CN112526748A - 一种抬头显示设备、成像***和车辆 - Google Patents

一种抬头显示设备、成像***和车辆 Download PDF

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方涛
吴慧军
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Abstract

本发明提供了一种抬头显示设备、成像***和车辆，其中，该抬头显示设备包括：立体像源和曲面镜；所述立体像源与所述曲面镜的距离小于等于所述曲面镜的一倍焦距；所述曲面镜将入射的光线反射出所述抬头显示设备，使得反射出抬头显示设备的光线能够形成立体视觉图像；所述立体像源，用于发出形成立体视觉图像的光线。通过本发明实施例提供的抬头显示设备、成像***和车辆，能够呈现出与真实环境在视觉上进行完美融合的立体视觉图像，从而消除驾驶员观察AR‑HUD成像时产生的水平视差。

Description

一种抬头显示设备、成像***和车辆
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，具体而言，涉及一种抬头显示设备、成像***和车辆。
背景技术
目前，增强现实抬头显示器(Augmented Reality Head Up Display，AR-HUD)是众多抬头显示设备(Head Up Display，HUD)中的一种，可以实现很好的视觉体验。基于AR-HUD的成像原理，像源投射出的图像需要与真实环境融合到一起，如方向指示箭头需要与道路精准融合，才可以实现很好的视觉效果。
在驾驶员观察像源所呈现图像的过程中，由于驾驶员的双眼与像源所呈现的图像之间的距离比较近，驾驶员在观察图像时发现左眼看到的图像或者右眼看到的图像与真实环境之间存在水平视差，造成驾驶员看到的像源所呈现图像与真实环境偏离，降低驾驶员对AR-HUD的使用体验。
发明内容
为解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种抬头显示设备、成像***和车辆。
第一方面，本发明实施例提供了一种抬头显示设备，包括：立体像源和曲面镜；所述立体像源与所述曲面镜的距离小于等于所述曲面镜的一倍焦距；
所述曲面镜将入射的光线反射出所述抬头显示设备，使得反射出抬头显示设备的光线能够形成立体视觉图像；
所述立体像源，用于发出形成立体视觉图像的光线。
第二方面，本发明实施例还提供了一种成像***，包括：车辆挡风玻璃和上述第一方面所述的抬头显示设备；
所述车辆挡风玻璃将接收到的所述抬头显示设备发出的光线反射到观察者的眼盒区域，使得所述观察者能够观察到所述车辆挡风玻璃在远离所述抬头显示设备的一侧呈现的立体视觉图像。
第三方面，本发明实施例还提供了一种车辆，包括：第二方面所述的成像***。
本发明实施例上述第一方面至第三方面提供的方案中，通过使用立体像源呈现立体视觉图像的方式，使得立体视觉图像的成像位置应尽可能与真实环境在视觉上融合，与相关技术中成像距离较近导致驾驶员在观察图像时发现左眼看到的图像或者右眼看到的图像与真实环境之间存在水平视差相比，由于呈现出立体视觉图像能够与真实环境在视觉上进行完美融合，从而消除驾驶员观察AR-HUD成像时产生的水平视差，提高AR-HUD的使用体验。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例1所提供的一种抬头显示设备的结构示意图；
图2示出了本发明实施例1所提供的一种抬头显示设备中，立体像源的一种结构示意图；
图3示出了本发明实施例1所提供的一种抬头显示设备中，立体像源的另一种结构示意图；
图4示出了本发明实施例1所提供的一种抬头显示设备中，增加有平面反射镜的HUD的结构示意图；
图5示出了本发明实施例2所提供的一种车辆驾驶舱的一种结构示意图；
图6示出了本发明实施例2所提供的一种车辆驾驶舱的另一种结构示意图。
具体实施方式
目前，HUD技术可以避免驾驶员在驾驶过程中低头看仪表盘所导致的分心，提高驾驶安全系数，同时也能带来更好的驾驶体验。因此，使用汽车挡风玻璃进行成像的大屏幕全尺寸HUD正受到越来越多的关注。
增强现实抬头显示器(Augmented Reality Head Up Display，AR-HUD)则是通过内部特殊设计的光学***，在驾驶员视线区域内合理、生动地显示一些驾驶信息，从而进一步增强驾驶员对于实际驾驶环境的感知。比如一旦用户驾驶车辆偏离既定车道，AR-HUD***可以在车道线边缘处标出红线提醒驾驶员；驾驶时可以在前车后部看到一条标记的亮带等。因此，AR-HUD的兴起，对HUD行业提出了更高的技术要求。
AR-HUD目前仍有很多的技术难关等待攻克。在光学方面，例如：如何去控制视域、显像尺寸、以及成像距离，这些都与最终成像的效果息息相关；在软件方面，例如：如何去控制算法精确处理道路和环境信息也是非常重要的一个部分。基于AR-HUD的原理，像源投射出的图像需要在视觉上与真实环境融合，如方向指示箭头需要与道路精准融合等，才能给观察者良好的视觉感受。但人的双眼在观察时会在物体和图像之间产生水平视差，导致HUD投射出的画面无法在视觉上与真实环境进行较好的融合；而且，图像与人眼距离越近，造成的视差就会越严重。因此，在驾驶员观察像源所呈现图像的过程中，由于驾驶员与像源所呈现图像之间的距离比较近，造成驾驶员在观察图像时发现左眼看到的图像或者右眼看到的图像与真实环境之间存在水平视差，造成驾驶员看到的像源所呈现图像与真实环境偏离，降低驾驶员对AR-HUD的使用体验。基于此，本实施例提出一种抬头显示设备、成像***和车辆，通过远距离成像以及呈现消视差的立体视觉图像等多种方式，使得像源投射出的图像能够与真实环境在视觉上进行完美融合，从而消除驾驶员观察AR-HUD成像时产生的水平视差，提高HUD的使用体验。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请做进一步详细的说明。
在以下各实施例中，术语“HUD”和术语“AR-HUD”所表达的意思都是可以发出具有增强现实效果图像的抬头显示设备。
术语“视觉上与真实环境融合”，是指观察者的双眼看到的HUD呈现的图像与真实环境是完全融合到一起的。
实施例1
参见图1所示的能够消除水平视差的HUD的结构示意图，本实施例提出一种抬头显示设备，包括：立体像源300和曲面镜102；所述立体像源300与所述曲面镜102的距离小于等于所述曲面镜102的一倍焦距。
这里，所述立体像源300与所述曲面镜102的距离小于等于所述曲面镜102的一倍焦距，就是将所述立体像源300设置在靠近所述曲面镜的焦平面的位置或者设置在所述曲面镜的焦平面所在位置上。
所述曲面镜102将入射的光线反射出所述抬头显示设备，使得反射出抬头显示设备的光线能够形成立体视觉图像。
所述立体像源300，用于发出形成立体视觉图像的光线。
所述曲面镜102，可以是但不限于：球面镜、双曲面镜、抛物面镜、以及自由曲面镜。
所述像源100，能够发出呈现图像的光线。
具体地，参见图2所示的立体像源的一种结构示意图，所述立体像源300，包括：像源100和阻挡模块；所述阻挡模块包括多个阻挡单元402。
多个阻挡单元402设置在靠近所述像源100的位置；所述多个阻挡单元402中的各阻挡单元402间隔设置。
各所述阻挡单元能够阻挡所述像源发出的部分光线，使得未被各所述阻挡单元阻挡的光线反射出抬头显示设备形成立体视觉图像。
所述立体视觉图像，是观察者所看到的图像形式。
多个阻挡单元402的设置位置与所述像源100之间有一定距离。
如图2所示，以像源100包含6个像素、阻挡模块包含5个阻挡单元402为例说明。如图2所示，由于阻挡模块与像源100之间存在间隔且阻挡模块可以阻挡部分光线，故像源100中的部分像素(R1、R2、R3)发出的光线在阻挡模块402的阻挡下不能到达左眼位置，使得左眼只能观看到像素单元L1、L2和L3发出的光线；同理，右眼只能观看到像素单元R1、R2和R3发出的光线。因此，阻挡模块可以将像源100的像素分为两部分，一部分像素发出的光线只能到达左眼位置，比如像素L1、L2和L3发出的光线；而另一部分像素发出的光线只能到达右眼位置，比如像素R1、R2和R3发出的光线。在显示成像时，通过在像源100中像素L1、L2和L3和像素R1、R2和R3分别发出的光线形成具有视差的两种图像，从而使得观察者左眼观看的图像和右眼观看的图像存在视差，进而实现令观察者看到立体成像的视觉效果。
所述像素：包括但不限于：主动发光像素和被动发光像素。
所述主动发光像素，可以是但不限于：电致发光光源形成的像素。
所述电致发光光源，可以是但不限于：发光二极管以及有机发光二极管。
所述被动发光像素，可以是但不限于：液晶、蓝相液晶、或者数字光处理(DigitalLight Processing，DLP)像源形成的像素。
其中，阻挡模块中每个阻挡单元的大小、以及阻挡单元的位置是经过精密计算后特殊设计，进而在特定位置可以成像。该方式不需要观察者佩戴特殊眼睛即可观看立体视觉图像，但是需要观察者在特定的位置才能观看到比较好的立体成像的视觉效果。
在一个实施方式中，所述阻挡单元采用液晶；或者多个所述阻挡单元采用整体式液晶，通过控制所述整体式液晶的像素的工作状态，形成多个间隔设置的阻挡单元。
在一个实现方式中，阻挡模块的阻挡单元可以采用液晶。当阻挡模块的液晶工作时，液晶可以使得光线透过；当液晶不工作时，液晶相当于不透光的挡板，也可以实现阻挡单元阻挡光线的效果。具体的，当观察者需要观看2D图像时，阻挡模块的液晶工作，此时的像源100正常显示2D图像。当观察者需要观看立体视觉图像时，阻挡模块的液晶不工作，像源100不同像素显示具有视差的图像，使得观察者在特定位置可以观看到立体视觉图像。
在另一个实现方式中，该阻挡模块可以是完整的液晶，即阻挡模块采用整体式液晶，阻挡模块在结构上不分为多个阻挡单元，但是通过控制该阻挡模块中液晶的工作状态，可以形成多个间隔设置的阻挡单元；即，可以确定该阻挡层的哪一部分是需要阻挡光线的(相当于阻挡单元)，哪一部分是需要透过光线的，此时也可以实现阻挡光线的作用。此外，还可以结合人眼位置来控制阻挡模块中液晶的工作状态，使得阻挡模块可以跟随人眼的位置实时调整哪些像素是不工作的(即阻挡光线)，哪些像素是需要透光的(即相当于不存在阻挡单元)，从而使得观察者可以在任意位置观看到立体视觉图像，解决了固定阻挡模块的阻挡单元后观察者只能在特定位置才可以观看立体视觉图像。
参见图3所示的另一种立体像源的结构示意图，本实施例提出的HUD中，所述立体像源还可以包括：像源100和多个柱状透镜500。
多个所述柱状透镜500设置在像源表面。
多个所述柱状透镜500中的每个柱状透镜500至少覆盖所述像源的至少两列不同的像素；每个所述柱状透镜500用于将一列像素发出的光线射向第一位置且将另一列像素发出的光线射向第二位置。
其中，所述第一位置，是观察者的眼盒区域中一个眼睛的观察位置；所述第二位置，是观察者的眼盒区域中另一个眼睛的观察位置。
所述眼盒区域，是指观察者可以观察到光线所呈现图像的区域。
射向所述第一位置的光线和射向所述第二位置的光线能够形成两个不同的图像，驾驶员能够在视觉上看到该两个不同的图像叠加形成的立体视觉图像的图像效果。
如图3所示的立体像源，通过柱状透镜500将不同列的像素发出的光线折射至不同的位置，从而可以实现立体成像。具体的，通过图3可以看出，在垂直方向上，像源100包含12列液晶，每一列可以包含一个或多个像素；为简化说明，本实施例以每一列包含1个像素为例。其中，多个竖直设置的柱状透镜500可以包含6个柱状透镜，每个柱状透镜覆盖两列像素；如图3所示，最上面的柱状透镜覆盖像素R1和L1。基于柱状透镜的折射特性，通过设置柱状透镜的曲面，可以使得一列像素发出的光线经过柱状透镜后射向第一位置，比如像素R1发出的光线射向驾驶员右眼的观察区域所在位置；同时使得另一列像素发出的光线经过柱状透镜后射向第二位置，比如像素L1发出的光线射向驾驶员左眼的观察区域所在位置。通过精确设置柱状透镜的形状，可以使得部分像素发出的光线射向第一位置，并使得另一部分像素发出的光线射向第二位置。即，如图3所示，像素R1、R2、R3、R4、R5、以及R6等发出的光线可以汇聚至右眼观察区域所在位置，像素L1、L2、L3、L4、L5、以及L6等发出的光线可以汇聚至左眼观察区域所在位置，进而在像源100不同的像素显示具有视差的图像时可以使得观察者在特定位置观看到立体视觉图像。
通过以上的内容可以看出，通过使用立体像源呈现立体视觉图像的方式，使得立体视觉图像的成像位置应尽可能与真实环境在视觉上融合，与相关技术中成像距离较近导致驾驶员在观察图像时发现左眼看到的图像或者右眼看到的图像与真实环境之间存在水平视差相比，由于呈现出立体视觉图像能够与真实环境在视觉上进行完美融合，从而消除驾驶员观察AR-HUD成像时产生的水平视差，提高AR-HUD的使用体验。
为了缩小HUD的体积，参见图4所示的增加有平面反射镜的HUD的结构示意图，本实施例提出的HUD中，所述HUD还包括：平面反射镜104。
所述平面反射镜104将所述立体像源300发出的光线反射到所述曲面镜102。
所述平面反射镜104，可以设置在所述像源发出的光线入射到所述曲面镜的光路之间的任何位置上，本实施例不再赘述。
通过以上的内容可以看出，可以在HUD中增加平面反射镜，以增加光线在HUD内的传播路径数量，对HUD内有限空间进行重复利用，从而缩小HUD的体积。
实施例2
参见图5和图6所示的不同的车辆驾驶舱的结构示意图，本实施例提出一种成像***，包括：车辆挡风玻璃2500和上述实施例1所述的抬头显示设备2502。
所述车辆挡风玻璃2500将接收到的所述抬头显示设备2502发出的光线反射到观察者的眼盒区域，使得所述观察者能够观察到所述车辆挡风玻璃2500在远离所述抬头显示设备的一侧呈现的立体视觉图像。
所述车辆挡风玻璃2500将接收到的所述抬头显示设备2502发出的光线反射到观察者的眼盒区域，使得所述观察者能够观察到所述车辆挡风玻璃在远离所述抬头显示设备2502的一侧呈现的远距离虚像。
所述车辆挡风玻璃2500，可以是但不限于：具有一定倾斜角度的透明或非透明介质，如交通工具的挡风玻璃、镀有不透明反射层的平面镜、透明的树脂板材。
所述眼盒区域，是指观察者可以观察到光线所呈现图像的区域。
本实施例还提出一种车辆，可以包括上述成像***。
综上所述，本实施例提出的一种成像***和车辆，在成像***的HUD中，通过使用立体像源呈现立体视觉图像的方式，使得立体视觉图像的成像位置应尽可能与真实环境在视觉上融合，与相关技术中成像距离较近导致驾驶员在观察图像时发现左眼看到的图像或者右眼看到的图像与真实环境之间存在水平视差相比，由于成像距离与观察者较远，使得像源投射出的立体视觉图像能够与真实环境在视觉上进行完美融合，从而消除驾驶员观察AR-HUD成像时产生的水平视差，提高AR-HUD的使用体验。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种抬头显示设备，其特征在于，包括：立体像源和曲面镜；所述立体像源与所述曲面镜的距离小于等于所述曲面镜的一倍焦距；
所述曲面镜将入射的光线反射出所述抬头显示设备，使得反射出抬头显示设备的光线能够形成立体视觉图像；
所述立体像源，用于发出形成立体视觉图像的光线。
2.根据权利要求1所述的抬头显示设备，其特征在于，所述立体像源，包括：像源和阻挡模块；所述阻挡模块包括多个阻挡单元；
多个阻挡单元设置在靠近所述像源的位置；所述多个阻挡单元中的各阻挡单元间隔设置；
各所述阻挡单元能够阻挡所述像源发出的部分光线，使得未被各所述阻挡单元阻挡的光线反射出抬头显示设备形成立体视觉图像。
3.根据权利要求2所述的抬头显示设备，其特征在于，所述阻挡单元采用液晶；或者
多个所述阻挡单元采用整体式液晶，通过控制所述整体式液晶的像素的工作状态，形成多个间隔设置的阻挡单元。
4.根据权利要求1所述的抬头显示设备，其特征在于，所述立体像源还可以包括：像源和多个柱状透镜；
多个所述柱状透镜设置在像源表面；
多个所述柱状透镜中的每个柱状透镜至少覆盖所述像源的至少两列不同的像素；每个所述柱状透镜用于将一列像素发出的光线射向第一位置且将另一列像素发出的光线射向第二位置。
5.根据权利要求1所述的抬头显示设备，其特征在于，还包括：平面反射镜；
所述平面反射镜将所述立体像源发出的光线反射到所述曲面镜。
6.一种成像***，其特征在于，包括：车辆挡风玻璃和权利要求1至5任一项所述的抬头显示设备；
所述车辆挡风玻璃将接收到的所述抬头显示设备发出的光线反射到观察者的眼盒区域，使得所述观察者能够观察到所述车辆挡风玻璃在远离所述抬头显示设备的一侧呈现的立体视觉图像。
7.一种车辆，其特征在于，包括：权利要求6所述的成像***。
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