CN113093382A - 抬头显示***及抬头显示***的显示方法 - Google Patents

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CN113093382A
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Lijing Photoelectric Co ltd
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Abstract

提供一种抬头显示***及抬头显示***的显示方法，抬头显示***包括图像源、图像调节装置、控制器和反射器。图像源用以输出具有在光路上传播的图像光的图像。图像调节装置位于图像光的光路上，其中图像调节装置包括液晶面板。控制器用以控制图像调节装置。反射器用以将穿过图像调节装置的图像光反射至投影屏幕。

Description

抬头显示***及抬头显示***的显示方法
技术领域
本发明涉及一种显示技术，且特别涉及一种抬头显示***及其显示方法。
背景技术
近年来，用于将光线投射至如汽车、火车、轮船、建筑机械、飞机或农业机械等车辆的挡风玻璃、或设置在挡风玻璃附近的做为屏幕的结合器(combiner)上以显示图像的抬头显示器(head-up display；HUD)已为现有。HUD在挡风玻璃等上反射图像，以将信息显示至驾驶员的视野中。投影到挡风玻璃上的图像可能需要不同的成像距离，如此一来，投影图像中的一些信息将能集成到实际环境中以远距图像(far image)呈现，且投影图像中的一些信息将以近距图像(near image)呈现。这使驾驶员能在不大幅改变视线的情况下确认路线指引、紧急信息、车辆状态等。
发明内容
本发明涉及一种抬头显示***，能够动态地调节图像的成像条件。
本发明涉及一种抬头显示***的显示方法，可用于动态调节图像的成像条件。
在本发明的一些实施例中，种抬头显示***包括图像源、图像调节装置、控制器和反射器。图像源用以输出具有在光路上传播的图像光的图像。图像调节装置位于图像光的光路上，其中图像调节装置包括液晶面板。控制器用以控制图像调节装置。反射器用于将穿过图像调节装置的图像光反射到投影屏幕。
在本发明的一些实施例中，液晶面板包括第一电极、第二电极以及设置在第一电极和第二电极之间的液晶层。
在本发明的一些实施例中，第一电极和第二电极中的每一个完全且连续地覆盖液晶面板的有源区域。
在本发明的一些实施例中，图像调整装置还包括位于光路上的第二液晶面板。
在本发明的一些实施例中，液晶面板是相位延迟器，第二液晶面板是液晶透镜，并且第二液晶面板位于液晶面板和图像源之间。
在本发明的一些实施例中，第二液晶面板包括第一电极、第二电极和设置在第一电极和第二电极之间的液晶层，并且第一电极，第二电极或两者均图案化为像素。
在本发明的一些实施例中，控制器控制液晶面板和第二液晶面板以独立运行。
在本发明的一些实施例中，液晶面板和第二液晶面板中的一个或两个包括图案化为不规则图案的电极。
在本发明的一些实施例中中，液晶面板和第二液晶面板中的一个位于图像源的第一焦平面，并且液晶面板和第二液晶面板中的另一个位于图像源的第二焦平面。
在本发明的一些实施例中，图像源包括显示面板和对显示面板提供初始光的光源。
在本发明的一些实施例中，显示面板包括硅基型液晶空间光调制器。
在本发明的一些实施例中，源包括激光光源、LED光源或其组合。
在本发明的一些实施例中，反射器包括凹面镜。
在本发明的一些实施例中，抬投显示***的显示方法包括以下步骤，但不限于此。由图像源提供的图像。图像的图像光由包括液晶面板的图像调节装置调节。穿过图像调整装置的图像光被反射到投影屏幕。
在本发明的一些实施例中，图像的成像位置由图像调节装置调节。
在本发明的一些实施例中，图像的尺寸由图像调节装置调节。
在本发明的一实施例中，图像调节装置包括第一液晶面板和第二液晶面板，第一液晶面板位于图像源的第一焦平面处，第二液晶面板位于图像源的第二焦平面上，并且第一液晶面板和第二液晶面板以扩散模式在不同的时间序列运行。
基于上述，根据本发明的实施例的抬头显示***包括图像调节装置，所述图像调节装置包括至少一个能够动态调节图像的成像条件的液晶显示面板。因此，可以调节由抬头显示***生成的图像的成像距离，以实现多个图像距离。另外，图像调节装置为电控制装置，可实现针对成像条件的多级调节，使得抬头显示***可以基于不同情况生成各种图像。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合说明书附图作详细说明如下。
附图说明
包括附图以提供对本发明进一步理解，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图示出了本发明的示例性实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是依照本发明的一些实施例的一种抬头显示***的应用示意图。
图2是依照本发明的一些实施例的一种抬头显示***的示意图。
图3是依照本发明的一些实施例的一种抬头显示***的示意图。
图4是依照本发明的一些实施例的一种抬头显示***的示意图。
附图标记说明：
2：汽车
4：挡风玻璃
6：图像光
8、VI：虚拟图像
10：使用者
D8、ID：成像距离
100、100A、100B、100C：抬头显示***
110：图像源
112：显示面板
114：光源
114A：发光元件
114B：光学构件
120A、120B、100C：图像调节装置
130A、130B、130C：控制器
140：反射器
150：投影屏幕
P1、P2：光路
LCP1、LCP2、LCP3、LCP4：液晶面板
SUA1、SUA2、SUA3、SUA4：第一基板
SUB1、SUB2、SUB3、SUB4：第二基板
EA1、EA2、EA3、EA4：第一电极
EB1、EB2、EB3、EB4：第二电极
LC1、LC2、LC3、LC4：液晶层
UE：使用者眼睛
具体实施方式
图1是依照本发明的一些实施例的一种抬头显示***的应用示意图。请参考图1，抬头显示***100例如是配置于汽车2上，图1仅示出了汽车2的一部分。抬头显示***100可以产生投影至汽车2的挡风玻璃4上的图像。具体来说，投影至挡风玻璃4上的图像的图像光6可以创建虚拟图像8，让使用者10(即驾驶员)观察到。在本实施例中，使用者10观察到的虚拟图像8的成像距离D8，可以通过抬头显示***100来调节。如果虚拟图像8包含适合合并至使用者10所看到的环境中的信息，可将虚拟图像8的成像距离D8调节为相对较大，以作为远距图像。如果虚拟图像8包含与车辆状态相关的信息，例如车速表(speedometer)、转速表(tachometer)、里程表(odometer)、引擎冷却液温度表(engine coolant temperaturegauge)、燃油表(fuel gauge)、转弯指示器(turn indicators)、换档位置指示器(gearshiftposition indicator)、安全带警示灯(seat belt warning light)、驻车制动器警示灯(parking-brake warning light)、引擎故障灯(engine-malfunction lights)等或其任意组合，可以将虚拟图像8的成像距离D8调节为相对较小的近距图像(near image)。因此，在使用者10无大幅改变视线的情况下，抬头显示***100可为使用者10提供直观的视觉效果。
图2是依照本发明的一些实施例的一种抬头显示***的示意图。请参考图2，抬头显示***100A可以做为如图1所示的抬头显示***100的示例性范例，然而本发明不限于此。抬头显示***100A可以包括图像源110、图像调节装置120A、控制器130A和反射器140。图像源110可以生成用以在光路P1中传播的图像光的图像。图像调节装置120A可以设置于光路P1上。控制器130A可以与图像调节装置120A电通信，且用于控制图像调节装置120A的操作。反射器140可以位于光路P1上的图像调节装置120A的下游。由图像源110产生的图像光可以经过图像调节装置120A的调节，沿着光路P1连续行进直到被反射器140所反射。反射器140可以反射穿过图像调节装置120A的图像光以使其在另一光路P2中传播，并照射如图1所示的汽车2的挡风玻璃4之类的投影屏幕150，以生成使用者眼睛UE可观察到的虚拟图像VI。
图像源110可以包括显示面板112和光源114。光源114可以包括发光元件114A和位于发光元件114A与显示面板112之间的光学构件114B。发光元件114A可以包括激光、LED等或其组合以生成供给显示面板112的初始光。光学构件114B可以包括透镜(lens)、分束器(beam splitter)、偏振器(polarizer)等或其组合，以对发光元件114A产生的初始光进行准直(collimate)或修改(modify)，使得初始光可以以如所须强度、所须色温或其他等所须的方式照射到显示面板112上。显示面板112可以通过光源114提供的初始光来产生中间图像。具体地，显示面板112可以将初始光转移成在光路P1中传播的图像光，并且在指定位置生成中间图像。显示面板112可以是反射型显示面板(reflective type display panel)，可包括硅基型液晶空间光调制器(liquid crystal on silicon-spatial lightmodulator；LCoS-SLM)。在一些替代实例中，显示面板112可以是其他类型的显示面板，例如透射型显示面板(transmissive type display panel)或相似面板。在一些实施例中，图像源110可以包括自发光显示面板(self-illuminationdisplay panel)，例如有机发光显示面板或相似面板，使得图像源110可以不包括光源114。
图像调节装置120A可以是用于调节图像源110提供的图像光的条件的光学装置。在一些实施例中，图像调节装置120A可以包括液晶面板LCP1。举例来说，液晶面板LCP1可以包括第一基板SUA1、与第一基板SUA1相对的第二基板SUB1、设置在第一基板SUA1上的第一电极EA1、设置在第二基板SUB1上的第二电极EB1以及在第一电极EA1和第二电极EB1之间的液晶层LC1。第一电极EA1和第二电极EB1可以分别完全且连续地覆盖液晶面板LCP1的主动区域，其中液晶面板LCP1的主动区域允许由图像源110产生的图像光透射通过。液晶面板LCP1在主动区域具有连续和无图案化的电极可以作为相位延迟器(phase retarder)，以改变通过它的光的偏振状态。亦即，来自图像源110的图像光可通过液晶面板LCP1，并进行偏振状态的改变。
控制器130A可以与图像调整装置112A电通信。控制器130A可以将各自的电压输入到液晶面板LCP1的第一电极EA1和第二电极EB1，以使液晶面板LCP1提供所需的光学效果，例如对图像源110提供的图像光的波的相位延迟。此外，由于液晶面板LCP1是电子可控的，所以液晶面板LCP1提供的光学效果可无级控制(stepless controlled)。在一些实施例中，控制器130A也可以电通信到图像源110或图像源110的控制器(未示出)，并且可基于由图像源110生成的中间图像的信息来控制图像调节装置120A的操作。
反射器140可用于图像光穿过图像调节装置120A后，朝投影屏幕150反射图像光。图像源110提供的图像光最初在光路P1中传播，可被反射器140反射以在光路P2中传播。在光路P2中传播的图像光可以投影在投影屏幕150上，以创建由使用者眼睛UE观察到的虚拟图像VI。在一些实施例中，反射器140可以是凹面镜。凹面镜的曲率可以决定虚拟图像VI的成像距离ID。凹面镜的曲率越大，成像距离ID越远。在一些实施例中，凹面镜可以具有不固定的曲率，使得反射器140的反射效果可以适合于投影屏幕150的各种曲率。
在抬头显示***100A中，图像源110可提供在光路P1中传播的图像光在预定的焦平面上生成中间图像，且图像光可以被反射器140反射并照射到投影屏幕150上，以生成由使用者眼睛UE所观察到的虚拟图像VI。在某些情况下，可以控制图像调节装置120A呈现透明状态而不提供光学调节功能，以使中间图像可以位于预订的焦平面上，且虚拟图像VI可具有成像距离ID的第一状态。在一些替代实例中，图像调节装置120A可以被控制为用作相位延迟器，图像调节装置120A可以改变由图像源110提供的图像光的相位延迟。如此一来，可以调节中间图像的成像位置并可相应地改变虚像VI的成像距离ID。举例来说，虚拟图像VI可以具有成像距离ID的第二状态，并且第二状态下的成像距离ID不同于第一状态下的成像距离ID。据此，因此，图像调节装置120A可以调整图像光，实现虚拟图像VI的各种成像距离ID，以增强实际使用的灵活性。
在本实施例中，可基于要在虚拟图像VI中呈现的信息来调整成像距离ID。举例来说，可以在虚拟图像VI中以相对较大的成像距离ID来呈现路线引导的信息，且可将速度计、转速计、里程计，引擎冷却液温度计、燃料计等的信息，以相对较小的成像距离ID于虚拟图像VI中呈现。在某些情况下，可以将具有较大成像距离ID的虚拟图像VI合并到使用者眼睛UE所看到的环境中，且具有较短成像距离ID的虚拟图像VI，可作为呈现在投影屏幕150上的图像而被观察，但本发明不限于此。此外，图像调节装置120A可以无级调整虚拟图像VI的成像结果，以使抬头显示***100A可以在各种投影屏幕(例如具有各种曲率和倾斜度的挡风玻璃)上提供理想的显示效果。换言之，抬头显示***100A的应用可以更加灵活，而不受限于并置的投影屏幕150的规定类形。
图3是依照本发明的一些实施例的一种抬头显示***的示意图。请参考图3，抬头显示***100B可以做为如图1所示的抬头显示***100的示例性范例，然而本发明不限于此。与图2所示的抬头显示***100A相似，抬头显示***100B包括图像源110、图像调节装置120B、控制器130B和反射器140，且适于将图像光投射到投影屏幕150上以创建能够被使用者眼睛UE观察到的虚拟图像VI。在图2与图3所示的两个实施例中，相同或相似的元件用相同或相似的附图符号表示。例如，图像源110、反射器140和投影屏幕150与在图2中所描述的相同，因此图像源110、反射器140和投影屏幕150的详细内容，请参考前述实施例的细节描述。
在本实施例中，图像调节装置120B可以包括位于图像源110和反射器140之间的液晶面板LCP1，以及位于液晶面板LCP1和图像源110之间的液晶面板LCP2。控制器130B与液晶面板LCP1和液晶面板LCP2两者电通信，且用于控制液晶面板LCP1和液晶面板LCP2的操作。液晶面板LCP1和液晶面板LCP2均位于图像源110提供的图像光的光路P1上，并且位于图像源110和反射器140之间。
液晶面板LCP1可以是电子可控的，且提供光学功能作为相位延迟器以调节由图像源110提供的图像光的波的偏振。液晶面板LCP1可以具有与图2所示的液晶面板LCP1相似的结构和功能。液晶面板LCP2也可以是电子可控的，且可作为液晶透镜(liquid crystallens)。具体来说，液晶面板LCP2可以包括第一基板SUA2、与第一基板SUA2相对的第二基板SUB2、设置在第一基板SUA2上的第一电极EA2、设置在第二基板SUB2上的第二电极EB2以及位于第一电极EA2和第二电极EB2之间的液晶层LC2。在本实施例中，将第一电极EA2和第二电极EB2图案化为像素，以实现液晶透镜的功能。
由图像源110提供的图像光可在光路P1中传播，依次穿过液晶面板LCP2和液晶面板LCP1，并被反射器140反射以照射到投影屏幕150上，创建能够被使用者眼睛UE观察到的虚拟图像VI。液晶面板LCP2可由控制器130B控制且可调节图像源110提供的图像光的焦距，从而调整由图像源110生成的中间图像的尺寸和/或成像位置，并可相应地改变虚拟图像VI的尺寸和/或成像距离ID。液晶面板LCP1可以由控制器130B控制，以改变通过液晶面板LCP1的图像光的偏振，从而可以由液晶面板LCP1进一步调整虚拟图像VI的成像距离ID。
通过液晶面板LCP1和液晶面板LCP2的操作和控制，可基于虚拟图像VI中呈现的信息来调整虚拟图像VI的大小、成像距离或两者。在某些实施例中，液晶面板LCP1和液晶面板LCP2可以独立地操作，并以无级方式提供相应的光学调节功能。举例来说，控制器130B可以控制液晶面板LCP2以操作凸/凹透镜功能，同时控制液晶面板LCP1以呈现透明状态而不具有相位延迟功能。替代地，控制器130B可以控制液晶面板LCP1呈现相位延迟功能，同时控制液晶面板LCP2呈现透明状态而不具有凸/凹透镜功能。在另一实施例中，控制器130B可以控制液晶面板LCP1以呈现相位延迟功能，并且还可以控制液晶面板LCP2以操作凸/凹透镜功能。因此，可以在各种成像条件下创建虚拟图像VI。在未示出的一些实施例中，图像调节装置可以包括不具有液晶面板LCP1的液晶面板LCP2，并且可以实现在各种成像条件下创建虚拟图像VI的效果。
图4是依照本发明的一些实施例的一种抬头显示***的示意图。请参考图4，抬头显示***100C可以做为如图1所示的抬头显示***100的示例性范例，然而本发明不限于此。与图2所示的抬头显示***100A相似，抬头显示***100C包括图像源110、图像调节装置120C、控制器130C和反射器140，且适于将图像光投射到投影屏幕150上以创建能够被使用者眼睛UE观察到的虚拟图像VI。在图2与图4所示的两个实施例中，相同或相似的元件用相同或相似的附图符号表示。例如，图像源110、反射器140和投影屏幕150与在图2中所描述的相同，因此图像源110、反射器140和投影屏幕150的详细内容，请参考前述实施例的细节描述。
在本实施例中，图像调整装置120C可以包括在图像源110和反射器140之间的液晶面板LCP3，以及位于液晶面板LCP3和反射器140之间的液晶面板LCP4。控制器130C与液晶面板LCP3和液晶面板LCP4两者电通信，用以控制液晶面板LCP3和液晶面板LCP4的操作。液晶面板LCP3和液晶面板LCP4均位于由图像源110提供的图像光的光路P1上。
在本实施例中，液晶面板LCP3可以是电子可控的，可包括第一基板SUA3、与第一基板SUA3相对的第二基板SUB3、设置在第一基板SUA3上的第一电极EA3、设置在第二基板SUB3上的第二电极EB3以及在第一电极EA3和第二电极EB3之间的液晶层LC3。本实施例中，第一电极EA3和第二电极EB3被图案化为不规则图案，尽管图4并未为了图示说明而示出不规则图案。液晶面板LCP3可以作为电子可控扩散器(electronicallycontrollable diffuser)，且由控制器130C控制以操作所需的光学功能。
液晶面板LCP4可具有与液晶面板LCP3相似的结构。具体来说，液晶面板LCP4可包括第一基板SUA4、与第一基板SUA4相对的第二基板SUB4、设置在第一基板SUA4上的第一电极EA4、设置在第二基板SUB4上的第二电极EB4以及在第一电极EA4和第二电极EB4之间的液晶层LC4。尽管图4并未为了图示说明而示出不规则图案，但在本实施例中，第一电极EA4和第二电极EB4被图案化为不规则图案。液晶面板LCP4可以作为电子可控扩散器(electronically controllable diffuser)，且由控制器130C控制以操作所需的光学功能。
图像源110可以在多个焦平面上生成中间图像，且可以基于中间图像的位置来决定虚拟图像VI的成像距离ID。在本实施例中，液晶面板LCP3位于图像源110的第一点焦平面，并且液晶面板LCP4位于图像源110的第二焦平面。当图像源110在第一焦平面处生成中间图像时，在成像距离ID的第一状态下可创建虚拟图像VI。此外，控制器130C可以控制液晶面板LCP3以操作扩散器功能，并且控制液晶面板LCP4呈现透明状态而没有扩散效果。如此，与液晶面板LCP3和液晶面板LCP4都以透明状态存在的条件相比，可以放大在成像距离ID的第一状态下所创建的虚拟图像VI。相似地，当图像源110在第二焦平面处生成中间图像时，在成像距离ID的第二状态下可创建虚拟图像VI。此外，控制器130C可以控制液晶面板LCP4以操作扩散器功能，并且控制液晶面板LCP3呈现透明状态而不具有扩散效果。如此，与液晶面板LCP3和液晶面板LCP4都以透明状态存在的条件相比，可以放大在成像距离ID的第二状态下所创建的虚拟图像VI。在一些实施例中，基于图像源生成的中间图像无法同时呈现控散器功能，液晶面板LCP3和液晶面板LCP4可以操作扩散器功能。换句话说，液晶面板LCP3和液晶面板LCP4以扩散模式在不同的时间序列进行操作。在一些实施例中，图像源110可以在更多焦平面上生成中间图像，图像调整装置120C可以包括更多的液晶面板，这些液晶面板位于图像源110的各个焦平面处。基于以上实施例，液晶面板LCP1至LCP4中的一个或多个可以设置在图像源110和反射器140之间，调节虚像VI的成像条件，以增强成像效果的灵活性。
综上所述，根据本发明一些实施例的抬头显示***包括能够调节成像距离和/或创建的虚拟图像的尺寸的图像调节装置，使得抬头显示***具有各种成像效果，以增强实际使用的灵活性。
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内，当可作些许的变动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (17)

1.一种抬头显示***，包括：
图像源，用以输出具有在光路上传播的图像光的中间图像；
图像调节装置，设置于所述图像光的所述光路上，其中所述图像调节装置包括液晶面板；
控制器，用以控制所述图像调节装置；以及
反射器，用以将穿过所述图像调节装置的所述图像光反射至投影屏幕。
2.如权利要求1所述的抬头显示***，其中所述液晶面板包括第一电极、第二电极和设置在所述第一电极与所述第二电极之间的液晶层。
3.如权利要求2所述的抬头显示***，其中所述第一电极和所述第二电极分别完全且连续地覆盖所述液晶面板的主动区域。
4.如权利要求1所述的抬头显示***，其中所述图像调节装置还包括位于所述光路上的第二液晶面板。
5.如权利要求4所述的抬头显示***，其中所述液晶面板是相位延迟器，所述第二液晶面板是液晶透镜，且所述第二液晶面板位于所述液晶面板和所述图像源之间。
6.如权利要求4所述的抬头显示***，其中所述第二液晶面板包括第一电极、第二电极和设置在所述第一电极与所述第二电极之间的液晶层，且所述第一电极、所述第二电极或两者被图案化为像素。
7.如权利要求4所述的抬头显示***，其中所述控制器控制所述液晶面板和所述第二液晶面板以独立运行。
8.如权利要求4所述的抬头显示***，其中所述液晶面板与所述第二液晶面板中的一个或两个包括图案化为不规则图案的电极。
9.如权利要求8所述的抬头显示***，其中所述液晶面板和所述第二液晶面板中的一个位于所述图像源的第一焦平面处，所述液晶面板和所述第二液晶面板中的另一个位于所述图像源的第二焦平面处。
10.如权利要求1所述的抬头显示***，其中所述图像源包括显示面板和对所述显示面板提供初始光的光源。
11.如权利要求10所述的抬头显示***，其中所述显示面板包括硅基型液晶空间光调制器。
12.如权利要求10所述的抬头显示***，其中所述光源包括激光光源、LED光源或其组合。
13.如权利要求1所述的抬头显示***，其中所述反射器包括凹面镜。
14.一种抬头显示***的显示方法，包括：
通过图像源产生中间图像；
通过图像调节装置调节所述中间图像的图像光，其中所述图像调节装置包括液晶面板；以及
反射穿过所述图像调节装置的所述图像光至投影屏幕。
15.如权利要求14所述的抬头显示***的显示方法，其中所述中间图像的成像位置由所述图像调节装置调节。
16.如权利要求14所述的抬头显示***的显示方法，其中所述中间图像的尺寸由所述图像调节装置调节。
17.如权利要求14所述的抬头显示***的显示方法，其中所述图像调节装置包括第一液晶面板和第二液晶面板，所述第一液晶面板位于所述图像源的第一焦平面处，所述第二液晶面板位于所述图像源的第二焦平面处，且所述第一液晶面板和所述第二液晶面板以扩散模式于不同的时间序列运行。
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