CN108780225A - 车载平视显示器 - Google Patents

Abstract

一种平视显示器(HUD)系统包括可操作以产生激光的至少一个扫描激光投影仪，以及相对于所述投影仪设置以接收由投影仪产生的激光的多个可切换屏幕的堆叠阵列，多个可切换屏幕的堆叠阵列的每个屏幕彼此间隔并且可操作以在透明状态和漫反射状态之间切换。一控制器可操作地连接多个可切换屏幕的堆叠阵列，所述控制器用于按时间顺序切换所述阵列的每个屏幕从透明状态到漫反射状态，其中在任意给定时间仅一个屏幕被切换到所述漫反射状态。所述投影仪的输出被设置为与所述屏幕阵列之后的成像光学器件成一角度或一距离，以防止当所有屏幕均处于所述透明状态时，由所述至少一个扫描激光投影仪发射的镜面反射光束拦截在所述屏幕阵列之后的所述成像光学器件。

Description

车载平视显示器

技术领域

本发明一般涉及车载显示器，尤其是，涉及提供增强的驾驶安全性的车载平视显示器(HUD)。

背景技术

平视显示器(HUD)系统使驾驶员可以查看关键信息，而无需将视线从道路上移开。因此，HUD系统已成为汽车用途中越来越重要的组件以提高道路安全性。

增强现实(AR)，提供三维(3D)观看体验。许多技术已经被开发以提供3D AR，其中最相关的如下：

US8521411B2(Grabowski，2013年8月27日)描述了一种HUD系统，其通过快速机械扫描透镜以允许连续深度体积图像将激光束重新成像到浮动空间中。“光学快讯14,1760-12769(2006)”公开了一种利用快速旋转的镜面扫描仪显示体三维图像以产生多个倾斜图像切片的方法。这些机械系统随着时间的推移遭受机械磨损，并且如果它们没有与车辆机械隔离，则可能容易遭受冲击损坏。此外，前一种系统仅提供电缆图像，因此只能向驾驶员显示非常有限的信息。

US20040164927A1(Suyama，2004年8月26日)描述了一种系统，其中使用具有快速可变焦距的液晶菲涅耳透镜来重新成像显示面板以产生体图像。用于该系统的透镜需要较大的焦距变化和快速的切换速度。为了使系统工作，透镜要么非常厚，这会损害其切换速度，要么具有非常小的菲涅耳区域尺寸，这会损害其图像质量。为了使透镜足够快地切换以显示大的深度变化体图像，一特殊类型的“双频”液晶将被需要。这种类型的液晶尚未用于大规模显示产品，可能不一定符合汽车标准，并且在大批量生产中使用可能是昂贵的。

JP2004168230A描述了一种汽车HUD系统，其使用多个像素化液晶面板和普通背光单元来显示不同深度的图像。这样的系统将具有非常低的光学效率，这意味着系统将消耗大量功率以实现车载显示器所需的高亮度。该系统还具有有限的显示对比度，这是具有普通背光的液晶显示板的已知限制。

US5764317(Sadovnik，1988年6月9日)和US6100862(Sullivan，2000年8月8日)描述了通过使用投影仪将不同图像顺序投影到可切换屏幕阵列上来产生体图像的系统。然而，这些系统仅能够在离散的深度平面上显示图像。由于屏幕永远不会完全透明，因此如果为了显示伪连续体图像而增加屏幕数量，则雾度将变得明显。

US4670744(Buzak，1987年6月2日)描述了一种系统，其使用一堆胆甾型液晶作为可切换镜来改变显示面板和观察者之间的光学距离。可切换的反射器高度依赖于入射光的波长和角度，使其不适用于全色显示器。

目前，没有增强现实技术可以实现低雾度，可以以相对低的成本制造，并提供连续的体增强现实，其使用符合车载性能和安全性标准的易于批量制造的材料。

引用文献

专利文献

US8521411B2(Grabowski，2013年8月27日)

US20040164927A1(Suyama，2004年8月26日)

JP2004168230A

US5764317(Sadovnik，1988年6月9日)

US6100862(Sullivan，2000年8月8日)

US4670744(Buzak，1987年6月2日)

发明内容

根据本发明的一方面，平视显示器(HUD)系统包括：可操作以产生激光的至少一个扫描激光投影仪；相对于所述投影仪设置以接收由所述投影仪产生的激光的多个可切换屏幕的堆叠阵列，所述多个可切换屏幕的堆叠阵列的每个屏幕彼此间隔并且可操作以在透明状态和漫反射状态之间切换；以及可操作地连接所述多个可切换屏幕的堆叠阵列的控制器，所述控制器用于按时间顺序切换所述阵列的每个屏幕从透明状态到漫反射状态，其中在给定时间仅一个屏幕被切换到所述漫反射状态。所述投影仪的输出被设置为与所述屏幕阵列之后的成像光学器件成一角度或一距离，以防止当所有屏幕均处于所述透明状态时，由所述至少一个扫描激光投影仪发射的镜面反射光束在所述屏幕阵列之后拦截所述成像光学器件。

根据本发明的另一方面，平视显示器(HUD)系统包括：多个屏幕的堆叠阵列，所述屏幕的堆叠阵列的每个屏幕彼此间隔并且包括透明显示面板，所述透明显示面板包括能够提供全图像分辨率的像素；以及一控制器，可操作地连接所述屏幕的堆叠阵列，所述控制器用于在所述阵列的每个屏幕上按时间顺序显示图像。

根据本发明的另一方面，平视显示器包括可操作以产生激光的至少一个扫描激光投影仪；相对于所述投影仪设置以接收由所述投影仪产生的激光的多个可切换屏幕的堆叠阵列，所述多个可切换屏幕的堆叠阵列的每个屏幕彼此间隔并且可操作以在透明状态和漫反射状态之间切换；相对于所述多个可切换屏幕的堆叠阵列设置以从所述多个可切换屏幕的堆叠阵列接收图像的第一可变焦透镜，所述第一可变焦透镜具有可变焦距；以及可操作地连接所述多个可切换屏幕的堆叠阵列的控制器，所述控制器用于按时间顺序切换所述阵列的每个屏幕从透明状态到漫反射状态，其中在给定时间仅一个屏幕切换到所述漫反射状态。

为了实现前述和相关目的，本发明包括在下文中充分描述并在权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了本发明的某些描述性实施例。然而，这些实施例仅表示可以采用本发明原理的各种方式中的一些。当结合附图考虑时，从以下对本发明的详细描述中，本发明的其他目的，优点和新颖特征将变得显而易见。

技术问题

三维增强现实(AR)技术的使用将允许显示的信息被集成到后台流量中。目前，没有可以实现低雾度的增强现实技术，可以以相对低的成本制造，并提供连续的体增强现实，其使用符合汽车平视显示器(HUD)性能和安全性标准的易于批量制造的材料。

用于解决问题的手段

该解决方案旨在解决现有技术中的一个或多个问题，例如雾度、开关速度、色彩性能、光学效率、制造成本、系统材料性能以满足汽车要求的需要，以及系统对汽车标准的图像质量和安全性的需求。

根据本发明的装置可包括一激光投影仪，一电可切换屏幕的堆叠阵列和一可变焦透镜。所述装置的部件之间的几何形状可以被设置成使得即使当所有电可切换屏幕同时切换到透明状态透明时，激光投影仪的出射光瞳也将永远不会被驾驶员看到。

投影仪投影图像至几个可切换漫反射屏幕的堆叠上，可以通过可变焦透镜和其他固定光学器件重新成像以产生看起来漂浮在与驾驶员连续可变距离的真实空间中的虚像。系统中的每个屏幕能够通过施加的电压在透明状态和漫反射状态之间独立地切换。可变焦透镜能够具有随电信号调节的连续可变的屈光度。

在操作期间，每个屏幕可以按时间顺序地切换到漫反射状态，并且投影仪在漫反射屏幕上形成不同的图像。这通过可变焦透镜和诸如折射透镜和部分透明的组合镜的其他后续光学器件重新成像，从而产生距驾驶员一定距离的虚像。

发明的有益效果

由于虚像由单个光学系统构成，因此它具有所有深度提示，例如聚焦、双目会聚和运动视差，使其适合长期观看。系统中连续可变的虚像深度允许将虚像无缝地集成到交通场景中。

附图说明

在附图中，相同的附图标记表示相同的部分或特征：

[图1]图1是根据本发明一实施例的示例性系统的示意图。

[图2]图2是示出激光束腰在LC屏幕堆叠内/附近的位置的示意图。

[图3]图3是示出示例性可变焦透镜的详细结构的示意图。

[图4]图4是用于操作根据本发明的装置的电子信号图。

[图5]图5a和图5b是示出由LC透镜形成的虚像的示意图。

[图6]图6a和图6b是示出在可能的情况下直接来自投影仪的镜面激光的光路的示意图，其中没有一个屏幕是完全漫反射的。

[图7]图7是示出根据本发明另一个实施例的装置的示意图，该装置不具有可变焦透镜。图7中还示出了由投影仪发射的镜面激光的光路。

[图8]图8a和图8b是示出根据本发明另一实施例的装置的示意图，其中可切换投影仪屏幕被像素化以用于低温操作。

[图9]图9是示出混合空间-时间复用系统的优点的示意图。

[图10]图10是示出根据本发明另一实施例的装置的示意图，其具有消除光束块的后向散射几何结构。

[图11]图11是示出根据本发明另一实施例的装置的示意图，其中激光束被阻挡。

[图12]图12是示出根据本发明另一实施例的装置的示意图，其中可变焦透镜具有可重新聚焦的多个离散焦距而非具有连续可变焦距。这创建了可以显示虚像的组合数量的可能位置。

[图13]图13是示出根据本发明另一实施例的装置的示意图，该装置使用多个透明LCD/OLED代替可切换散射屏。

[图14]图14是示出根据本发明另一实施例的设备的示意图，该设备使用多个投影仪，其中每个投影仪将不同图像投影到一个或多个可切换屏幕上。

[图15]图15是示出根据本发明另一实施例的装置的示意图，该系统使用干涉滤光器来衰减镜面激光束。

[图16]图16a示出了处于散射状态的PDLC屏幕的亮度分布。图16b示出了在激光波长下干涉滤光器的透射分布。

具体实施方式

根据本发明的装置可包括一激光投影仪，一电可切换屏幕的堆叠阵列和一可变焦透镜。所述装置的部件之间的几何形状可以被设置成使得即使当所有电可切换屏幕同时切换透明到透明状态时，激光投影仪的出射光瞳也将永远不会被驾驶员看到。

激光投影仪可以是例如激光微机电系统(MEMS)扫描投影仪，其中投影图像具有大的聚焦深度并且不需要精确聚焦。投影仪将图像投影到多个可切换漫反射屏幕的堆叠上，这可以通过可变焦距透镜和其他固定光学器件重新成像，以产生虚像，该虚像看起来漂浮在与驾驶员连续可变距离的真实空间中。

系统中的每个屏幕能够通过施加的电压在透明和漫反射状态之间独立地切换。为了减少来自屏幕表面的菲涅耳反射，可以将屏幕粘合到折射率匹配的材料块上，或者屏幕的表面可以被抗反射涂覆。根据可用性、成本、图像质量和切换速度要求，屏幕可以由已知技术中的材料制成，例如聚合物分散液晶(PDLC)，聚合物网络液晶(PNLC)，聚合物稳定胆固醇纹理(PSCT)，或全息可切换的漫反射器。

可变焦透镜可具有可随电信号调节的连续可变屈光度。透镜可以由例如衍射、表面折射、梯度折射或反射菲涅耳透镜制成。透镜可以浸入向列型液晶，具有亚波长尺寸域的PDLC，蓝相液晶，或对于使光在一个或多个方向上偏振的电可调光学路径厚度的其他已知方法。或者，其他已知类型的可变焦透镜，包括机械聚焦透镜、机械反射镜、电润湿透镜和液体透镜也可以被使用。

在操作期间，每个屏幕可以按时间顺序切换到漫反射状态，并且投影仪在漫反射屏幕上形成不同的图像。这通过可变焦距透镜和诸如折射透镜和部分透明的组合镜的其他后续光学器件重新成像，从而产生距驾驶员一定距离的虚像。

投影仪的图像帧与屏幕的顺序以及可变透镜的焦距同步，使得系统的操作允许以连续的深度选择显示不同的图像。

由于虚像由单个光学系统构成，因此它具有所有深度的线索，例如聚焦、双目会聚和运动视差，使其适合长期观看。系统中连续可变的虚像深度允许将虚像无缝地集成到交通场景中。

可以由完整HUD系统形成的位置范围变成可以通过可变焦透镜从每个屏幕形成的图像组合集。由于液晶单元的切换速度与单元间隙厚度的平方成反比，因此在系统中增加额外的可切换屏幕将提供系统切换速度的二次改进，同时仍提供全深度范围的虚像。

根据本发明的第一实施例的显示器在图1-6中示出并在以下段落中描述。所示实施例是平视显示系统，其中整个光学部件在图1中示出。显示器包括激光扫描投影仪11，其后是透镜12和多个可切换屏幕的堆叠阵列13。激光扫描投影仪11可以是微机电-系统(MEMS)，其允许在大的焦点深度上显示高分辨率图像。控制器10可操作地连接到投影仪11和屏幕的堆叠阵列13，并用于操作如这里所述的HUD系统。

尽管该实施例中的透镜12被示为单个元件透镜，但是它也可以包括多个组或多个元件。屏幕的堆叠13能够通过控制器10在透明和漫反射状态之间独立地切换，通过向它们中的每一个施加电信号。用于屏幕的材料可以是聚合物分散液晶(PDLC)。屏幕也可以由能够用作可切换漫反射器的其他已知材料制成，例如聚合物稳定胆固醇液晶(PSCT)，聚合物网络液晶(PNLC)或全息可切换漫反射器。堆叠中的屏幕数量N应该使得来自N-1透明屏幕的雾度量在诸如夜间驾驶的黑暗条件下将是可接受的。

投影仪11基于来自控制器10的命令在PDLC屏幕13之一上形成图像。这由系统中的后续光学器件重新成像，包括例如反射镜14、可变焦透镜15、其他固定光学器件16和组合器17，以形成看起来距驾驶员18一定距离的虚像。根据所需的图像质量，固定光学器件16可以存在或不存在，并且可以放置在可变焦透镜15之前或之后。固定光学器件可包括一个或多个球面、非球面、自由形状和衍射元件，以减少虚像中的失真和光学像差。

组合器17，例如，可以是一片弯曲的、高反射电介质涂覆的部分透明部分反射的光学元件。然而，组合器的形状也可以是平的、弯曲的、分段的、渐进式焦距的、分段的棱镜，或菲涅耳透镜成型，并且还可以是金属或全息涂层的。

图2示出了透镜12的功能是改善来自投影仪的镜面反射光束22a的准直，以产生准直扫描激光束22b。透镜12的另一个功能是将光束腰半径100控制为不大于投影仪有效像素尺寸的两倍。光束腰半径是距离光束轴的距离，光束轴是指强度下降到最大值的13.5％的位置。而有效像素尺寸被定义为屏幕上投影仪的像素尺寸或后续光学器件可解析的分辨率(例如，图1中的15、16、17)的最小值。透镜12的另一个功能是将光束腰部定位在PDLC叠层内(在第一屏幕和最后一个屏幕之间)，并使激光束的瑞利长度101大于或接近所有PDLC屏幕的轴向跨度。这使得具有VGA或更高有效分辨率的图像可以显示在任何屏幕上，而无需主动聚焦调制器或大的物理系统尺寸。尽管所示实施例中的透镜12是固定透镜，但是如果图像的分辨率需要显着提高超过WXGA，则可以使用第二可变焦透镜将图像主动聚焦到屏幕上。

图3示出了最初在图1中示出的可变焦透镜15的示例性结构。优选的透镜是具有连续可变焦距的液晶(LC)透镜。该部件包括由透明聚合物模制的菲涅耳透镜15b，其压印在液晶15a内。液晶15a应满足汽车工业的性能要求。液晶盒夹设在两层透明电极15c和基板15d之间。液晶15a以一种方式被摩擦，使得向电极施加电压将改变液晶15a的有效折射率，如由偏光片15e偏振的入射光所看到的。这在菲涅耳透镜15b的聚合物和液晶15a之间产生折射率的可变差异，这意味着可以通过调节所施加电压的幅度来连续改变可变焦透镜15的焦距。然而，其他已知的液晶透镜和已知的可变焦透镜的配置也可用于该系统中。这包括，例如，使用液体透镜、可切换衍射透镜、改变透镜焦距的机械方法，以及改变透镜和屏幕之间的光学距离的已知方法。

菲涅耳透镜15b的轮廓可以采用任何形状，包括球面、非球面和棱镜。基板15d可以是平的或弯曲的。然而，在考虑后续光学器件16和17的放大倍率之后，可变焦透镜15的最长线性尺寸应该大于普通驾驶员18的双眼间距106(参见图5)。以这种方式，具有至少与透镜15一样大的尺寸的虚像将同时对双眼可见。

图4示出了电子信号水平的示例性HUD系统。在优选的HUD系统中，发送到投影仪11的图形信号25与由电压控制器24产生并提供给屏幕13a-13d的切换序列以及用于控制可变焦透镜15的焦距的电压23是时间上同步的。图形信号25可以是图像帧序列，但也可以是将激光束引导到任意位置的任何通用指令。同步单元26，可以使用控制器10或其他处理设备在软件级实现，配合提供给投影仪11的图形信号25，电压控制器24用于产生屏幕13a-13d的切换顺序和用于控制可变焦透镜15的焦距的电压23。

图5a-b示出了示例性HUD系统的操作。在操作期间，每个屏幕13由控制器10顺序地切换漫反射时间，但是在任何给定时间仅一个屏幕(例如，13b)被切换为漫反射，以允许虚像21在距离驾驶员距离103处的空间中被形成，如图5a所示。

同时，控制器10可以连续地从前后扫描透镜15的焦距从最小到最大(例如，可变焦透镜的焦距可以在第一焦距和第二、不同的焦距之间连续扫描)。图5b示出了改变透镜的焦距允许虚像21的距离102在有限范围内连续变化。这允许由每个PDLC屏幕13a、13b、13c和13d形成的图像被重新成像到相应的连续体20a、20b、20c和20d内的任何地方。屏幕的切换顺序和施加到LC可变焦透镜15的电压信号也可以取决于所显示的内容。图像体积20a-20d可以重叠或不重叠。具有非重叠体积意味着较弱的LC可变焦透镜15可以被使用，因此导致更快的切换速度；然而，在屏幕的切换周期时间超过LC可变焦透镜15的切换时间的情况下，具有重叠的体积可以允许减少图像闪烁。

LC可变焦透镜15和PDLC屏幕的组合效果意味着LC可变焦透镜15不需要非常厚，同时仍然允许图像在大体积内显示。由于液晶填充单元的切换时间与单元间隙厚度的平方成比例，因此增加屏幕数量将平方地提高系统的切换速度。这种显着的改进使得完整的连续体积系统能够由汽车级液晶制成-这在已知的现有技术中是不可能实现的。其次，弱的LC可变焦透镜15将允许压纹菲涅耳透镜结构具有较小的梯度，导致较低的制造公差要求和成本，以及由于引起液晶单元间隙不均匀的液晶展曲、弯曲和扭曲的减少而具有更好的图像质量。

图6a示出了可以利于系统满足汽车标准的示例性安全特征。为了防止在没有任何屏幕完全漫反射的可能情况下镜面激光束对驾驶员可见，激光投影仪11可以从后续光学器件偏移。图6b示出了与图6a相同的光学布置，但移除了折叠的反射镜14以更清楚地示出投影仪11的可能布置。投影仪11可以与后续光学器件(例如，15和16)的光轴偏移一距离109和/或一角度110，使得扫描镜面反射光束路径111将永远不会拦截这些部件(例如，15和16)。如果所有屏幕同时是透明的，则镜面激光束将直接入射到光束块19或其他无光泽元件上，使得没有镜面反射光束会通过诸如15和16的其他光学器件离开系统。投影仪的倾斜角度应该足够大，以使镜面反射光束不会从HUD外壳中逸出，因为太大的倾斜角度(例如，>20度)可能在图像中引入雾度。

下面描述的后续实施例是参考第一实施例进行的，并且仅后续实施例和第一实施例之间的差异被讨论。

该系统的第二实施例如图7所示。在不需要连续可变图像深度的情况下，不需要来自第一实施例的可变焦透镜15，因此从图7中省略。在这种情况下，投影仪的镜面反射光束仍然永久地隐藏在驾驶员的视线之外。

图8a和图8b示出了第三实施例，其包括激光投影仪11，可切换投影仪屏幕30a-30d(统称为可切换投影仪屏幕30)和可变焦距透镜15。该实施例与主要实施例的不同之处在于，可切换投影仪屏幕30被像素化或被分割使得在任何给定时间仅有相同屏幕的一部分能够被切换漫反射(而不是整个屏幕被均匀地切换为漫反射的或透明的)。屏幕的材料可以是，但不限于，PDLC。该系统使得图像31，32能够被驾驶员18在不同的深度104，105处感知，其中图像被同时显示给驾驶员而无需在时间上打开和关闭不同的屏幕。

图9是与图8a-8b中所示相同的实施例，并且示出了通过在一个屏幕的分区30d中显示仪表板图像31和在另一个屏幕的分区30b上显示交通信息图像32，系统如何从空间复用中受益。这在寒冷条件下是有利的，在寒冷条件下屏幕的切换速度可能显着变慢。应当注意的是，与JP2004168230A不同，该实施例中的图像质量不依赖于像素的大小。相反，该系统的图像质量完全取决于投影仪的分辨率和激光束腰。这意味着屏幕可以粗略地像素化以实现空间复用。由于在汽车HUD中显示的全体积图像通常包含大块空白空间，因此粗略像素化的屏幕将允许显示高分辨率图像而无需昂贵的计算能力要求。

图10示出了第四实施例，其中投影仪11布置成比所有其他屏幕(40a-c)物理上更靠近屏幕40d，其中40d表示光学上最靠近驾驶员18的屏幕。在该实施例中，虚像来自可切换屏幕40的后向散射光。屏幕40可以由具有令人满意的后向散射率的已知材料制成，例如聚合物稳定胆甾型液晶(PSCT)。最后的屏幕40a(即，光学上距离驾驶员18最远的屏幕)可以用永久漫反射器代替。这意味着如果屏幕被防反射涂布的，则不需要在系统中使用光束块。

另外，第一实施例的反射镜14中的一个可以被由部分透明的反射镜或分束器41代替，以允许投影仪的光束到达屏幕，但是如果所述反射镜不遮挡投影仪的光，所述反射镜也可以保持全反射。本实施例允许在HUD系统的折叠方面具有更大的灵活性，而在任何情况下没有一个屏幕完全漫反射时，可能不会将投影仪的出射光瞳暴露给驾驶员。

图11示出了第五实施例，其中一可切换屏幕的堆叠50被使用代替第一实施例中提出的屏幕13。当屏幕50处于透明状态时，穿过屏幕的光的偏振状态被保持(即，通过屏幕的光的偏振状态未改变或改变少量，使得镜面反射光束透过偏光片51对于司机来说是安全的)。这允许来自投影仪11的偏振光被偏光片51简单地阻挡，如果所有屏幕都是清晰的。因此，镜面激光束对于驾驶员是不可见的，因此用于防止这种可见性的附加措施(例如，轴外几何形状)是不被需要的。屏幕50可以是由低双折射聚合物、可切换全息漫反射器或在透明状态下保持偏振状态的任何其他已知的可切换屏幕制成的PDLC屏幕。

图12示出了第六实施例，其中代替第一实施例中提出的可变焦透镜15，能够重新聚焦到离散数量的焦距107a、107b、107c的透镜60被使用。所述透镜60，当与可切换屏幕的堆叠组合时，将能够产生组合数量的虚像。大量虚像可以间隔地足够紧密，使得它们的离散深度不能与普通观察者区分。透镜可以是衍射型透镜、双折射透镜或其他已知的可调谐多焦距透镜。本实施例的优点在于，与第一实施例相比，其制造成本更低并且具有更快的切换速度。

图13示出了第七实施例，其中代替可切换屏幕13，包含具有全图像分辨率的像素的一透明显示面板的堆叠70被使用。透明显示面板70可以产生连续的图像深度和/或有助于组合数量的可能的虚像深度平面。这些屏幕70可以是透明液晶面板的堆叠、有机发光二极管(OLED)、无机LED阵列、波导显示器或其他已知的非投影仪型透明显示器的方法。

图14示出了第八实施例，其中代替仅使用一个激光投影仪，两个或更多个投影仪80a-80c被使用在系统中。投影仪80a-80c中的每一个可以能够同时将不同的图像投影到一个或多个屏幕81a-81d上。投影仪可以是任何已知类型的投影仪，包括激光扫描MEMs投影仪、数字光处理(DLP)投影仪、LCD投影仪或硅基液晶(LCoS)投影仪。来自每个投影仪的光可以以一倾斜角度入射到屏幕上以避免来自其他屏幕的不希望的散射以减少雾度。由于多个投影仪被使用，因此高质量的图像可以被实现，而无需主动地将图像重新聚焦到不同的屏幕上。

另外，如果屏幕被设置以使它们在视野中不会彼此遮挡，则快速切换可变焦透镜15将允许多个体积图像对驾驶员同时可视。这可以通过在空间上重新排列屏幕，或通过像第七实施例中所述的对屏幕进行像素化/分区来实现。

图15和图16a和图16b示出了第九实施例，其中在镜面反射光束方向上具有低透射率的干涉滤光器90被使用以衰减由投影仪11产生的镜面反射光束。这样，投影仪11可以平行于HUD的视轴被对准，这将提供提高的光学效率。干涉滤光器90也可以被设计为使得其透射率92与入射激光束(图16b)的角度的函数，与处于散射状态的PDLC屏幕93的亮度分布91(图15和图16a)与入射激光束的角度的函数互补。这将允许用户看到具有与观看位置无关的均匀亮度的图像。干涉滤光器90可以被设计成针对单个波长或多个激光波长。

尽管已经参照某个实施例示出和描述了本发明，但是本领域技术人员在阅读和理解本说明书和附图时，可以想到等同的替换和修改。特别是关于由上述元件(部件、组件、装置、组合物等)实现的各种功能，用于描述这些元件的术语(包括对“装置”的引用)旨在对应，除非另有说明，是指尽管在结构上不等同于在本发明的示例性实施例或实施例中的功能的所公开的结构，但是对于指示为实现所描述的元件的指定功能(即，功能上等同的)的任何元件。另外，虽然上文中仅针对若干实施例中的一个或多个描述了本发明的特定特征，但是这样的特征可以与其他实施例的一个或多个其他特征组合，这对于任何给定或特定的应用可能是被期望的和有利的。

工业应用性

工业应用将主要用于车载平视显示系统。应用可以被用于任何车辆以进行交通信息显示。所述HUD系统可以由汽车制造商固定在车辆的仪表板中，也可以作为可以装入任何车辆的单独部件出售，包括用于汽车培训。该系统的一个关键优势是视觉舒适。这是因为增强现实显示器展示了所有三维深度提示，允许信息以从驾驶员看到的可变距离显示。

符号说明

11：根据第一实施例的扫描激光投影仪

12：根据第一实施例的透镜

13：根据第一实施例的PDLC屏幕

13a-d：在不同位置处的PDLC屏幕。

14：反射镜

15：根据第一实施例的液晶透镜

15a：液晶填充物

15b：透明聚合物

15c：氧化铟锡

15d：LC透镜盒的基板

15e：偏光片

16：成像透镜

17：HUD系统的组合器

18：驾驶员/观察者

19：激光束块

20：可被屏幕13a-13d和LC透镜15创建的连续的虚像组的体积。

21：根据第一实施例的虚像

22：根据第一实施例的激光束的瞬时横截面。

a：直接来自投影仪的非准直光束

b：聚焦到PDLC屏幕堆叠内的一位置处的具有光束腰部的准直激光束。

23：根据第一实施例的LC透镜的电子器件

24：根据第一实施例的PDLC驾驶员

25：发送到投影仪的图形信号

26：根据第一实施例的同步单元

30a-d：根据第三实施例的像素化的PDLC屏幕

31：根据第三实施例的虚像的下部分

32：根据第三实施例的虚像的上部分

40：根据第四实施例的用于后向散射几何的PSCT屏幕

41：根据第五实施例的部分透明镜

50：根据第五实施例的保持偏振状态的可切换屏幕

51：根据第五实施例的吸收偏光片

60：根据第六实施例的能够重新聚焦到离散数量的焦距的可变焦透镜。

70a-d：根据第七实施例的透明显示面板阵列：

80a-c：根据第八实施例的多个投影仪，其中每个投影仪可以将不同的图像投影到一个或多个屏幕上。

81a-d：根据第八实施例的PDLC屏幕。

90：根据第九实施例的干涉滤光器。

91：根据第九实施例的PDLC屏幕的散射分布。

92：根据第九实施例的干涉滤光器在激光波长下的透射分布。

93：处于散射状态的PDLC屏幕。

100：根据第一实施例的激光的束腰。

101：根据第一实施例的激光的瑞利长度。

102：连续可能的图像组20中的一个虚像与驾驶员18之间的距离。

103：虚像21和驾驶员18之间的距离。

104：虚像31和驾驶员18之间的距离。

105：虚像32和驾驶员18之间的距离。

106：普通驾驶员的双眼间距

107a-c：透镜60的各种可能焦距

108：可切换屏幕后的成像光学器件(例如15、16和/或17)的光轴

109：投影仪相对于光轴108的偏移距离

110：投影仪相对于光轴108的偏移角

111：在所有可切换屏幕都是透明的情况下的镜面反射激光束光路。

Claims (19)

1.一种平视显示器(HUD)系统，包括：

可操作以产生激光的至少一扫描激光投影仪；

相对于所述投影仪设置以接收由所述投影仪产生的激光的多个可切换屏幕的堆叠阵列，所述多个可切换屏幕的堆叠阵列的每个屏幕彼此间隔并且可操作以在透明状态和漫反射状态之间切换；以及

可操作地连接所述多个可切换屏幕的堆叠阵列的控制器，所述控制器用于按时间顺序切换所述阵列的每个屏幕从透明状态到漫反射状态，其中在给定时间仅一个屏幕被切换到所述漫反射状态，

其中，所述投影仪的输出被设置为与所述屏幕阵列之后的成像光学器件成一角度或一距离，以防止当所有屏幕均处于所述透明状态时，由所述至少一扫描激光投影仪发射的镜面反射光束拦截在所述屏幕阵列之后的所述成像光学器件。

2.根据权利要求1所述的HUD系统，其特征在于，所述投影仪的输出衰减到规定水平以下。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的HUD系统，还包括相对于所述多个可切换屏幕的堆叠阵列设置以从所述多个可切换屏幕的堆叠阵列接收图像的第一可变焦透镜，所述第一可变焦透镜具有一可变的焦距，其特征在于，所述控制器可操作地连接所述第一变焦透镜并且用于在一第一焦距和一第二、不同的焦距之间连续扫描所述第一可变焦透镜的所述焦距。

4.根据权利要求3所述的HUD，其特征在于，所述第一可变焦透镜包括离散数量的不同焦距。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的HUD系统，还包括第二可变焦透镜，可操作地连接所述控制器并且光学设置于所述投影仪和所述多个可切换屏幕的堆叠阵列之间，其特征在于，所述控制器用于调整所述第二可变焦透镜的所述焦距以使所述光束束腰半径对应于所述投影仪的像素尺寸。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的HUD系统，还包括光学设置于所述投影仪和所述屏幕的堆叠阵列之间的透镜，其特征在于，所述透镜可操作地将由所述投影仪产生的激光束的激光束腰部聚焦在所述多个可切换屏幕的阵列内。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的HUD系统，其特征在于，所述激光投影仪被像素化或被分割，以使在任何给定时间仅同一所述屏幕的一部分被切换为漫反射。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的HUD系统，其特征在于，所述激光投影仪被设置为物理上更靠近所述多个可切换屏幕的堆叠阵列的第一屏幕，所述第一屏幕是光学上最接近由所述HUD显示器产生的图像的观察者的屏幕。

9.根据权利要求8所述的HUD系统，其特征在于，所述多个可切换屏幕的堆叠阵列包括一光学设置于距离由所述HUD显示器生成的图像的观察者最远的永久漫反射器。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的HUD系统，其特征在于，还包括用于向观察者显示图像的组合器，所述组合器被设置为接收从所述可变焦透镜输出的图像。

11.根据权利要求10所述的HUD系统，其特征在于，还包括设置于所述多个可切换屏幕的堆叠阵列与所述组合器之间的光路中的至少一反射镜。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的HUD系统，还包括光学地设置于所述多个可切换屏幕的堆叠阵列和由所述HUD显示器输出的图像之间的一偏光片，其中所述多个可切换屏幕的堆叠阵列用于保持穿过在所述透明状态下的所述屏幕的光的偏振状态。

13.根据权利要求12所述的HUD系统，其特征在于，所述至少一反射镜包括一部分透明的反射镜或一分束器。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的HUD系统，其特征在于，所述投影仪包括微机电系统投影仪。

15.根据权利要求1-14中任一项所述的HUD系统，其特征在于，所述多个可切换屏幕的阵列包括聚合物分散液晶屏、聚合物网络液晶屏、聚合物稳定胆甾相液晶屏或全息可切换漫反射器中的一种。

16.根据权利要求1-15中任一项所述的HUD系统，其特征在于，所述至少一个扫描激光投影仪包括多个扫描激光投影仪，每个所述投影仪用于同时将不同的图像投影到所述屏幕的堆叠阵列中的一个或多个上。

17.根据权利要求1-16中任一项所述的HUD系统，还包括用于衰减由所述投影仪产生的镜面反射光束的干涉滤光器。

18.一种平视显示器(HUD)系统，其特征在于，包括：

多个屏幕的堆叠阵列，所述屏幕的堆叠阵列的每个屏幕彼此间隔并且包括透明显示面板，所述透明显示面板包括能够提供全图像分辨率的像素；以及

可操作地连接所述屏幕的堆叠阵列的控制器，所述控制器用于在所述阵列的每个屏幕上按时间顺序显示图像。

19.一种平视显示器(HUD)系统，其特征在于，包括：

可操作以产生激光的至少一个扫描激光投影仪；

相对于所述投影仪设置以接收由所述投影仪产生的激光的多个可切换屏幕的堆叠阵列，所述多个可切换屏幕的堆叠阵列的每个屏幕彼此间隔并且可操作以在透明状态和漫反射状态之间切换；

相对于所述多个可切换屏幕的堆叠阵列设置，以从所述多个可切换屏幕的堆叠阵列接收图像的第一可变焦透镜，所述第一可变焦透镜具有可变的焦距；以及

可操作地连接所述多个可切换屏幕的堆叠阵列的控制器，所述控制器用于按时间顺序切换所述阵列的每个屏幕从透明状态到漫反射状态，其中，在给定时间仅一个屏幕切换到所述漫反射状态。