CN105334629B - 光学成像系统、三维显示系统和车载三维显示系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光学成像系统、三维显示系统和车载三维显示系统。其中，光学成像系统包括：显示屏，包括用于显示第一图像的第一显示部和用于显示第二图像的第二显示部；第一光学成像单元，用于生成第一图像的第一反射像和第二图像的第一反射像；以及第二光学成像单元，用于将第一图像的第一反射像和第二图像的第一反射像重叠生成第三像，并对第三像放大生成第四像。按照本申请的方案，可以将二维显示图像通过光学处理，生成人眼可直接观察的三维图像。

Description

光学成像系统、三维显示系统和车载三维显示系统

技术领域

本公开一般涉及显示技术，具体涉及三维显示技术，尤其涉及光学成像系统、三维显示系统和车载三维显示系统。

背景技术

平视显示器(Head Up Display，简称HUD)利用反射将重要信息投射在例如汽车挡风玻璃的透反镜的与观察者相异的一侧，当驾驶员或其他观察者透过挡风玻璃往前方看的时候，能够将外界的景象与HUD显示的资料融合在一起，从而无需低头就可以获得重要的信息。

发明内容

本申请提供了一种光学成像系统、三维显示系统和车载三维显示系统，可以将二维显示图像通过光学处理，生成人眼可直接观察的三维图像。

本申请实施例提供了一种光学成像系统，包括：

显示屏，包括用于显示第一图像的第一显示部和用于显示第二图像的第二显示部；第一光学成像单元，用于生成所述第一图像的第一反射像和所述第二图像的第一反射像；以及第二光学成像单元，用于将所述第一图像的第一反射像和所述第二图像的第一反射像重叠生成第三像，并对所述第三像放大生成第四像。

本申请实施例还提供了一种包含光学成像系统三维显示系统。

本申请实施例还提供了一种包含光学成像系统的车载三维显示系统。

本申请实施例提供的方案，可以在恰当的位置生成可直接由人眼观察的三维图像。

在一些实现方式中，可以利用一片显示屏(例如，LCD显示屏)来实现最终三维图像的显示，降低了三维图像合成的难度，减小了系统的串扰。

在本申请的车载三维显示系统的一些实现方式中，将汽车挡风玻璃作为光学成像系统的透反镜，可以将三维图像呈现在挡风玻璃前方，方便驾驶员查看三维图像中的相关信息。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出了申请人较早研究中提出的反射式HUD的示意性结构图；

图2示出了根据本申请一个实施例的光学成像系统的示意性结构图；

图3示出了根据本申请一个实施例的第一光学成像单元的示意性结构图；

图4示出了根据本申请一个实施例的第二光学成像单元的示意性结构图；

图5示出了根据本申请另一实施例的光学成像系统的示意性结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示，为申请人在较早的研究中提出的一种使用LCD显示器的反射式HUD光学方案。LCD显示器110上显示的图像经平面镜120、凹面镜130和透反镜140反射后，在透反镜后方成放大的虚像160，观察者150可以观察到包含了LCD显示器110上显示的内容的虚像160。虚像160与LCD显示器110显示内容之间的放大倍数及虚像160的成像位置由平面镜120、凹面镜130和透反镜140的相关参数以及相对位置关系来决定。

然而，如上所述的现有技术中，最终形成的放大虚像160是二维图像，不能形成三维图像。

参见图2所示，为本申请一个实施例的光学成像系统的示意性结构图。

在该实施例中，光学成像系统包括显示屏10、第一光学成像单元20和第二光学成像单元30。

显示屏10可包括用于显示第一图像L的第一显示部11和用于显示第二图像R的第二显示部12。或者，在一些实现方式中，显示屏10的两个显示部(11、12)可实现为两个独立的显示屏，该两个独立的显示屏可以具有与第一显示部11和第二显示部12的相对位置关系相同的相对位置关系。例如，该两个独立的显示屏可以位于同一平面内，且相互紧贴。

第一光学成像单元20可用于生成第一图像L的第一反射像L1和第二图像的第一反射像R1。

第二光学成像单元30可用于将第一图像的第一反射像L1和第二图像的第一反射像R1重叠生成第三像D3，并对第三像D3放大生成第四像D4。

在一些实现方式中，第一图像L和第二图像R可以分别是可直接由人眼合成三维显示效果的图像中的左眼图像和右眼图像。第一光学成像单元20可以将第一图像L和第二图像R反射到恰当的位置形成第一图像的第一反射像L1和第二图像的第一反射像R1，从而使第二光学成像单元30能够将第一图像的第一反射像L1和第二图像的第一反射像R1合成，形成可直接由人眼合成三维显示效果的第三像D3，并将第三像D3放大形成第四像D4。

在这些实现方式中，由于第四像D4是由第三像D3直接放大生成的，因而第四像D4也是可直接由人眼合成三维显示效果的图像。

在一些实现方式中，显示屏10的形状可以为轴对称，第一显示部11和第二显示部12分别位于显示屏的对称轴的两侧。

显示屏10包括第一面和与第一面相对的第二面，第一面为显示面，即可显示第一图像L和第二图像R的面。

在这里需要说明的是，图2所示的显示屏10、第一光学成像单元20、第二光学成像单元30的相对位置关系是示意性的，也即是说，无论显示屏10、第一光学成像单元20、第二光学成像单元30出于何种相对位置关系，只要其实现了与本实施例相同的功能，即被视为落入本实施例的范围之内。

此外，还需要说明的是，图2所示第一图像的第一反射像L1、第二图像的第一反射像R1、第三像D3和第四像D4的位置仅用于示意性地描述本实施例各组成部件的功能和各组成部件之间的关联，在实际应用中，第一图像的第一反射像L1、第二图像的第一反射像R1、第三像D3和第四像D4的位置可由显示屏10、第一光学成像单元20、第二光学成像单元30之间的相对位置和相关参数来具体地限定。

在一些实现方式中，第一光学成像单元20可通过超过一次的反射和/或透射来生成第一图像的第一反射像L1和第二图像的第一反射像R1。在这些实现方式中，例如，第一光学成像单元20可先反射第一图像L和第二图像R并生成第一图像的第二反射像L2和第二图像的第二反射像R2，接着，再反射第一图像的第二反射像L2和第二图像的第二反射像R2并生成第一图像的第一反射像L1和第二图像的第一反射像R1。

参见图3所示，为根据本申请一个实施例的第一光学成像单元的示意性结构图300。

如图3所示的第一光学成像单元包括第一直角平面镜301和第二直角平面镜302。

直角平面镜，是指由二平面镜直角连接构成的光学元件。每个直角平面镜包括了两个互相垂直的平面镜，二平面镜的交线，即为直角平面镜的直角边。

第一直角平面镜301的反射面与显示屏10的第一面相对，第一直角平面镜301的角平分面与显示屏10垂直，显示屏10的对称轴31位于第一直角平面镜301的角平分面内，且第一直角平面镜301的直角边与显示屏30相接触。

继续参照图3所示，第二直角平面镜302的反射面与显示屏10的第二面相对，且第二直角平面镜302的角平分面与第一直角平面镜301的角平分面重合。

在一些实现方式中，第一直角平面镜可以反射第一图像L和第二图像R，并生成第一图像的第二反射像L2和第二图像的第二反射像R2，然后，第二直角平面镜再分别反射第一图像的第二反射像L2和第二图像的第二反射像R2，并生成第一图像的第一反射像L1和第二图像的第一反射像R1。

在一些实现方式中，第二光学成像单元用于将第一图像的第一反射像和第二图像的第一反射像重叠生成第三像。并对第三像放大生成第五像，然后，再将第五像透射生成第四像。通过对第五像进行透射，可以将最终欲显示的像(即第四像)放置到符合实际需求的位置上，从而便于观察者的观看。

参见图4所示，为根据本申请一个实施例的第二光学成像单元的示意性结构图400。

如图4所示的第二光学成像单元可以包括直角平面镜组410、凹面反射镜420和透反镜430。

直角平面镜组，为由至少两个直角平面镜组合而成的光学元件。每个相邻直角平面镜垂直相交，也即是说，各相邻的平面镜相互垂直。

直角平面镜组410的反射面与显示屏的第一面相对，直角平面镜组410包括四个平面镜，任意二相邻平面镜相互垂直，且任意二相邻平面镜的交线与显示屏的对称轴平行。

在这里，直角平面镜组410例如可以用于将第一图像的第一反射像L1和第二图像的第一反射像R1重叠生成第三像D3。

需要说明的是，尽管本实施例中采用了由两个直角平面镜垂直相交形成的直角平面镜组410来生成第三像D3，在一些实现方式中，也可以采用两个相互垂直的直角平面镜来实现本实施例中直角平面镜组410的功能。

继续参照图4，凹面反射镜420的光轴位于第一光学成像单元中的第一直角平面镜的角平分面内。

在一些实现方式中，凹面反射镜420的光轴与垂直平面的夹角可以处于45°～89°范围之内。

参见图5所示，为本申请另一实施例的光学成像系统的示意性结构图500。

在本实施例中，第一光学成像单元可以采用如图3所示的结构，第二光学成像单元可以采用如图4所示的结构。

具体而言，显示屏501上显示有第一图像L和第二图像R。第一图像L和第二图像R经第一光学成像单元中的第一直角平面镜502反射形成第一图像的第二反射像L2和第二图像的第二反射像R2。

接着，第一光学成像单元的第二直角平面镜503反射第一图像的第二反射像L2和第二图像的第二反射像R2，并生成第一图像的第一反射像L1和第二图像的第一反射像R1。

接着，第二光学成像单元的直角平面镜组504将第一图像的第一反射像L1和第二图像的第一反射像R1重叠生成第三像D3。

接着，第二光学成像单元的凹面反射镜505对第三像D3放大生成第四像D4，然后第二光学成像单元的透反镜506透射第四像D4并生成第五像D5。

在一些实现方式中，显示屏501上显示的第一图像L和第二图像R可以分别为可直接由人眼观察的三维图像中的左眼图像和右眼图像。那么生成的的第三像D3、第四像D4和第五像D5均为可直接由人眼观察的三维图像。

当观察者的左右眼分别位于Vl和Vr位置时，观察者便可以观察到具有三维显示效果的第五像D5。

此外，第二光学成像单元中的凹面反射镜505与竖直方向的夹角可以根据透反镜和观察者的位置进行调整，以使观察者可以在适当的位置观察到第五像D5。

此外，为了保证第四像D4为第三像D3的放大虚像，在一些实现方式中，例如，可以适当选取第二光学成像单元中的凹面反射镜505的焦距，使得凹面反射镜505的焦距大于第三像D3到凹面反射镜505的距离。

此外，本申请还公开了一种三维显示系统，包含如上所述的光学成像系统。

此外，本申请还公开了一种车载三维显示系统，包括上所述的光学成像系统。在车载三维显示系统的一些实现方式中，例如，透反镜可以是汽车的挡风玻璃。这样一来，可以在挡风玻璃前生成一可直接由人眼观察的三维图像，从而方便驾驶员及乘客获取相应的显示信息。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (14)

1.一种光学成像系统，包括：

显示屏，包括用于显示第一图像的第一显示部和用于显示第二图像的第二显示部，所述显示屏包括第一面和与所述第一面相对的第二面，所述第一面为显示面；

第一光学成像单元，包括第一直角平面镜和第二直角平面镜，所述第二直角平面镜的反射面与所述显示屏的第二面相对，且所述第二直角平面镜的角平分面与所述第一直角平面镜的角平分面重合，用于生成所述第一图像的第一反射像和所述第二图像的第一反射像；以及

第二光学成像单元，用于将所述第一图像的第一反射像和所述第二图像的第一反射像重叠生成第三像，并对所述第三像放大生成第四像。

2.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述显示屏的形状为轴对称，所述第一显示部和所述第二显示部分别位于所述显示屏的对称轴的两侧。

3.根据权利要求1或2所述的光学成像系统，其中：

所述第一光学成像单元用于反射所述第一图像和所述第二图像并生成所述第一图像的第二反射像和所述第二图像的第二反射像。

4.根据权利要求3所述的光学成像系统，其中：

所述第一光学成像单元还用于反射所述第一图像的第二反射像和所述第二图像的第二反射像并生成所述第一图像的第一反射像和所述第二图像的第一反射像。

5.根据权利要求1所述的光学成像系统，其中：

所述第一直角平面镜的反射面与所述显示屏的第一面相对，所述第一直角平面镜的角平分面与所述显示屏垂直，所述显示屏的对称轴位于所述第一直角平面镜的角平分面内，且第一直角平面镜的直角边与所述显示屏相接触。

6.根据权利要求1或2所述的光学成像系统，其中：

所述第二光学成像单元用于将所述第一图像的第一反射像和所述第二图像的第一反射像重叠生成第三像，并对所述第三像放大生成第五像。

7.根据权利要求6所述的光学成像系统，其中：

所述第二光学成像单元还用于将所述第五像透射生成所述第四像。

8.根据权利要求1或2所述的光学成像系统，其中：

所述第二光学成像单元包括直角平面镜组、凹面反射镜和透反镜。

9.根据权利要求8所述的光学成像系统，其中：

所述直角平面镜组的反射面与所述显示屏的所述第一面相对，所述直角平面镜组包括四个平面镜，任意二相邻平面镜相互垂直，且任意二相邻平面镜的交线与所述显示屏的对称轴平行。

10.根据权利要求8所述的光学成像系统，其中：

所述凹面反射镜的光轴位于所述第一直角平面镜的角平分面内。

11.根据权利要求8所述的光学成像系统，其中：

所述凹面反射镜的光轴与垂直平面的夹角处于45°～89°范围之内。

12.根据权利要求6所述的光学成像系统，其中：

所述第三像为三维图像；以及

所述第一图像与所述第二图像分别为三维图像中左眼图像和右眼图像的其中一者。

13.一种三维显示系统，包含如权利要求1-12任意一项所述的光学成像系统。

14.一种车载三维显示系统，包括如权利要求1-12任意一项所述的光学成像系统以及透反镜。