CN108061968B - 一种抬头显示装置及显示图像校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抬头显示装置及显示图像校正方法，涉及计算机技术领域，主要目的在于通过像差调整装置动态调节HUD系统中光学中继系统与汽车挡风玻璃的适配性，提高HUD系统的通用性。本发明主要的技术方案为：图像源，为发射显示图像的光源；光传输单元，用于传输包含成像畸变信息的检测光线；传感器，用于接收所述检测光线并将所述检测光线转换为波前误差图像；校正电路，用于接收所述波前误差图像，根据所述波前误差图像对所述图像源发射的显示图像进行校正。

Description

一种抬头显示装置及显示图像校正方法

技术领域

本发明涉及车载显示设备技术领域，尤其涉及一种抬头显示装置及显示图像校正方法。

背景技术

抬头显示(head up display，HUD)又称作平视显示，最早以雷达瞄准和光学瞄准为基础用于战斗机领域。20世纪90年代由通用汽车推出第一款车平视显示系统后，逐步在汽车领域获得广泛应用。HUD将驾驶员所需要的仪表盘信息和周围环境信息投射到司机前方挡风玻璃的合适位置处，从而保证驾驶员不需要低头即可判断车速、油量等信息，避免因为频繁抬头、低头造成的安全隐患，降低司机安全风险。

目前，车载的HUD系统主要包括四个部分：图像源，光学中继系统、驾驶员和挡风玻璃。由图像源生成所要显示的图像，并以一定的发散角传输到光学中继系统中，再通过由光学中继系统中一系列光学器件所组成的光路将该图像照射到挡风玻璃上，最后驾驶员眼球接收到图像的光线后，沿光线来源方向即可在挡风玻璃前方形成虚像，具体可参见图1中所示的现有HUD系统的成像示意图。由于图像的传播主要依赖于光学中继系统，以及挡风玻璃所构成的光路，而对于挡风玻璃而言，不同品牌、不同型号的车型其所使用的挡风玻璃都存在曲率的差异，为了让图像能够清晰的显示，HUD系统就要针对不同的汽车厂商去适配具有不同曲率的挡风玻璃，为此，就需要对光学中继系统中的光学器件进行对应的调整，导致车载HUD系统的通用性降低，生产成本提高，不利于HUD系统的应用推广。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种抬头显示装置及显示图像校正方法，主要目的在于通过像差调整装置动态调节HUD系统中光学中继系统与汽车挡风玻璃的适配性，提高HUD系统的通用性。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一方面，本发明提供一种抬头显示装置，具体包括：

图像源，为发射显示图像的光源；

光传输单元，用于传输包含成像畸变信息的检测光线；

传感器，用于接收所述检测光线并将所述检测光线转换为波前误差图像；

校正电路，用于接收所述波前误差图像，根据所述波前误差图像对所述图像源发射的显示图像进行校正。

另一方面，本发明提供一种显示图像校正方法，用于调整抬头显示装置中存在的系统像差，具体包括：

利用光传输单元将包含成像畸变信息的检测光线传输至传感器；

由传感器将所述检测光线转换为波前误差图像，并发送所述波前误差图像至校正电路；

所述校正电路计算所述波前误差图像与预置图像的误差；

根据所述误差调整图像源发射的显示图像的像差。

借由上述技术方案，本发明提供的一种抬头显示装置及显示图像校正方法，主要是将现有的HUD系统中的图像源更换为具有像差调节功能的图像源，并增加传感器以及校正电路，用以检测图像源所发出的显示图像在驾驶员眼中存在的像差，并计算该像差的校正系数反馈至图像源，使得图像源能够根据该校正系数实时地对所发出的显示图像加以调整，达到驾驶员的最佳观看效果。由于该抬头显示装置具有自主的像差调节功能，使得HUD系统中的光学中继系统无需适配汽车的挡风玻璃，而是通过调节图像源来补偿系统像差，因此，该抬头显示装置就具有了极高的通用性，能够适用于所有具有挡风玻璃的汽车。同时，由于是对HUD系统中的图像源进行的像差调整，并不涉及对系统硬件，尤其是光学元器件的调整，如此也极大降低了HUD系统的生产加工成本，有利于扩展HUD系统的广泛应用。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了现有抬头显示装置的成像示意图；

图2示出了本发明实施例提出的抬头显示装置的组成框图；

图3A示出了传感器显示理想平面波前的成像效果图；

图3B示出了传感器显示误差波前的成像效果图；

图4示出了本发明实施例提出的另一种抬头显示装置采用双光源的结构示意图；

图5示出了本发明实施例提出的另一种抬头显示装置采用双光源的结构示意图；

图6示出了本发明实施例提出的另一种抬头显示装置采用双光源的结构示意图；

图7示出了传感器调节焦距的示意图；

图8示出了本发明实施例提出的一种显示图像校正方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明实施例提供了一种抬头显示装置，该HUD系统相较于现有的抬头显示系统而言，主要是增加了对显示图像像差的自主检测与调整的装置，而对于现有的HUD系统，如图1所示，其中的光学中继系统虽然采用了离轴反射式系统，但也存在有球差、彗差、场曲、像散等单色像差，需要通过设计特殊面型的非球面或者自由曲面反射镜来矫正离轴像差，而这种非球面或者自由曲面反射镜在加工难度和安装精度上都要求较高。并且，该光学中继系统还需要与车辆的挡风玻璃相配合来实现成像，而由挡风玻璃的曲率所引起的像散也会影响在驾驶员眼中的成像，对此的调整则需要针对不同车型的挡风玻璃进行逐一适配，导致不同挡风玻璃的车型需要单独适配一款对应的HUD系统，极大提高了生成的成本。为此，本发明实施例所提出的抬头显示装置，是在现有的HUD系统的基础上，增加了对成像图像的像差检测及调整装置，并且将图像源更换为具有像差调节功能的图像源或图像生成系统，以此实现动态调整图像的像差，并且自适应不同车型的挡风玻璃，使得本发明实施例采用的抬头显示装置能够适配更多车型的挡风玻璃，为驾驶员提供更加稳定的成像显示效果。

具体构成本发明实施例所采用的抬头显示装置的主要组成部件，如图2所示，包括有：图像源21、光传输单元22、传感器23和校正电路24。

其中，图像源21为发射显示图像的光源，其发射的图像光线将通过光传输单元22发射至车辆的挡风玻璃上，最终入射到驾驶员眼中。其与现有的图像源的主要区别在于该图像源21具有像差调节功能，具体到本发明实施例中，该图像源的像差调节功能不限定是其自身所具有的功能，或者是通过将像差调节装置设置在图像源中使其具有像差调节功能，由于具有像差调节功能的光源已在医学的视力检测领域以及光学实验领域得到应用，因此，本发明实施例不再针对该像差调节的具体原理进行分析。

光传输单元22，主要用于构建显示图像的传输光路，这与现有HUD系统中的光学中继系统所实现的功能相同，主要由一系列的光学元器件所组成，具体的光路结构会在下面的内容中进行具体说明。而在本发明实施例中，该光传输单元22所具有的另一主要功能是将包含成像畸变信息的检测光线传输至传感器23，其中，检测光线在本发明实施例中是与显示图像通过同样的光路射入到驾驶员眼中，并通过驾驶员眼睛的反射按照原光路返回至HUD系统的光传输单元22中，并通过该光传输单元22将所返回的检测光线传输至传感器23中。

传感器23，用于接收光检测光线并将该检测光线转换为波前误差图像，再将该波前误差图像发送至校正电路24，其中，该传感器23根据所采用的传感器不同，其对检测光线的具体转换方式也有所不同，目前，针对波前测量的常用传感器主要有微透镜阵列波前传感器，全息波前传感，光场相机，复场传感器等，由于上述的波前传感器在实际应用中已有广泛应用，因此，以下仅针对微透镜阵列波前传感器的转换方式进行举例说明：

首先，传感器23采用微透镜阵列波前传感器，由微透镜阵列microlens array和面阵相机camera sensor组成，其中，面阵相机按照微透镜阵列的排布相应的构成成像阵列单元，用于显示不同微透镜所透射的检测光线，具体如图3A、图3B所示的波前成像，其中，图3A示出的为理想平面波前Perfect Wavefront通过微透镜聚焦到面阵相机中的成像效果，可见，面阵相机阵列的聚焦点是有规律的排布在各面阵相机成像的中心，当然，根据面阵相机的具体设置，这些聚焦点也可以是在面阵相机成像的死角边缘处，具体在本实施例中不做限定。与图3A相对应的，图3B则示出的是针对存在像差的误差波前Distorted Wavefront通过微透镜聚焦到面阵相机中的成像效果，从图中可以看出，存在误差的波前通过面阵相机的成像是杂乱排布的。

之后，传感器23将检测光线所生成的由面阵相机阵列得到的图像，即波前误差图像，发送至校正电路24。

校正电路24，主要用于根据波前误差图像计算像差校正系数，并将该像差校正系数发送至图像源21，由该图像源21根据该像差校正系数调整显示图像的像差。而对于校正电路24对波前误差图像的计算、控制操作则主要通过波前重建电路、像差分析电路、像差校正电路以及图像调整电路实现，其中，波前重建电路用于将传感器发送的波前误差图像转换为所述检测光线的实际波前，再由像差分析电路根据该实际波前计算其与理想波前的像差系数，根据所述像差系数由像差校正电路通过预置的校正算法计算用于校正图像源相位的像差校正系数，最终由图像调整电路根据像差校正系数计算图像源发射显示图像的相位调整参数，并将相位调整参数发送至图像源，以便由图像源调整所发射的显示图像的像差。其中，像差系数用于描述实际波前与理想波前的误差程度，而像差校正系数则是用于对图像源所发射显示图像进行像差调整的参数。像差校正系数是基于像差系统通过具体的校正算法计算得到的参数，两者并不相同。

具体的，以上述微透镜阵列波前传感器组成的传感器为例，像差校正系数是对波前误差图像中各聚焦点与理想位置的偏差进行计算，其中理想位置根据设置的不同可以是中心或者是四角边缘处，经过综合计算出误差量的误差系数后，再通过相应的像差校正算法得到该像差校正系数。针对具体的像差校正系数的计算过程，由于其在光学实验室及医学眼科的设备中实现了具体应用，因此，本实施例中不再对具体计算原理的具体过程进行详细说明，其中，对于误差系数的计算可以通过计算聚焦点与理想位置的质心偏移量而得到实际波前与理想波前的误差波前，该误差波前可以标识为实际波前偏离光轴的角度，从而通过常用的波前系数表示方式，如泽尼克多项式(Zernike Polynomials)、塞德尔象差(Seidel Aberration)等，来表示误差波前，并计算出对应的像差系数，再根据预置的像差校正算法，如纯积分控制、最小拍控制、基于卡曼滤波的线性二次高斯控制等，计算出对应的像差校正系数，并最终用于控制图像源发射显示图像的相位。

以上，针对本实施例中提出的抬头显示装置中与像差调节相关的组件进行了具体说明，据此，可以看出该HUD系统是能够通过检测光线来实现对图像源所发射的显示图像的像差进行实时动态的调整，以使驾驶员更够更清晰的看到相应的显示图像。

基于上述的抬头显示装置可以看出，该HUD系统之所以能够对显示图像进行像差的调整，除了其具有的传感器23以及校正电路24对检测光线的波前测量以及计算外，还在于该HUD系统的光传输单元22能够有效的从驾驶员眼中将检测光线传输至传感器23，因此，针对该光传输单元22，以下将通过具体的光学器件的组成来说明该光传输单元是如何传输检测光线的。

针对检测光线的来源不同，以下将分别说明采用独立检测光源时光传输单元的结构以及采用图像源作为检测光源时光传输单元的结构：

1、对于采用独立检测光源的光传输单元，其主要结构如图4所示，HUD系统的光传输单元中主要包括：检测光源31、反射镜32、分色镜33、分光镜34。

由于图像源21用于图像显示，其光源一般是由RGB三色光源组成，而为了区别其生成的光波，检测光源31采用近红外光源，用于发射近红外光，作为检测光线。为了进一步的提高该检测光源所发射的检测光线对图像源21所发射的显示图像的波前误差测量精度，还可以将该检测光源31发射检测光线的发射角设置为与图像源21中心位置光源发射角相一致，以确保两个光源所发射的光线在光传输单元的光传输路径相同。

反射镜32，用于反射图像源21发射的显示图像以及检测光源31发射的近红外光，将光线反射至挡风玻璃，再由挡风玻璃将光线反射至驾驶员眼中。而驾驶员的眼睛在接收显示图像以及检测光线的同时，也能够将这些光线的一部分再原路反射回来，也就是按照挡风玻璃、反射镜32所组成的光路反射回来。

对于反射回来的光线，其中有用的部分就是检测光线，因此，光传输单元中通过设置分色镜33与分光镜34，将反射回来的检测光线传输至传感器23中，具体的设置方式为：

分色镜33设置在图像源21与反射镜32之间，一方面，用于将图像源21发射的显示图像反射至反射镜32，另一方面，用于将反射回来的光线按照波长进行有选择性的透射，也就是区分开显示图像的光线与检测光线，本实施例中，不具体限定是反射检测光线或者是透射检测光线，而根据图4所示，是透射检测光线，而反射显示图像的光线。

分光镜34设置在反射镜32、检测光源31以及传感器23之间，由于分光镜可以通过反射与透射的方式传播光线，因此，一方面，分光镜34可以用于将检测光源31发射的检测光线反射或透射至所述反射镜32，另一方面，还可以用于将反射镜32所反射的检测光线透射或反射至传感器23。

其中，分色镜33与分光镜34的具体外形以及在光传输单元22中的具体位置则需要根据图像源21、检测光源31、反射镜32以及传感器23的分布位置具体设置，以满足上述的光线传输要求。

在图4所示的光传输单元22中，分色镜33与分光镜34是依次设置在反射镜32与传感器23之间的，而在具体实际应用中，则是不限定分色镜33与分光镜34的相对位置的，也就是说，在反射镜32与传感器23之间也可以依次设置分光镜34与分色镜33，具体如图5所示，而这两种设置方式的区别在于：

当分色镜33设置在反射镜32与分光镜34之间时，反射镜32所反射回来的检测光线是将经过分色镜33的透射后，射入分光镜34，再由分光镜34将检测光线透射至传感器23中。同时，分色镜33还需要将分光镜34所反射的检测光源发射的检测光线透射至反射镜32中。

当分光镜34设置在反射镜32与分色镜33之间时，反射镜32所反射回来的检测光线是将经过分光镜34的透射后，射入分色镜33，再由分色镜33光线透射至传感器23中。同时，分光镜34还需要将分色镜33所反射的图像源发射的显示图像透射至反射镜32中。

进一步的，为了确保图像源和检测光源所发射的光线不受到通过分色镜与分光镜方向传输回来的光线的干扰，还可以在图像源21与分色镜33之间，和/或检测光源31与分光镜34之间设置光隔离器35，从而避免各光源所发射的光线受到干扰。

2、对于采用图像源作为检测光源的光传输单元，其主要结构如图6所示，HUD系统的光传输单元中主要包括：反射镜32、分色镜33、光强调节电路36。可见，相比于上述采用双光源的实现方式，图6所提出的光传输单元的实现方式中省去了检测光源以及分光镜。

其中，图像源21所发射的显示图像根据具体的设置位置可以是直接射入到反射镜32中，也可以是通过平面镜反射到反射镜32中。即反射镜32是设置在图像源21与分色镜33之间，能够反射显示图像至分色镜33中。

分色镜33设置在反射镜32与传感器23之前，一方面，用于透射反射镜32所反射的显示图像的光线，以便进一步由挡风玻璃将该显示图像的光线反射至驾驶员眼中。另一方面，分色镜33还用于反射检测光线至传感器23中，其中，该检测光线是从驾驶员眼中反射回来的显示图像中的一部分光线，而该部分光线则是根据分色镜所设置的反射波长所反射的特定波长的光线。

光强调节电路36是设置在分色镜与所述传感器之间，主要用于调节射入传感器23的光线强度，也就是调节射入传感器23的检测光线的强度。这是因为，在采用双光源的HUD系统中，检测光源的光强度是可以设置调节的，通过与预先的设计计算可以得到检测光源所发出的检测光线的强度，而在图6所示的单光源的HUD系统中，图像源所发射的显示图像的光线强度是会随着环境光线的强度而自适应地改变，这就导致了最终射入传感器23的检测光线的强度也会变化，而这种变化将会导致测量的不准确。因此，加入该光强调节电路36，以保证射入传感器23的光线强度的稳定性。本实施例中对于该光强调节电路的具体构造不做限定。

针对上述两种不同结构的光传输单元22的实现方式，HUD系统都能够利用光传输单元传输从驾驶员眼中所反射回来的检测光线，并将该检测光线射入传感器23中，实现HUD系统对显示图像的实时检测以及动态调整。在上述的图4-6中，图中的光路两侧的箭头表示光线在该光路中的传播方向，其中，实线箭头表示入射到驾驶员眼中的显示图像光线以及检测光线，而虚线箭头则表示从驾驶员眼中反射出的检测光线。

进一步的，在图4与图6所示的HUD系统中，在传感器23之前，还设置了一个透镜37，该透镜主要用于调节检测光线射入传感器23中的传感器的聚焦位置。这是因为HUD系统受限于整体的设备体积以及安装位置，有可能检测光线在射入传感器23时无法达到最佳的聚焦位置，此时，就需要通过设置透镜进行焦距的调节，而对于透镜具体的形状则需要根据所需调节的位置来确定，可以是凸透镜，也可以是凹透镜。

对于所设置的透镜37，在本实施例的实际应用中为可选项，即检测光线的聚焦位置落在传感器23中的传感器上，或者是传感器能够在一定范围内调节接收检测光线的焦距时，则无需再设置该透镜37。以图3A中所列举的由微透镜阵列和面阵相机所组成的传感器中，如果微透镜阵列和面阵相机之间的位置可调，如图7所示具体结构中，面阵相机的位置可以在虚线的范围内先后移动，则可以起到调节焦距，让检测光线经过微透镜阵列聚焦到面阵相机上。

通过上述对本发明实施例中所提出的一种抬头显示装置的说明，可以看出，该HUD系统相对于现有的抬头显示系统而言，其具有自主检测以及调节成像图像的功能，以使得驾驶员能够清楚的看到HUD系统所显示的图像信息。并且，对于HUD系统而言，其不再需要为了适配汽车的挡风玻璃而设置高精度的非球面或自由曲面反射镜，降低了HUD系统的制造生产成本，能够适用于各种曲率挡风玻璃的汽车中，提高了系统适配的通用性。

进一步的，对应于上述实施例中所提出的一种抬头显示装置，本发明实施例还提出了一种显示图像校正方法，该方法应用于上述的抬头显示装置中，实现对HUD系统中图像源所发出的显示图像的像差进行动态调节，具体步骤如图8所示，包括：

401、利用光传输单元将包含成像畸变信息的检测光线传输至传感器。

其中，光传输单元主要用于构建HUD系统中光线的传播路径，其所构成的光路一方面用于将图像源发出的显示图像投射到汽车的挡风玻璃上，再由挡风玻璃反射到驾驶员眼中；另一方面，还用于将从驾驶员眼中反射回来的检测光线投射到传感器中。

而光传输单元所传输的检测光线主要用于检测图像源发射的显示图像的成像清晰度，该检测光线不限定是由独立的检测光源所生成的检测光线，或者是来源于显示图像中的部分光线。

402、由传感器将检测光线转换为波前误差图像，并发送该波前误差图像至校正电路。

其中，传感器是将接收到的检测光线以图像的形式记录下来。具体的，该传感器可以是微透镜阵列波前传感器，全息波前传感，光场相机，复场传感器中的一种。

此外，传感器的转换过程也是将检测光线所形成的图像转换为图像数据，并向校正电路发送该图像数据，而传感器与校正电路之间可以通过数据线进行数据传输，也可以通过无线网络进行数据传输。

本步骤中的波前误差图像，是指根据实际的检测光线所生成的光波图像，其中，光线可以视为一个行进的电磁波，该光波的连续性的同相表面就被称为波前，因此，波前是一个面而不是一条线。误差图像是相对理想图像而言的，而在实际测量中，一般不会出现理想波前的图像，理想波前在进入人眼时，由于没有像差，可以很好的在视网膜上汇聚成一个焦点，而实际上，由于像差的存在，检测光线所生成的波前图像往往与理想的波前图像存在偏差，具体可参见图3A与图3B的对比图。该图是通过微透镜阵列波前传感器中的微透镜阵列将接收到的检测光线透射到对应的面阵相机中，再由面阵相机记录透射的检测光线在成像模板上的位置，生成波前误差图像。其中，成像模板中标记有理想波前成像的位置，如此，传感器最终得到的波前误差图像是记录有实际波前成像位置与理想波前成像位置的图像。

403、校正电路计算波前误差图像与预置图像的误差。

其中，校正电路主要用于对检测光线的实际波前进行测量，以得到实际波前与理想波前的误差，从而得到用于校正图像源的像差校正系数。

具体在本步骤中，校正电路的主要功能实现是通过波前重建电路、像差分析电路、像差校正电路以及图像调整电路共同实现的。

由波前重建电路对传感器发送的波前误差图像以及对应的预置的理想图像进行重建，分别得到所述检测光线的实际波前与理想波前，现有常用的波前重建主要是通过质心偏移量测量，也就是对上一步骤中得到的实际波前成像位置与理想波前成像位置的误差量进行测量，基于面阵相机的数量可以得到实际波前的函数表达式，比如，使用ZernikePolynomials描述实际波前时，可以得到一组多项式，在由像差分析电路根据这组多项式解析实际波前相对于理想波前存在的误差，得到所述检测光线的像差系数，针对这组多项式，从光学的角度分析，各个项之间可以表示为彼此独立的光学像差，如平移项、倾斜项、离焦项、像散项、彗差项、球差项等，通过为不同的光学像差配置不同的权重拟合出各项系数，得到像差系数，可见，本实施例中的波前像差系数不特指某一种像差系数，也可以是一组像差系数的集合。

之后，再由像差校正电路中设置的校正算法计算波前像差系数，得到用于校正图像源相位的像差校正系数，其中，本步骤中对于所设置的校正算法不做具体限定，现有的计算方法如纯积分控制、最小拍控制、基于卡曼滤波的线性二次高斯控制等都可以实现对本步骤中波前像差系数的计算，从而得到像差校正系数，而该像差校正系数对应于波前像差系数，也可以为一组校正像差系数的集合。

最后，由图像调整电路根据得到的像差校正系数计算出图像源发射显示图像的相位调整参数，并基于该相位调整参数来控制图像源发射显示图像，具体的，可以是由图像调整电路将相位调整参数发送给图像源，再由图像源据此进行像差的调整操作，也可以是通过该图像调整电路根据像差校正系数计算得到具体如何调整显示图像的像差的操作指令，将该操作指令发送给图像源，由图像源具体执行像差的调整操作。

404、根据误差调整图像源发射的显示图像的像差。

该步骤是利用校正电路计算得到的像差校正系数，以及对应的操作指令对HUD系统中的图像源所发射的显示图像的像差进行调整。可见，在本实施例中，图像源是一套具有像差调节功能的装置，具体的，可以是图像源自身就具有像差调节功能，也可以是图像源与对应的像差调节装置向配合，调节图像源所发射的显示图像的像差。即在实际应用中，图像调整电路的位置可以是设置在校正电路中，也可以是设置在图像源中。

结合上述步骤的说明，可以看出本发明实施例所提出的一种显示图像校正方法，主要是基于现有的像差调节算法，将其应用在HUD系统中，并通过对该HUD系统中的光传输单元实现对检测光线的传播以及获取，使得HUD系统具有了主动调节显示图像的像差的功能。解决了HUD系统与汽车挡风玻璃之间存在适配的问题，降低了对光传输单元中的光学元器件的精度要求，从而降低了HUD系统的加工与生产成本。

通过上述的分析可以看出，本发明实施例所提出的显示图像校正方法除了需要传感器和校正电路对检测光线所生成的波前图像进行计算外，还需要能够准确地获取到从驾驶员眼中反射回来的检测光线，并将该检测光线投射到传感器中，为此，就需要对光传输单元进行重新的设计，使其在满足传输图像源所发射的显示图像至驾驶员眼中的需求之外，还需要满足传输检测光线至驾驶员眼中，并将从驾驶员眼中反射的检测光线投射至传感器。以下将针对本发明实施例中对HUD系统的光传输单元的改进进行具体说明：

首先，当检测光线是由独立的检测光源所产生时，即HUD系统具有双光源(图像源和检测光源)时，光传输单元中设置有检测光源、反射镜、分色镜、分光镜，如图4所示的结构，具体的：

检测光源用于发射近红外光，生成检测光线。

反射镜用于反射图像源发射的显示图像以及检测光源发射的近红外光，以便由挡风玻璃将该显示图像和近红外光反射至驾驶员眼中。

分光镜设置在反射镜、检测光源以及传感器之间，用于将检测光源发射的近红外光反射至反射镜中，以及将反射镜所反射的检测光线透射至传感器中。其中，检测光线是指由所述驾驶员眼中反射的近红外光。

分色镜设置在图像源与反射镜之间，用于将显示图像反射至反射镜中。

进一步的，在光传输单元中所设置的分色镜与分光镜，其设置的位置也可以互换，在图4的示例中，分色镜设置在反射镜与分光镜之间，则分色镜主要用于将分光镜反射的近红外光透射至反射镜，同时将反射镜反射的检测光线透射至分光镜，再由分光镜将检测光线透射至传感器。另一种情况是分光镜设置在反射镜与分色镜之间，那么，分光镜主要用于将分色镜反射的显示图像透射至反射镜，同时，将反射镜所反射的检测光线透射至分色镜，以便由分色镜将检测光线透射至传感器。

进一步的，在光传输单元中还可以设置光隔离器，该光隔离器设置在图像源与分色镜之间，和/或设置在检测光源与分光镜之间，以此来确保按照原光路返回的光线不会对光源所发射的光线造成干扰。

其次，当检测光线为显示图像中的部分光线时，即采用图像源作为检测光源时，光传输单元中设置有反射镜、分色镜、光强调节电路，具体如图6所示的结构，具体的：

反射镜设置在图像源与分色镜之间，用于将显示图像反射至分色镜。

分色镜设置在反射镜与传感器之间，用于透射反射镜所反射的显示图像至挡风玻璃，以便由挡风玻璃将该显示图像反射至驾驶员眼中。

同时，分色镜还用于反射检测光线至传感器，该检测光线是由驾驶员眼中反射的显示图像，利用分色镜对光波波长的选择，将显示图像的部分光线反射至传感器中。

光强调节电路设置在分色镜与传感器之间，用于调节射入传感器的光线强度，具体需要调节光线强度的原因在上述HUD系统的实施例中已做具体说明，此处不再赘述。

对于上述采用不同光源的所构成的光传输单元，通过设置相应的光学元器件达到了传输检测光线的目的，进一步的，为了增加传感器接收检测光线的焦距调节范围，还可以在传感器中接收检测光线的传感器前设置一个调节光线聚焦位置的透镜。

综上所述，本发明实施例所采用的种抬头显示装置及显示图像校正方法，主要是对现有的HUD系统基础上，加入了用于计算波前像差的传感器和校正电路，并且，将图像源替换为具有像差调节功能的图像源，同时，对于HUD系统中的光传输单元也进行了改进，使其能够在传输图像源的显示图像的同时也能够传输检测光线，将检测光线投射到传感器中，实现HUD系统对显示图像所存在的像差进行实时的监测与调整，从而优化图像的显示效果。而由于该HUD系统无需再适配汽车的挡风玻璃，因此，也降低了对光传输单元中的光学元器件的精度要求，进而降低了HUD系统的整体加工与生产成本。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

可以理解的是，上述方法及装置中的相关特征可以相互参考。另外，上述实施例中的“第一”、“第二”等是用于区分各实施例，而并不代表各实施例的优劣。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。

此外，存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)，存储器包括至少一个存储芯片。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (13)

1.一种抬头显示装置，其特征在于，所述装置包括：图像源、光传输单元、传感器以及校正电路；

图像源，为发射显示图像的光源；

光传输单元，用于传输包含成像畸变信息的检测光线，所述检测光线与所述显示图像通过同样的光路射入到驾驶员眼睛中，并通过所述驾驶员眼睛的反射按照所述光路返回至所述光传输单元，所述检测光线为近红外光；

传感器，用于接收所述检测光线并将所述检测光线转换为波前误差图像；

校正电路，用于接收所述波前误差图像，根据所述波前误差图像对所述图像源发射的显示图像进行校正。

2.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述光传输单元包括：检测光源、反射镜、分色镜和分光镜；

所述检测光源用于发射近红外光；

所述反射镜用于反射所述图像源发射的显示图像以及所述检测光源发射的近红外光，以便由挡风玻璃将所述显示图像和近红外光反射至驾驶员眼中；

所述分光镜用于将所述检测光源发射的近红外光反射至所述反射镜，以及将所述反射镜反射的检测光线透射至所述传感器，其中，所述反射镜反射的检测光线是由所述驾驶员眼中反射的所述近红外光；

所述分色镜用于将所述显示图像反射至所述反射镜。

3.根据权利要求2所述的抬头显示装置，其特征在于，所述光传输单元还包括：

光隔离器，设置在所述图像源与所述分色镜之间，和/或设置在所述检测光源与所述分光镜之间。

4.根据权利要求2所述的抬头显示装置，其特征在于，所述光传输单元包括：

当所述分色镜设置在所述反射镜与所述分光镜之间时，所述分色镜还用于将所述分光镜反射的近红外光透射至所述反射镜，以及将所述反射镜反射的检测光线透射至所述分光镜；

当所述分光镜设置在所述反射镜与所述分色镜之间时，所述分光镜还用于将所述分色镜反射的显示图像透射至所述反射镜，以及将所述反射镜反射的检测光线透射至所述分色镜，以便由所述分色镜将所述检测光线透射至所述传感器。

5.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，所述光传输单元包括：反射镜、分色镜和光强调节电路；

所述反射镜用于反射所述显示图像至所述分色镜；

所述分色镜用于透射所述反射镜反射的显示图像，以便由挡风玻璃将所述显示图像反射至驾驶员眼中；

所述分色镜还用于反射所述检测光线至所述传感器，所述检测光线是由所述驾驶员眼中反射的所述显示图像；

所述光强调节电路用于调节射入所述传感器的光线强度。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的抬头显示装置，其特征在于，所述光传输单元还包括：

透镜，设置在所述传感器前，用于调节所述检测光线射入所述传感器的聚焦位置。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的抬头显示装置，其特征在于，所述传感器为微透镜阵列波前传感器，全息波前传感，光场相机，复场传感器中的一种。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的抬头显示装置，其特征在于，所述校正电路包括：

波前重建电路，用于将所述传感器发送的波前误差图像转换为所述检测光线的实际波前；

像差分析电路，用于根据所述实际波前计算与理想波前的像差系数；

像差校正电路，用于根据所述像差系数通过预置的校正算法计算用于校正图像源相位的像差校正系数；

图像调整电路，用于根据所述像差校正系数计算所述图像源发射显示图像的相位调整参数，并将所述相位调整参数发送至所述图像源，以便由所述图像源调整所发射的显示图像的像差。

9.一种显示图像校正方法，其特征在于，所述方法包括：

利用光传输单元将包含成像畸变信息的检测光线传输至传感器，所述检测光线与所述显示图像通过同样的光路射入到驾驶员眼睛中，并通过所述驾驶员眼睛的反射按照所述光路返回至所述光传输单元，所述检测光线为近红外光；

由传感器将所述检测光线转换为波前误差图像，并发送所述波前误差图像至校正电路；

所述校正电路计算所述波前误差图像与预置图像的误差；

根据所述误差调整图像源发射的显示图像的像差。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述由传感器将所述检测光线转换为波前误差图像包括：

利用微透镜阵列波前传感器中的微透镜阵列将所述检测光线透射到对应的面阵相机中；

由所述面阵相机记录透射的检测光线在成像模板上的位置，生成波前误差图像。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述校正电路计算所述波前误差图像与预置图像的误差包括：

由波前重建电路对所述传感器发送的波前误差图像以及对应的预置图像进行重建，分别得到所述检测光线的实际波前与理想波前，所述预置图像为预先设置的理想波前所形成的图像；

由像差分析电路根据泽尼克多项式解析所述实际波前相对于理想波前存在的误差，得到所述检测光线的像差系数；

由像差校正电路中设置的校正算法计算所述像差系数，得到用于校正图像源相位的像差校正系数；

由图像调整电路根据所述像差校正系数计算所述图像源发射显示图像的相位调整参数，并将所述相位调整参数发送至所述图像源。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述光传输单元中设置检测光源、反射镜、分色镜和分光镜；

所述检测光源用于发射近红外光，生成所述检测光线；

所述反射镜用于反射所述图像源发射的显示图像以及所述检测光源发射的近红外光，以便由挡风玻璃将所述显示图像和近红外光反射至驾驶员眼中；

所述分光镜用于将所述检测光源发射的近红外光反射至所述反射镜，以及将所述反射镜反射的检测光线透射至所述传感器，其中，所述反射镜反射检测光线是由所述驾驶员眼中反射的所述近红外光；

所述分色镜用于将所述显示图像反射至所述反射镜。

13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述光传输单元中设置反射镜、分色镜和光强调节电路；

所述反射镜用于反射所述显示图像至所述分色镜；

所述分色镜用于透射所述反射镜反射的显示图像，以便由挡风玻璃将所述显示图像反射至驾驶员眼中；

所述分色镜还用于反射所述检测光线至所述传感器，所述检测光线是由所述驾驶员眼中反射的所述显示图像；

所述光强调节电路用于调节射入所述传感器的光线强度。

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