CN116569094A - 任意距离无鬼像投影 - Google Patents

Abstract

一种用于提供无鬼像抬头显示器的图像生成***。该***包括：显示屏，该显示屏具有前表面和后表面；图片生成单元，用于朝向显示屏投射图像以朝向眼盒反射；场透镜；以及各向异性光学组件，该各向异性光学组件具有沿着第一轴的第一光功率和沿着第二轴的第二光功率，其中，第一轴和第二轴是垂直的，其中，图片生成单元被配置为投射光使其通过场透镜，使得光入射到显示屏的前表面上，形成第一虚拟图像，其中，光的一部分透射通过显示屏并且入射到显示屏的后表面上，形成第二虚拟图像，其中，第一虚拟图像和第二虚拟图像沿着第一轴偏移，其中，场透镜被配置为在第一投射距离处投射第一虚拟图像，并且在第二投射距离处投射第二虚拟图像，使得偏移低于阈值幅度，并且从眼盒观看时，第一虚拟图像和第二虚拟图像基本上重叠，并且其中，各向异性光学组件被配置为仅沿着第二轴放大第一虚拟图像和第二虚拟图像。

Description

任意距离无鬼像投影

技术领域

本公开涉及一种显示***。特别地，但不排他地，本公开涉及用于在任意投影距离处以无鬼像方式在屏幕上显示图像的装置。

背景技术

抬头显示器(HUD)是已知的显示器，在HUD中，图像被投射到透明表面上，例如挡风玻璃或遮阳板。这种显示器在包括车辆在内的许多不同环境中是公知的。

在汽车工业中，大多数商用HUD利用分离的光学屏幕(组合型HUD)，或者直接显示在挡风玻璃上(挡风玻璃型HUD)。组合型HUD可以，无需大量改动，被安装在大多数类型的汽车上。他们利用透明塑料投影屏幕将真实驾驶环境和投影虚拟图像结合起来。虽然安装成本相对较低，但塑料屏幕将部分遮挡驾驶员的视线，此外，当该单元经历振动时，其性能较差。

挡风玻璃型HUD利用车辆的挡风玻璃来结合虚拟图像和真实环境。由于挡风玻璃的厚度有限(通常比组合型HUD中使用的屏幕大得多)，投影图像将在挡风玻璃的前表面和后表面反射，从而产生主图像和二次偏移“鬼”像。术语“鬼像”在本领域中使用，并且在整个说明书中用于描述二次偏移图像。为了消除这种影响，可以在挡风玻璃上应用一种特殊的膜，该特殊的膜增强前表面的反射(从而减少后表面的后续反射，减少鬼像)。虽然成本相对较低，但这种膜在视觉上没有吸引力，对图像质量有不利影响，并且长期暴露于阳光后效果会降低。另一个解决方案是提供一种特殊的多层楔形挡风玻璃，它有效地重叠了两个反射图像，使得驾驶员可以看到单一、清晰的图像。楔形挡风玻璃的示意图如图1所示。这些专门生产的挡风玻璃必须专门为每种应用而设计，而且建造成本很昂贵。

另一种方法是设计具有一层或多层发射/散射纳米粒子的挡风玻璃。当被扫描激光投影仪激发时，每层将在R/G/B波段中的一个处生成可见光发射。通过叠加多个波段的图像，在挡风玻璃上显示彩色图像。这种所谓的全挡风玻璃HUD具有无限的视角、无限的显示位置以及无激光散斑，但是生产起来又是昂贵和复杂的。此外，由于驾驶员必须将注意力集中在挡风玻璃上才能查看显示的信息，因此无法体验到多深度图像(即，具有不同视深度的元素的图像)。

当为挡风玻璃具有大倾斜角的应用(例如火车和卡车)设计HUD时，会出现另外的困难。对于小型车，挡风玻璃的倾斜角通常在30°到45°之间，HUD***安装在仪表板的正下方，使得HUD***的设计更加容易。然而，对于大型车辆，挡风玻璃的倾斜角可以在一定范围内变化。例如，大多数火车挡风玻璃的倾斜角为60°至80°。至于卡车和公共汽车，倾斜角甚至可以更高—高达90°。更大的倾斜角与大型车辆中使用的更厚的挡风玻璃相结合，不仅通过增加从挡风玻璃的前表面和后表面反射的图像的偏移而使鬼像问题更加突出，而且还增加了上述传统缓解技术的成本。

因此，现有方法不允许跨多个不同***减少鬼像。

本发明的目的是减少上述现有技术的一些缺陷

发明内容

本发明的方面和实施例提供根据所附权利要求书中要求的装置。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于提供无鬼像抬头显示器的图像生成***。该***包括：显示屏，该显示屏具有前表面和后表面；图片生成单元，用于朝向该显示屏投射图像以朝向眼盒反射；场透镜；以及各向异性光学组件，该各向异性光学组件具有沿着第一轴的第一光功率和沿着第二轴的第二光功率，其中，第一轴和第二轴是垂直的，其中，该图片生成单元被配置为投射光使其通过该场透镜，使得光入射到该显示屏的该前表面上，形成第一虚拟图像，其中，光的一部分透射该显示屏并且入射到该显示屏的该后表面上，形成第二虚拟图像，其中，该第一虚拟图像和该第二虚拟图像沿着第一轴偏移，其中，该场透镜被配置为在第一投射距离处投射该第一虚拟图像，并且在第二投射距离处投射该第二虚拟图像，使得该偏移低于阈值幅度，并且从该眼盒观看时，该第一虚拟图像和该第二虚拟图像基本上重叠，其中，该各向异性光学组件被配置为仅沿着该第二轴放大该第一虚拟图像和该第二虚拟图像。

这种方法使无鬼像投影成为可能，而不需要对显示屏表面或内部结构进行任何改动。它还使图像以比消除鬼像所需的更短的视投影距离显示成为可能。

可选地，该场透镜被配置为在第一投影距离和第二投影距离处来投射该第一虚拟图像和该第二虚拟图像，使得该第一虚拟图像和该第二虚拟图像之间的该偏移低于阈值角分辨率。

可选地，该阈值角分辨率等于像素的尺寸。

可选地，该阈值角分辨率等于人眼的角分辨率。通过将该偏移减小到显示器和/或人眼分辨能力的极限以下，有效地消除了鬼像。

可选地，该各向异性光学组件由自由曲面镜、自由曲面透镜、柱面镜或柱面透镜中的一个提供。

可选地，该场透镜由凹面镜、自由曲面、菲涅耳透镜(Fresnel lens)、波导、衍射光学元件、全息光学元件或一个或多个锥形光纤中的一个提供。锥形光纤特别使投影图像光纤空间的无透镜放大成为可能，从而缩短光的光路并且使***的整体空间足迹减小。

可选地，该图片生成单元包括光源和空间光调制器。

可选地，该图片生成单元包括投影仪和用于实现投影图像的散射器。

可选地，该图片生成单元包括激光器和2D扫描镜。

可选地，该图片生成单元包括用于产生计算机生成全息图的全息单元和用于实现该全息图的散射器。

可选地，该图片生成单元包括LCD器件、LED器件、微LED器件、OLED器件或数字光处理数字微镜器件中的一个或多个。这些器件能够通过施加电流来激活，电流可以根据需要进行定位和调制。它们还可以提供灵活的多色显示器。

可选地，该***还包括在该图片生成单元、该场透镜、该显示屏和/或该各向异性光学组件中的任一个之间的中间光学器件。这种中间光学器件允许光的路径被布置在安装环境的物理范围周围，以及补偿挡风玻璃本身的任何光学效应。

可选地，该中间光学器件包括折叠镜、波导、衍射光学元件或全息光学元件中的一个。

可选地，该***还包括与该图片生成单元通信的图像处理器，其中，该图像处理器被配置为考虑由光学设置引起的失真，使得该图像在该显示屏上看起来不失真。这避免了对任何图像生成后校正以及笨重的校正光学器件的需要。另外，它提供了更高程度的灵活性，可以适应不同的显示表面和光学设置。

可选地，该抬头显示器的该显示屏是车辆的挡风玻璃。

可选地，该场透镜、投影单元、各向异性光学组件和/或中间光学组件(如果存在的话)中的一个或多个相对于彼此是可移动的。

可选地，该图像包括第一区域和第二区域，其中，该***被布置为使得该第一区域和该第二区域被投射通过该场透镜，而仅该第二区域被投射通过该各向异性光学组件。通过HUD***在多个距离上投射图像可以产生真实对象的令人信服的表示。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于提供无鬼像抬头显示器的方法。该方法包括：在图片生成单元处生成图像，该图像将被渲染在显示屏上以朝向预定的眼盒反射，该显示屏具有前表面和后表面；在该图片生成单元和该显示屏之间提供场透镜；在该图片生成单元和该显示屏之间提供各向异性光学组件，该各向异性光学组件具有沿着第一轴的第一光功率和沿着第二轴的第二光功率，其中，该第一轴和该第二轴是垂直的，其中，入射到该显示屏的该前表面上的光的一部分被反射，形成第一虚拟图像，并且该光的一部分透射该显示屏并且入射到该后表面上，形成第二虚拟图像，其中，该第一虚拟图像和该第二虚拟图像沿着该第一轴偏移；配置该场透镜在第一投影距离处投射该第一虚拟图像，并且在第二投影距离处投射该第二虚拟图像，使得该偏移低于阈值幅度，并且从该眼盒观看时，该第一虚拟图像和该第二虚拟图像基本上重叠，以及配置该各向异性光学组件仅沿着该第二轴放大该第一虚拟图像和该第二虚拟图像。

本发明的其他方面将从所附的权利要求书中显而易见。

附图说明

现在将仅以示例的方式参考附图描述本发明的一个或多个实施例。

图1是根据本发明实施例的HUD***的示意图。

图2和图3描述了柱面镜的成像原理。

图4是根据本发明实施例的HUD***的示意图。

图5是根据本发明实施例的HUD***的示意图。

图6是根据本发明实施例的HUD***的示意图。

图7提供了根据本发明几个实施例的HUD***的多个示意图。

图8是根据本发明实施例的HUD***的示意图。

图9是根据本发明实施例的HUD***的示意图。

图10、11和12示出了根据本发明实施例的HUD***的仿真结果。

图13是根据本发明实施例的HUD***的示意图。

图14、15和16示出了根据本发明实施例的HUD***的仿真结果。

具体实施方式

根据本发明的一个方面，装置和显示器安装在诸如机动车辆之类的车辆中。虽然以下具体实施方式是参考使用挡风玻璃作为显示屏的机动车辆的HUD来描述的，但是本文描述的公开内容和概念可应用于其他形式的HUD(例如安装在其他形式的车辆中的那些、诸如头盔或护目镜之类的可穿戴平台或其他已知类型的HUD)，以及一般的显示器。

特别地，设想本发明被安装在受限环境中使用，例如可以在陆地上(道路上/越野或轨道上)、海底或海上、空中或太空中操作的车辆。这些示例可以是，但不限于，汽车、公共汽车、卡车、挖掘机、用于重型任务的外骨骼套装、摩托车、火车、主题公园游乐设施；潜艇、轮船、小艇、游艇、喷气式飞机和其他类型的海上交通工具；飞机、滑翔机和其他类型的飞行器、宇宙飞船和航天飞机。另外，该技术可以安装/集成在移动平台中，例如驾驶员/操作员的头部/眼睛保护装置，例如头盔或护目镜。因此，涉及佩戴防护头盔/护目镜的任何活动都可以利用本文所述的发明。这些防护头盔/护目镜可以由摩托车手/自行车手、滑雪者、宇航员、外骨骼操作员、军事人员、矿工、水肺潜水员和建筑工人佩戴，但不限于此。另外，它可以在游戏控制台、街机的独立环境中使用，以及结合外部2D/3D显示器，它可以用作仿真平台。此外，它可以用于机构和博物馆的教育和娱乐目的。

图1示出了当朝向挡风玻璃1投射图像p₀以朝向观察者200的眼睛反射时生成鬼像背后的概念。图像p₀从挡风玻璃1的前表面2和后表面3朝向观察者200反射，导致在第一图像平面上产生主图像p₁以及在第二图像平面上产生鬼像p₂。挡风玻璃1被若干参数表征：挡风玻璃的折射率n、挡风玻璃的厚度d_C和挡风玻璃的倾斜角α。这些因素定义了由挡风玻璃1的前表面2反射的主图像和由挡风玻璃1的后表面3反射的鬼像之间的横向位移δ_y和纵向位移δ_z。这些关系由以下等式给出：

其中，γ是从HUD***10射出的光束的入射角。在实际情况下，纵向位移通常比投影距离小得多，因此观察者不太容易辨别。另一方面，横向位移是观察者能辨别的位移，它只沿垂直方向或y方向存在，如图1所示。这里，垂直方向和水平方向在特定设置中是相对的—如果旋转图1中的透明反射镜和入射光束，有影响的方向会变为水平方向。因此，对观察者影响最大的方向(即横向位移δ_y的方向)被称为主方向，而垂直方向(纵向位移δ_z的方向)被称为次方向。

通过减小投影光束的发散，或者换句话说，将主图像和鬼像定位在长投影距离，使得鬼像和主图像之间的垂直位移的角分辨率低于人眼的角分辨率(观察者将两个图像视为一个)，可以最小化鬼像的横向位移δ_y(以及鬼像对观察者200的可见性)。

人眼所能分辨的最小角分辨率为0.0003。如果我们将图像和观察者之间的视距离定义为d_ei，则根据等式(3)给出鬼像不可见的阈值距离：

对于相对于透明反射镜的入射角为30°、折射率为1.5、挡风玻璃厚度为8mm的给定设置，根据等式(2)，鬼像和主图像的位移可以计算为4.90mm。然后，等式(3)提供了16.33m的阈值投影距离。这也可以从光束发散的预期来理解，其中，沿着主方向的发散几乎是平行的，使得人眼将鬼像和主图像视为一个。

虽然使用这种方法可以有效地去除鬼像，但是所涉及的长投影距离需要具有大放大率的光学***，这可能难以适应设计约束，并且进一步负面地影响观察到的最终图像的质量。特定HUD***(例如汽车行业中的***)也从根本上要求图像被投射到更短的距离(通常在2米左右，以显现在车辆的发动机罩正上方)。因此，设计一种可以适用于更广泛应用的在更宽范围的投射距离上实现无鬼像投影的***具有实用价值。

这是通过使用各向异性光学器件来分离沿着不同方向的图像形成来实现的，使得沿着主方向(对鬼像有影响)在等于或大于阈值距离的投影距离处形成图像；而沿着次方向(其不影响鬼像)，在任何特定的目标距离处形成图像。这里的“各向异性光学器件”是指其光功率与方向相关的任何光学组件，例如柱面透镜、柱面镜或各向异性自由曲面镜或透镜。例如，柱面镜沿着一个方向具有有限的光功率，而沿着垂直方向没有光功率，而各向异性自由曲面镜沿着一个方向具有一个光功率，沿着垂直方向具有另一不同的光功率。

各向异性功率的原理如图2和图3所示，图2和图3描绘了抛物线凹面柱面镜的成像特性。图2(A)描述了对象位于无限远处的情况，图像位于焦点处，导致高度缩小的倒立实像。图2(B)描述了对象位于点C之外的情况，图像位于点C和点F之间，导致缩小的倒立实像。图2(C)描述了对象和图像位于点C的情况，导致与对象大小相同的倒立实像。图2(D)描述了对象位于点C和点F之间的情况，图像位于点C之外，导致放大的倒立实像。柱面镜通常用于在一维聚焦光，其沿着一个方向具有有限曲率，沿着垂直于前述方向的其他方向具有无限曲率。在下面关于抛物线柱面镜的讨论中，具有抛物线曲率的方向被指定为x轴，而具有无限曲率的方向被指定为y轴。因此，沿着x轴的成像遵循抛物面镜的规则，而沿着y轴的成像遵循镜面反射的规则。

图3(a)和3(b)描绘了点源a₀在柱面镜处的成像原理，点源a₀被放置在距离柱面镜2f以外的地方，其中f是柱面镜的焦距。如图所示，a₀的图像形成在f和2f之间的点a₁处。当点源沿着x轴移动到位置b₀时，b₀的图像出现在b₁处。如果长度a₀b₀表示图像的尺寸，则得到了倒立和缩小的图像a₁b₁，如图3(a)所示。考虑从a₀沿着y轴发射的光束，对于所有具有给定角度的光束，它们被柱面镜反射并会聚在点a₂处，如图3(b)所示。对于具有任何其他角度的光束，它们将会聚在a₁a₂延长线上的不同点处，该延长线定义为L_a。因此，点源将被柱面镜成像到一条线上，其中，线上的每个点代表点源的一个特定发射角度。结合图3(a)和图3(b)所示的成像特性，可以推断出沿着x方向的一个线图像将被柱面镜成像到一个平面，而沿着y方向的一个线图像将被成像到一条线。

这种分析可以从点源扩展到一维线对象和二维对象。图3(c)描绘了围绕y轴倾斜的线图像，其具有三个考虑点：c₀、d₀和e₀，三个考虑点发射与z轴成θ角的三个平行光束。这导致由柱面镜形成的具有对应点c₁、d₁和e₁的线的图像。可以看出，虽然c₀、d₀和e₀沿着z轴等间距，但由于沿着y轴的镜面反射和沿着z轴的抛物线透镜效应，c₁、d₁和e₁不再等间距。这里，具有c₁、d₁和e₁的线图像代表发射角θ的特征图像。对于其他角度，c’、d’和e’将是平行光束和线L_c、L_d和L_e的交点。对于图3(d)所示的2D对象，可以看出，对于一个特定的角度，线Lc₀、Ld₀和Le₀将被成像为Lc₁、Ld₁和Le₁。因此，沿着z轴的原来等间距的三条线，每条线的大小相等，被转换为不同大小和间距的线。因此可以观察到，图像形成遵循沿着y轴的镜面反射规则和沿着x和z轴的抛物线透镜规则。

通过对柱面透镜成像特性的分析，可以得出柱面镜沿着y轴(无限曲率的轴)和沿着x轴(有限曲率的轴)和z轴(光传播方向)具有不同的成像特性。对于y轴，它遵循镜面反射的规则，对于x轴和z轴，它遵循曲面的成像的规则(例如，在上面讨论的抛物面镜成像)。正是这种各向异性成像特性是期望的，并且尽管结合柱面镜进行了讨论，本领域技术人员将理解，可以使用任何其他合适的各向异性光学组件，例如柱面透镜或自由曲面透镜。

图4描绘了根据本发明实施例的HUD***10。

HUD***10由PGU100和散射器110(未示出)、柱面透镜130、场透镜120、折叠镜111和传统挡风玻璃1组成。PGU100由投影仪提供，尽管本领域技术人员将理解，可以使用任何合适的光源和成像方式，只要它们能够以下面描述的方式操作。因此，在实施例中，PGU100由激光器和2D扫描镜形成，或者由产生用于在散射器110上形成的计算机生成全息图的全息单元形成。在备选实施例中，PGU100是产生用于在散射器110上形成的三维光场图像的光场单元。数字微镜器件(DMD)、液晶显示器(LCD)器件、硅上液晶(LCoS)显示器、激光投影器、发光二极管(LED)显示器、有机发光二极管(OLED)显示器、量子点发光二极管(QLED)显示器和微发光二极管(μLED)显示器也可用于PGU100中或用作PGU100。本领域技术人员将理解，在DMD、LCoS和LCD实施例中，PGU100还将包括初始光源。相反，包括LED的PGU100将不需要任何另外的发光组件。另外，在DMD、LCoS、LCD或LED、OLED、QLED、μLED实施例中，不需要外部图像实现表面，从而散射器110不存在。

虽然示出的设置采用挡风玻璃1作为透明反射器，但是本领域技术人员将意识到，可以使用有限厚度的任何合适的透明屏幕，例如一对增强现实护目镜的遮阳板，或者透明反射器型HUD的反射器屏幕。

在实施例中，PGU100能够考虑由光通过用于操纵光路的组件的透射所导致的任何失真，使得对用户可见的最终图像被正确地显示。在实施例中，这是通过PGU100中的基于软件的失真校正模块(或者通过与PGU100通信的基于软件的失真校正模块)来实现的，该基于软件的失真校正模块在图像被投射之前将预补偿反向失真施加于数字域中的图像。在实施例中，失真校正模块计算来自投影光学器件和显示器的光学组件的预期失真，并确定必须施加的反向失真，使得对用户可见的最终图像不失真。这允许PGU考虑每个图像的光路中的不对称。这种预补偿失真可以由软件以已知的方式确定。这避免了对任何图像生成后校正以及笨重的校正光学器件的需要。此外，它提供了更高程度的灵活性，可以适应不同的显示表面和光学设置。

在使用中，PGU100将光投射到散射器110上以形成图像。然后，该图像被投射通过柱面透镜130和场透镜120，并由镜111反射，用于将被投射的图像会聚到挡风玻璃1上，被投射的图像在挡风玻璃1上朝向观察者200反射。本领域技术人员将理解，可以使用任何合适的聚焦和放大光学器件，只要它们满足下面列出的要求。在实施例中，场透镜120由菲涅耳透镜提供。在另一实施例中，场透镜120被配置为将来自PGU100的发散光束改变为接***行的光束。尽管所示实施例使用柱面透镜130作为各向异性光学组件，但本领域技术人员将理解，只要其显示出沿着主方向和次方向的不同光学/放大倍数，就可以使用任何合适的光学组件。其他合适的光学组件包括柱面镜、自由曲面镜或自由曲面透镜。本领域技术人员还将理解，柱面透镜130和场透镜120的确切顺序取决于它们的性质(即凹形或凸形)，从而只要它们被定位为截获PGU100发射的光，它们在HUD***10中的相对位置不固定。

虽然所示的***包括单个各向同性透镜(以投射图像超过由等式(3)定义的阈值距离外)和单个各向异性透镜(以改变与鬼像从主图像偏移的横向平面中的方向垂直的次方向上的投影距离)，但是本领域技术人员将理解，每种类型的透镜可以采用多于一个。在实施例中，包括另外的光学组件以补偿光学像差、失真或消色散，从而改善图像质量。

来自PGU100的光通过柱面透镜130和场透镜120并经由镜111透射到挡风玻璃1上的路径被称为光路。本领域技术人员将理解，可以沿着PGU100和场透镜120之间的光路或者场透镜120和挡风玻璃1之间放置任何数量的中间反射器/透镜或其他光学组件，以根据需要操纵光路(例如，最小化HUD***10的整体尺寸)。

根据本发明的一个方面，它使灵活的、可配置的***成为可能，这将导致非特定安装方式减少鬼像。如上所述，通过要求主图像和鬼像之间的角度间隔小于人眼的角分辨率，并相应地实施HUD***，用户高度、显示角度、大小等的变化可以被考虑在内。

图5和图6示出了对于HUD***的观察者来说明显的图像，其中在HUD***中，(a)不存在场透镜120，并且鬼像是明显的，(b)存在场透镜120，并且投影距离足够大，使得鬼像是不可辨别的，以及(c)场透镜120和柱面透镜130都存在，并且图像看起来更靠近观察者200，而鬼像仍然是不可辨别的。同样明显的是图像在一个方向上的扭曲，这是由柱面镜沿着主方向和次方向的不同光学/放大倍数引起的。在实施例中，该扭曲可以通过投射预补偿图像来解决。在实施例中，投射具有沿着一个方向修改后的放大或去放大因子的预补偿图像。在另一实施例中，利用基于泽尼克多项式(Zernike polynomials)的预定网格失真补偿投射图像。

图7示出了HUD***10的备选配置，其包括自由曲面镜111a、柱面镜111b、抛物面镜111c和场透镜对120a。可以看出，使用适当的各向异性镜(例如自由曲面镜111a、柱面镜111b和抛物面镜111c)可以避免对专用各向异性透镜130和/或场透镜120的需要。这对于安装空间受限的应用特别有利。

工作示例

对于标准化的汽车应用，合适的总目标投影距离为2.2米，从而被观察的图像在汽车发动机罩的前侧正上方。典型的挡风玻璃倾斜30°，厚度为6mm，折射率为1.5。驾驶员和挡风玻璃之间的距离为700mm。挡风玻璃和HUD的出瞳之间的距离设置为500mm，眼盒尺寸设置为130mm×50mm，视场角设置为7°×4°。

根据等式(2)，得到的横向位移为4.24mm，这需要大约14米的投影距离以去除鬼像。采用图4的设置(即，单个场透镜120和单个柱面透镜130)。被投射对象(即，由PGU100和散射器(如果存在的话)生成和实现的图像)首先被场透镜130成像，以在远距离处形成虚拟图像(301)。在这种情况下，期望距离d_ei是14米，从而根据d_i＝d_ei-d_v，虚拟图像距离d_i将是12.8米，其中d_v是HUD***的出瞳和观察者之间的距离，在这种情况下是1.2米。将场透镜130的焦距设置为300mm，可以根据等式(3)计算像面与场透镜120之间的距离d_o，

其中，di的负号说明该图像是虚拟图像。这给出了d_o的值为293.13mm。为了将图像投射到距离观察者2.2m的期望距离处，距离出瞳的第二图像距离应该是1m，这通过使用各向异性光学组件(即，在本实施例中的柱面透镜130)来实现。

如图8所示，虚拟图像301由具有300mm的焦距的各向同性场透镜120成像到远距离处(距离观察者14m)。然后，第二虚拟图像302由第二柱面镜130(其具有沿着x方向的抛物线曲率)形成到近距离处(距离观察者2.2m)。由于柱面透镜130具有各向异性成像特性，因此仅改变沿着x方向的光束发散，保持沿着y方向的光束发散不变。由于鬼像仅沿着y方向出现，并且沿着y方向的光束发散被设计为高度平行，使得两个像素对观察者的角分辨率小于人眼的限制值，所以即使第二虚拟图像302被投射在比d_ei短的距离处，观察者也不会观察到鬼像。

为了以14米的投影距离投射图像，生成的对象应该位于距离具有300mm焦距的场透镜130 293mm的地方。如图8所示，引入柱面透镜130以沿着x方向将第一虚拟图像301成像到第二虚拟图像302。为了实现这一点，在场透镜120之后采用凸柱面透镜。如果场透镜120和凸柱面透镜130之间的距离设置为20mm，则凸柱面透镜的功能是将放置在12820mm处的对象成像到放置在柱面透镜同侧的1020mm处的图像。这提供了d_o＝12820mm，d_i＝-1020mm，以及根据透镜功能的焦距值-1108mm。在实施例中，如果是图9所示的设置的话，可在光学对象和透镜之间采用折叠镜111，以减小包装体积。

图10、11和12示出了对比设置的Zemax仿真结果，其中，眼盒设置为130mm×50mm，仿真波长为587.6nm，视场角设置为7°(水平)×4°(垂直)。从Zemax仿真结果来看，图像被投射到距离观察者2.2米的地方，尺寸为H268mm×V150mm，相当于视场角为H7°×V4°。该***的图像失真率较低，为-0.62％，但由于使用了柱面透镜，***沿着水平方向和垂直方向的放大倍数不同。从图11(b)所示的仿真结果来看，沿着水平方向的光学放大倍数为3.6，而沿着垂直方向的光学放大倍数为6.1。因此，如果投射具有正常比率的图像，观察者看到的结果图像将看起来沿着水平方向被压缩。为了获得具有正确比率的被投射图像，可以使用预补偿目标图像。在该特定实施例中，需要调整再补偿目标图像的大小，使得水平尺寸与垂直尺寸的比率为1.7(6.1/3.6＝1.7)。

总之，遵循本发明的原理设计了GIF HUD***，它满足2.2米投影距离和H7°×V4°FOV的标准规范。

多深度图像

汽车HUD***中的流行趋势是，显示器包括由多个层或部分形成的复合图像，每个层或部分具有不同的投影距离，其中图像的第一层被投射到短距离，用于在城市驾驶区域中舒适观看，以及第二图像层被投射到较远距离，用于在农村驾驶区域中舒适观看。同样的原理也可以用于模拟HUD上的3D图像。

图13描绘了被设计为实现上述多层效果的HUD***的实施例，其中，图像的第一层或部分被投射到2.2米，而第二层或图像部分被投射到14米。

***参数与上面描述关于图8和9中的任意一个的参数相同，HUD***10的设置也是如此。通过限制使用中的凸柱面透镜130的尺寸来实现2层投影。与图8的实施例一样，场透镜120用于在14米以外投射整个图像。凸柱面透镜130被布置为使得它仅截获来自图像下部的光。由于柱面透镜130的各向异性成像特性，下部将被成像到2米处，而由眼盒从图像的上部接收的光(其没有通过凸柱面透镜130)将保持在14米的投影距离。

仿真结果如图14、15和16所示。如前所述，可以看出，由于柱面透镜130的各向同性放大，图像的下部将沿着水平方向被压缩，这需要预先补偿。然而，由于上部图像是用理想正常透镜形成的，所以它沿着不同方向具有相同的放大倍数，并且不需要补偿。

因此，提供了根据本发明一个方面的HUD***10。

Claims (22)

1.一种用于提供无鬼像抬头显示器的图像生成***，所述***包括：

显示屏，所述显示屏具有前表面和后表面；

图片生成单元，用于朝向所述显示屏投射图像以朝向眼盒反射；

场透镜；以及

各向异性光学组件，所述各向异性光学组件具有沿着第一轴的第一光功率和沿着第二轴的第二光功率，其中，所述第一轴和所述第二轴是垂直的，

其中，所述图片生成单元被配置为投射光使其通过所述场透镜，使得光入射到所述显示屏的所述前表面上，形成第一虚拟图像，其中，所述光的一部分透射所述显示屏并且入射到所述显示屏的所述后表面上，形成第二虚拟图像，其中，所述第一虚拟图像和所述第二虚拟图像沿着所述第一轴偏移，

其中，所述场透镜被配置为在第一投影距离处投射所述第一虚拟图像，并且在第二投影距离处投射所述第二虚拟图像，使得所述偏移低于阈值幅度，并且从所述眼盒观看时，所述第一虚拟图像和所述第二虚拟图像基本上重叠，

其中，所述各向异性光学组件被配置为仅沿着所述第二轴放大所述第一虚拟图像和所述第二虚拟图像。

2.根据前述权利要求中任一项所述的图像生成***，其中，所述场透镜被配置为在所述第一投影距离和所述第二投影距离处投射所述第一虚拟图像和所述第二虚拟图像，使得所述第一虚拟图像和所述第二虚拟图像之间的所述偏移低于阈值角分辨率。

3.根据权利要求2所述的图像生成***，其中，所述阈值角分辨率等于像素的尺寸。

4.根据权利要求2所述的图像生成***，其中，所述阈值角分辨率等于人眼的角分辨率。

5.根据前述权利要求中任一项所述的图像生成***，其中，所述各向异性光学组件由自由曲面镜、自由曲面透镜、柱面镜或柱面透镜中的一个提供。

6.根据前述权利要求中任一项所述的图像生成***，其中，所述场透镜由凹面镜、自由曲面、菲涅耳透镜、波导、衍射光学元件、全息光学元件或一个或多个锥形光纤中的一个提供。

7.根据前述权利要求中任一项所述的图像生成***，其中，所述图片生成单元包括光源和空间光调制器。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的图像生成***，其中，所述图片生成单元包括投影仪和用于实现投影图像的散射器。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的图像生成***，其中，所述图片生成单元包括激光器和2D扫描镜。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的图像生成***，其中，所述图片生成单元包括用于产生计算机生成全息图的全息单元和用于实现所述全息图的散射器。

11.根据权利要求1至6中任一项所述的图像生成***，其中，所述图片生成单元包括LCD器件、LED器件、微LED器件、OLED器件或数字光处理数字微镜器件中的一个或多个。

12.根据前述权利要求中任一项所述的图像生成***，所述***还包括在所述图片生成单元、所述场透镜、所述显示屏和/或所述各向异性光学组件中的任一个之间的中间光学器件。

13.根据权利要求12所述的图像生成***，其中，所述中间光学器件包括折叠镜、波导、衍射光学元件或全息光学元件中的一个。

14.根据前述权利要求中任一项所述的图像生成***，所述***还包括与所述图片生成单元通信的图像处理器，其中，所述图像处理器被配置为考虑由光学设置引起的失真，使得所述图像在所述显示屏上看起来不失真。

15.根据前述权利要求中任一项所述的图像生成***，其中，所述抬头显示器的所述显示屏是车辆的挡风玻璃。

16.根据前述权利要求中任一项所述的图像生成***，其中，所述场透镜、投影单元、各向异性光学组件和/或中间光学组件(如果存在的话)中的一个或多个相对于彼此是可移动的。

17.根据前述权利要求中任一项所述的图像生成***，其中，所述图像包括第一区域和第二区域，其中，所述***被布置为使得所述第一区域和第二区域被投射通过所述场透镜，而仅所述第二区域被投射通过所述各向异性光学组件。

18.一种用于提供无鬼像抬头显示器的方法，所述方法包括：

在图片生成单元处生成图像，所述图像将被渲染在显示屏上以朝向预定眼盒反射，所述显示屏具有前表面和后表面；

在所述图片生成单元和所述显示屏之间提供场透镜；

在所述图片生成单元和所述显示屏之间提供各向异性光学组件，所述各向异性光学组件具有沿着第一轴的第一光功率和沿着第二轴的第二光功率，其中，所述第一轴和所述第二轴是垂直的，

其中，入射到所述显示屏的所述前表面上的光的一部分被反射，形成第一虚拟图像，并且所述光的一部分透射所述显示屏并且入射到所述后表面上，形成第二虚拟图像，其中，所述第一虚拟图像和所述第二虚拟图像沿着所述第一轴偏移；

配置所述场透镜在第一投影距离处投射所述第一虚拟图像，并且在第二投影距离处投射所述第二虚拟图像，使得所述偏移低于阈值幅度，并且从所述眼盒观看时，所述第一虚拟图像和所述第二虚拟图像基本上重叠，以及

配置所述各向异性光学组件仅沿着所述第二轴放大所述第一虚拟图像和所述第二虚拟图像。

19.根据权利要求18所述的方法，所述方法还包括：在所述第一投影距离和所述第二投影距离处投射所述第一虚拟图像和所述第二虚拟图像，使得所述第一虚拟图像和所述第二虚拟图像之间的所述偏移低于阈值角分辨率。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述阈值角分辨率等于像素的尺寸。

21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述阈值角分辨率等于人眼的角分辨率。

22.根据权利要求18至21中任一项所述的方法，其中，所述图像包括第一区域和第二区域，并且所述方法还包括布置所述图片生成单元、所述场透镜和所述各向异性光学组件的步骤，使得所述第一区域和所述第二区域被投射通过所述场透镜，而仅所述第二区域被投射通过所述各向异性光学组件。