的速度或运动对象的测量数据)，诸如指示数字、字符等的简单指示的虚像。结果，不管虚像类型如何，都有可能充分提高虚像的可视性。由HUD设备100显示的虚像不仅可以包括二维虚像，还可以包括一维和三维虚像。虚像的深度位置可以通过透视绘制来表示。
由HUD设备100显示的虚像类型可以限于通过几何变换获得的虚像，诸如用于标记对象的虚像，或者可以限于不需要几何变换的虚像，诸如指示数字和字符的简单指示。
HUD设备100包括车辆信息输入单元800和外部信息输入单元802(它们是接收单元)以接收对象信息(对象的三维位置信息)作为所获得的与对象有关的信息。当根据接收到的信息对虚像的参数(虚像的尺寸、形状、颜色、亮度和成像位置中的至少一个)进行调整时，从图像观看者观看时、与运动对象(车辆)周围存在的对象的三维一致的虚像能够被显示(利用恰当的深度位置)，并且有可能提高虚像的可见性。优选地，调整上述参数从而使得根据对象的位置、形状和尺寸而生成深度感知。
具体而言，HUD设备100使得接收单元从三维位置信息获取单元(对象识别单元310b和对象识别单元410b)接收三维位置信息，以获得对象在图像观看者视野中的三维位置信息。当基于三维位置信息对在显示区域中显示的虚像的尺寸、形状、颜色、亮度和位置中的至少一个进行调整时，有可能提高虚像的可见性。通过图像数据生成单元804可以调整虚像的尺寸、形状、颜色、亮度和位置，该图像数据生成单元804被配置为在生成图像数据时对图像数据中与虚像相对应的部分的尺寸、形状、颜色、亮度和位置进行调整。
三维位置信息获取单元包括被配置来测量与对象有关的距离和方向的测量单元(例如，激光雷达)，以及被配置来捕获对象的成像单元(例如，立体相机或单眼相机)。
例如，可以如下对显示区域中虚像的尺寸、形状、颜色、亮度和位置进行调整。当通过图像数据生成单元804生成要呈现之图像的图像数据时，对图像绘制区中图像部分(与虚像相对应的部分)的尺寸、形状、颜色、亮度和位置数据进行调整，并且利用调整后的参数生成图像数据，所生成的图像数据被发送到图像绘制单元806，从而使得图像绘制单元806根据接收到的图像数据来呈现图像。
调整虚像的上述参数不一定是必需的。当参数未被调整时，不需要获得或接收与对象有关的信息。例如，当不显示用于标记对象的虚像并且不需要调整虚像的上述参数时，不需要获得或接收与对象有关的信息。
当与对象有关的信息包括对象的尺寸、形状、颜色、亮度和位置中的至少一个时，可以将虚像调整为与对象一致。
当通过虚像标记对象时，可能会提高唤起对于对象的注意。通过虚像标记对象的方法是对沿着对象至少一部分放置的虚像进行显示。
当虚像(标记)被显示为跟随对象时，有可能使得驾驶员实时识别对象的位置。
当基于所获得的与对象有关的信息来确定是否向对象显示虚像(是否通过虚像标记对象)时，可以仅在根据对象的位置、尺寸和类型(指示对象是静止对象或运动对象)需要显示虚像时显示虚像。不需要向对象显示虚像(或者不需要标记对象)的情况可以包括视差角超过1度的情况、对象远离视点位置的情况、对象位于距视点位置的近距离平射范围内的情况以及对象位于驾驶员视野范围附近的情况。
HUD设备100可以被配置为使得接收单元接收与运动对象有关的交通信息(例如，交通拥塞信息和交通规则)以及天气信息，并且HUD设备100基于上述对象信息在显示区域中显示虚像，从而使得与从运动对象使用者观看的运动对象周围的对象的三维一致的方式显示所接收的信息。
HUD设备100可以被配置为使得接收单元接收运动对象的位置信息，并且HUD设备100基于位置信息在显示区域中显示虚像，从而使得虚像与从运动对象使用者观看的对象的三维一致。可以从GPS携带设备(例如，汽车导航***)接收运动对象的位置信息。基于运动对象的位置信息，可以在显示区域中显示与路面三维一致的导航信息。基于运动对象(其他车辆和行人)的位置信息和对象信息，可以在显示区域中显示与运动对象三维一致的、作为标记的虚像。
HUD设备100可以被配置为包括：图像绘制单元806(图像形成单元)，被配置为通过光束形成图像；和凹面镜40(光学***)，被配置为将图像形成光束引导到前挡风玻璃50(透射反射构件)。在这种情况下，通过使用通用平视显示设备可以防止虚像可见性恶化，并且可以防止设备配置的复杂性。
图像绘制单元806可以被配置为包括光学扫描***200，其具有LD(光源)和光偏转器15以偏转来自LD的光束，以及包括LD驱动器6111以通过光学扫描***200根据光束的扫描位置来操作LD。在这种情况下，在显示虚像的显示区域中的LD发射被控制。通过在显示区域中提高虚像和周围部分之间的对比度，有可能提高虚像的可见性。通过降低显示区域的周围部分和背景之间的对比度，有可能防止显示区域的轮廓线(明信片)的显示。
在包括运动对象的运动对象设备中和安装在运动对象上的HUD设备100中，有可能为运动对象的驾驶员(图像观看者)提供安全和舒适的操作环境。
根据第一实施例的信息显示方法是用于将信息显示为视野中的虚像的信息显示方法，其被配置为显示虚像，从而使得观看视野中的对象时各个眼睛视线间的倾斜角(会聚角)和观看虚像时各个眼睛视线间的倾斜角(会聚角)之间的差小于或等于1度。
在这种情况下，有可能利用简单的信息显示方法来防止虚像可见性恶化(诸如将虚像变成双像)，该信息显示方法被配置为使得上述差小于或等于1度。即，可以防止虚像可视性恶化，并且可以防止设备配置的复杂性。
根据第一实施例的信息显示方法可以进一步包括获得与对象有关的信息的步骤，以及基于所获得的信息调整虚象的尺寸、形状、颜色、亮度和成像位置中的至少一个的步骤。在这种情况下，有可能进一步提高虚像的可视性。
<第二实施例>
接着，将参照图22描述根据第二实施例的信息显示方法。
该信息显示方法由第一实施例示例4的上述信息提供***400执行。然而，与上述示例4不同的是，在根据第二实施例的HUD设备中，虚像的成像位置被设定为使得在观看距视点500米和1000米之间距离的对象时，视差角超过1度。具体而言，将从视点位置到虚像的成像位置的距离L设定在为在1m～4m的范围内(例如，3.5m，参见图8)。包括CPU的主控制器被配置为基于存储在信息提供***400中的程序来控制信息提供***400的总体操作。该程序在由CPU(计算机)执行时使得CPU执行根据第二实施例的信息显示方法。主控制器可以由ECU350的一部分来实现，或者也可以与ECU350分开提供。
如图22所示，在步骤S41中，利用立体相机410a捕获前景。
随后，在步骤S42中，基于来自立体相机410a的成像结果(右捕获图像和左捕获图像)生成视差图像。
随后，在步骤S43中，对象识别单元410b计算视差角。具体而言，对象识别单元410b基于对象的三维位置信息，计算通过前挡风玻璃观看对象时图像观看者各个眼睛的视线之间的倾斜角(会聚角)与通过前挡风玻璃观看虚像时图像观看者各个眼睛的视线之间的倾斜角(会聚角)之间的差。
随后，在步骤S44中，确定视差角是否小于1度。上述主控制器确定视差角是否小于1度。当从视点位置到对象的距离小于500m时，确定结果为肯定。当从视点位置到对象的距离等于或大于500m时，确定结果为否定。当确定结果为肯定时，控制进行到步骤S45。当确定结果为否定时，信息显示方法终止。
随后，在步骤S45中，对象识别单元410b基于视差图像来计算对象的三维位置信息。
随后，在步骤S46中，ECU 350将对象的三维位置信息变换为基于HUD设备100的坐标系的坐标。
随后，在步骤S47中，图像数据生成单元804基于坐标变换之后的三维位置信息生成要呈现的图像的图像数据。
随后，在步骤S48中，图像绘制单元806根据图像数据呈现图像。在执行步骤S48之后，信息显示方法终止。
在上述第二实施例中，可以利用示例3的信息提供***300或示例5的信息提供***500。在图23中图示了通过对示例3的信息提供***300进行修改而执行的信息显示方法。将参照图23描述该信息显示方法。
与上述实施例3不同，根据修改例的HUD设备中虚像的成像位置被设定为使得在观看距视点500米和1000米之间距离的对象时，视差角超过1度。具体而言，将从视点位置到虚像的成像位置的距离L设定在为在1m～4m的范围内(例如，3.5m，参见图8)。包括CPU的主控制器被配置为基于存储在信息提供***300中的程序来控制信息提供***300的总体操作。该程序在由CPU(计算机)执行时使得CPU执行如图23所示的信息显示方法。主控制器可以由ECU350的一部分来实现，或者也可以与ECU350分开提供。
如图23所示，在步骤S51中，利用激光雷达310a获得与对象有关的距离和方向。
随后，在步骤S52中，对象识别单元310b基于与对象有关的距离和方向来计算对象的三维位置信息。
随后，在步骤S53中，对象识别单元410b计算视差角。具体而言，对象识别单元410b基于对象的三维位置信息，计算通过前挡风玻璃观看对象时图像观看者各个眼睛的视线之间的倾斜角(会聚角)与通过前挡风玻璃观看虚像时图像观看者各个眼睛的视线之间的倾斜角(会聚角)之间的差。
随后，在步骤S54中，确定视差角是否小于1度。上述主控制器确定视差角是否小于1度。当从视点位置到对象的距离小于500m时，确定结果为肯定。当从视点位置到对象的距离等于或大于500m时，确定结果为否定。当确定结果为肯定时，控制进行到步骤S55。当确定结果为否定时，信息显示方法终止。
随后，在步骤S55中，ECU 350将对象的三维位置信息变换为基于HUD设备100的坐标系的坐标。
随后，在步骤S56中，图像数据生成单元804基于坐标变换之后的三维位置信息生成要呈现的图像的图像数据。
随后，在步骤S57中，图像绘制单元806根据图像数据呈现图像。在执行步骤S57之后，信息显示方法终止。
根据上述第二实施例和修改例的信息显示方法将信息显示为视野中的虚像，并且包括获得包括视野中对象的三维位置信息的对象信息的步骤、基于对象信息和虚像的成像位置来计算通过前挡风玻璃观看虚像时图像观看者两只眼睛的视线之间的倾斜角(会聚角)与通过前挡风玻璃观看对象时图像观看者各个眼睛的视线之间的倾斜角(会聚角)之间的差的步骤、确定差是否小于或等于1度的步骤、以及当确定结果为肯定时显示虚像的步骤。注意，包括对象三维位置信息的信息可以仅包括三维位置信息，并可以进一步包括与对象的尺寸和形状有关的信息。
在该信息显示方法中，当差小于或等于1度时显示虚像。有可能防止虚像可见性恶化，例如将虚像变成双像。虚像可见性恶化可以被防止，并且可以防止设备配置的复杂性。
此外，根据第二实施例和修改例的非暂时性计算机可读记录介质存储程序，该程序在由计算机执行时使得计算机执行用于将信息显示为视野中的虚像的信息显示方法，该信息显示方法包括以下步骤：获得包括视野中真实对象的位置信息的信息；基于位置信息和虚像的成像位置来计算通过透射反射构件观看虚像时的会聚角与通过反射构件观看真实对象时的会聚角之间的差；确定差是否小于或等于1度；以及当确定结果为肯定时显示虚像。
在这种情况下，当差小于或等于1度时显示虚像，并且有可能防止虚像可见性恶化，例如将虚像变成双像。虚像可见性恶化可以被防止，并且可以防止设备配置的复杂性。
在根据上述实施例的HUD设备100中，光学***包括凹面镜40。可选地，光学***可以包括凸面镜，并且可以包括曲面镜(凹面镜或凸面镜)以及设置在曲面镜和屏幕30之间的折回镜。
在根据上述实施例的HUD设备100中，光学扫描单元包括扫描镜20。然而，光学扫描单元可以不包括扫描镜。
在第一实施例的上述示例3-5中，以及第二实施例及其修改例中，获得对象的三维位置信息。可选地，可以获得排除了对象在深度方向上的位置信息(一维位置信息)的对象二维位置信息(在垂直于深度方向的二维平面上的对象位置信息)。可以通过使用激光雷达或相机来获得除了对象在深度方向上的位置信息以外的二维位置信息，并且可以基于二维位置信息来显示虚像。此外在这种情况下，可以根据除了对象在深度方向上的位置以外的二维位置来显示对象的标记。
在上述实施例中，LD(边缘发射激光器)被用作光源。可选地，也可以使用其他激光器来代替，例如表面发射激光器。
在上述实施例中，作为信息显示装置的HUD设备被配置为形成彩色图像。可选地，作为信息显示装置的HUD设备可以被配置为形成单色图像。
透射反射构件不限于上述实施例中运动对象的前挡风玻璃。可选地，透射反射构件可以是侧挡风玻璃、后挡风玻璃等。优选地，透射反射构件是设置在图像观看者进入的运动对象中的挡风玻璃构件，并且图像观看者能够在观看运动对象外部的同时观看虚像。
在上述实施例中，信息显示装置(HUD装置)安装在诸如车辆、飞机、船舶、工业机器人等之类的运动对象上。可选地，信息显示装置(HUD设备)可以安装在对象上。该对象可以包括运动对象、不断安装的对象和可运输的对象。
根据本公开的信息显示装置不仅可应用于平视显示(HUD)设备，还可应用于头戴式显示设备、提示器设备等，其中虚像被重叠在场景中或者景象中以显示可被人的视觉所感知的必要信息。
在上述实施例中指示的具体数值和形状是示例性和解释性的，并且在不脱离本公开范围的情况下可以适当地进行其变型和修改。
以下，将描述发明人创建上述实施例的思考过程。
作为能够以观看者最少的视线移动来识别信息和警报的显示设备，车载HUD设备的需求日益增长，并且其工程开发已经变得普遍。由HUD设备创建的虚像重叠在车辆的前景上。基于HUD设备的虚像位置和驾驶员的视点位置而显示的图像信息的形式被几何变换。因此，如本领域中公知的，HUD设备的显示图像(虚像)可以重叠在驾驶者可见的真实世界图像上。
然而，在根据相关技术的HUD设备的情况下，当驾驶员在操作车辆的期间观看前景时，HUD设备的显示图像可能被驾驶员的双眼感知为双像，并且驾驶员可能难以识别叠加在真实世界图像上的显示图像，这给驾驶员带来了疲劳感和不悦。
鉴于上述问题，已经提出了上述实施例，从而使得HUD设备的显示图像(虚像)的视差与输入到驾驶员双眼的对象的视差之间的差最小化(小于预定值)，并且当观看前景和每次重叠在前景上的显示图像时，防止驾驶员感知到双像、疲劳感和不快。
本申请基于并要求于2015年9月18日提交的日本专利申请No.2015-185240的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
[附图标记列表]
50 前挡风玻璃(透射反射构件)
100HUD 设备(信息显示装置)
300,400,500 信息提供***
310,410,510 感测单元(信息获取设备、位置信息获取设备

Claims (20)

1.一种信息显示装置，将图像形成光束发射到透射反射构件并使虚像通过所述反射构件可见，
其中，所述信息显示装置被配置为显示所述虚像，从而使得通过所述反射构件观看所述虚像时的会聚角与通过所述反射构件观看真实对象时的会聚角之间的差小于或等于1度；
其中从视点位置到所述虚像的成像位置的距离被设定为小于或等于10m；
其中从视点位置到所述虚像的成像位置的距离还被设定为大于6m，使得通过所述反射构件观看所述虚像时的会聚角与通过所述反射构件观看位于无限远处的对象时的会聚角之间的差小于1度。
2.根据权利要求1所述的信息显示装置，其中，所述成像位置是形成所述虚像的预定显示区域内的任意位置。
3.根据权利要求2所述的信息显示装置，其中，运动对象的使用者双眼视线之间的倾斜角构成所述会聚角，并且所述图像是用于向所述使用者提供信息的信息提供图像。
4.根据权利要求3所述的信息显示装置，其中，在所述显示区域中显示从所述使用者观看时、与所述运动对象周围存在的所述真实对象的三维一致的虚像。
5.根据权利要求3或4所述的信息显示装置，其中，从所述使用者观看时、与所述运动对象周围存在的所述真实对象的三维一致的虚像和从所述使用者观看时、不与所述真实对象的三维一致的虚像共同存在于所述显示区域中。
6.根据权利要求3所述的信息显示装置，还包括：接收单元，被配置为接收与所述运动对象周围存在的所述真实对象有关的对象信息。
7.根据权利要求6所述的信息显示装置，还包括：调整单元，被配置为基于所述对象信息来调整所述虚像的尺寸、形状、颜色、亮度和位置中的至少一个。
8.根据权利要求7所述的信息显示装置，其中，所述对象信息包括所述真实对象的尺寸、形状、颜色、亮度和位置中的至少一个。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的信息显示装置，其中，所述接收单元被配置为进一步接收与所述运动对象有关的交通信息，并且基于所述对象信息将所述交通信息显示为所述显示区域中的虚像，从而使得所述交通信息在从所述使用者观看时与所述真实对象的三维一致。
10.根据权利要求6至8中任一项所述的信息显示装置，其中，所述接收单元被配置为进一步接收所述运动对象的位置信息，并且基于所述位置信息在所述显示区域中显示所述虚像，从而使得所述虚像在从所述使用者观看时与所述真实对象的三维一致。
11.根据权利要求1所述的信息显示装置，其中从所述视点位置到所述对象的距离大于或等于2m并且小于或等于1000m。
12.一种信息显示装置，将图像形成光束发射到透射反射构件并使虚像通过所述反射构件可见，
其中，所述信息显示装置被配置为基于包括真实对象的位置信息和所述虚像成像位置的信息来计算通过所述反射构件观看所述虚像时的会聚角与通过所述反射构件观看所述真实对象时的会聚角之间的差，并且被配置为当所述差小于或等于1度时显示所述虚像；
其中从视点位置到所述成像位置的距离小于或等于10m。
13.根据权利要求12所述的信息显示装置，其中，从视点位置到所述成像位置的距离大于或等于1m并且小于4m。
14.一种信息提供***，包括：
根据权利要求6所述的信息显示装置；以及
信息获取设备，被配置为至少获得所述对象信息并将所获得的信息输出到所述信息显示装置。
15.一种信息提供***，包括：
根据权利要求12所述的信息显示装置；以及
信息获取设备，被配置为获得包括所述位置信息的信息并将所获得的信息输出到所述信息显示装置。
16.一种运动对象设备，包括：
运动对象；以及
根据权利要求1至4、6至8、11中任一项所述的信息显示装置，并被安装在所述运动对象上。
17.一种运动对象设备，包括：
运动对象；以及
根据权利要求14或15所述的信息提供***，并被安装在所述运动对象上。
18.一种信息显示方法，用于将信息显示为视野中的虚像，包括：
获得包括视野中真实对象的位置信息的信息；
基于所述位置信息和所述虚像的成像位置，计算通过透射反射构件观看所述虚像时的会聚角与通过所述反射构件观看所述真实对象时的会聚角之间的差；
确定所述差是否小于或等于1度；以及
当所述确定的结果为肯定时，显示所述虚像；
其中从视点位置到所述成像位置的距离小于或等于10m。
19.根据权利要求18所述的信息显示方法，还包括：
基于所述信息对所述虚像的尺寸、形状、颜色、亮度和成像位置中的至少一个进行调整。
20.一种存储程序的非暂时性计算机可读记录介质，所述程序在由计算机执行时，使得所述计算机执行根据权利要求18或19所述的信息显示方法。
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