CN109477967A - 具可变焦平面的抬头显示系统 - Google Patents

Abstract

一种具可变焦平面的抬头显示系统，包括一投影装置，用于产生代表至少一个虚拟图形的光；一成像矩阵，用于在至少一个图像平面上投射至少一个虚拟图形的光，一显示装置，用于在至少一个图像平面上显示至少一个虚拟图形装置，一转换装置用于少部分地基于预定的操作参数，动态改变成像矩阵相对于显示装置的位置，改变显示装置和至少一个图像平面之间的焦距。

Description

具可变焦平面的抬头显示系统

技术领域

本公开发明专利说明书，乃关于抬头显示器上所使用显示虚拟图形的系统，装置，结构和方法。

背景技术

汽车和飞机所使用的抬头显示器(HUD)系统，可以为驾驶者提供微电脑生成的虚拟图形，用于增强于车辆驾驶时，驾驶者可看到真实世界的物体视觉感知模拟。HUD系统可被产成为虚拟图形，并透过挡风玻璃将虚拟图形投影为图像或文字，使驾驶者可以在抬头的同时，查看到讯息，而不会将注意力从驾驶期间可见的物理状况对像上移开。当到真实物体的距离和由HUD产生的虚拟图形的感知距离不匹配时，可能会引起驾驶员的不适并可能导致时间延迟，因为每次驾驶员看一个不同的物体时，不同的距离人眼将会需要一定的时间来重新聚焦。

特别是为飞机设计的HUD系统中，大多数物体可能距离飞机100公尺以外，飞机HUD系统可以设定固定焦距，锁定在无限远，为飞机驾驶员提供令人满意的侦测效果。

对于距离为100公尺或更远的物体，人眼聚焦在物体上，好像它位于无限远处，因为从物体反射的光线，基本作为平行光线抵达驾驶者。因此，微电脑生成用于飞机HUD系统的虚拟图形可以提供给驾驶员设置在无限远处的图像平面，以匹配驾驶员其他可视物体的焦平面。

道路车辆，例如汽车，为HUD系统提供了不同的环境，因为汽车驾驶员可视的物体，距离通常比这些物体看起来更接近飞机驾驶员(例如，小于100公尺)。由于焦距之间的差异(与大多数机载飞机不同)，在许多情况下，将HUD图像设置为无穷大，或某个其他任意距离，可能迫使驾驶员在HUD生成的虚拟图形，和相关的现实世界对象之间重新聚焦。目前道路车辆设计的已知HUD系统，可以设置7.5公尺到20公尺间的固定焦平面，属于典型焦距距离范围的。设置HUD系统焦平面，以接近车辆外部可视物体的典型距离。

由于公路车辆可以在各种不同的道路环境中行驶，例如拥挤的高速公路，郊区街道或开放的乡村道路，因此HUD制造商选择的焦平面，可能不针对特定的道路环境进行优化。与不同焦平面相关联的物体，迭加微电脑生成的虚拟图形，可以使虚拟图形对于驾驶者看起来没有焦点，如果不清楚哪个物体与虚拟图形相关联，会让驾驶者产生混淆。

仍需要改进的HUD系统。

发明内容

本发明为一种具可变焦平面的抬头显示系统，包括：一投影装置，用于产生代表至少一个虚拟图形的光；一成像矩阵，用于在至少一个图像平面上投射，呈现至少一个虚拟图形的光；一显示装置，用于至少在一图像平面上显示至少一个虚拟图形；以及一转换装置，用于至少一部分基于预定操作参数，动态改变该成像矩阵相对于该显示装置的位置，以动态改变该显示装置和至少一个图像平面之间的焦距。

更具体而言，还包括：一处理装置，用于控制该投影装置、该成像矩阵、该显示器装置，转换装置或其组合。

更具体而言，还包括：一光学装置，用于过滤该投影装置产生的光。

更具体而言，其中该光学装置位于该投影装置和成像矩阵之间。

更具体而言，其中该显示装置包括一全讯息薄膜。

更具体而言，其中该全讯息薄膜包括多个校准器。

更具体而言，其中该成像矩阵包括一全讯息相位-幅度调制器，该全讯息相位-幅度调制器被配置为生成代表该至少一个虚拟图形的至少一个波前。

更具体而言，其中所述转换装置包括一马达，该马达包括一电动马达、一线性马达、一直流马达、一无刷马达、一步进马达、一超声波压电马达、一螺旋式马达、一伺服马达、一机械齿轮一磁力开关或一位置传感器或其任何组合。

更具体而言，其中该操作参数包括一车辆参数、一道路参数或一车辆驾驶员参数或其组合。

更具体而言，其中该转换装置被配置为，至少部分基于该操作参数动态改变该成像矩阵的倾斜角度。

更具体而言，其中至少一个图像平面的下部与第一焦距相关联，其中，至少一个图像平面的上部与不同于所述第一焦距的第二焦距相关联。

更具体而言，其中该转换装置被配置为在一基本水平的轴上调整该成像矩阵，以改变所述至少一个图像平面的水平位置。

本发明为一种具可变焦平面的抬头显示系统，包括：一投影装置，用于产生代表多个虚拟图形的光，一多个成像矩阵，用于将代表每个多个虚拟图形的光，投射到相应的一个多个图像平面上；一显示装置，用于在多个图像平面中的相应一个图像平面上显示多个虚拟图形中的每一个；以及一多个转换装置，系与该多个成像矩阵相对应，以至少部分地基于预定的操作参数来动态地改变该多个成像矩阵中的每个成像矩阵相对于所述显示装置的位置。

更具体而言，其特征在于，控制该投影装置、该多个成像矩阵、该显示装置、该多个转换装置或其组合的一处理装置。

更具体而言，还包括：至少一个光学装置，用于过滤由投影装置产生的光，该光学装置位于该投影装置和该多个成像矩阵之间。

更具体而言，其中所述多个成像矩阵中的每一个包括全息相位-幅度调制器，所述全讯息相位-幅度调制器被配置为生成代表所述多个虚拟图形中更具体而言，其中所述多个转换装置中的每一个包括一马达，该马达包括一电动马达、一线性马达、一直流马达、一无刷马达、一步进马达、一超声波压电马达、一螺旋式马达、一伺服马达、一机械齿轮一磁力开关或一位置传感器或其任何组合。

更具体而言，其中所述操作参数包括一车辆参数、一道路参数或一车辆操作员参数或其组合。

更具体而言，其中所述多个转换装置中的至少一个，被配置为基于所述操作，来动态改变所述多个成像矩阵中的至少一个的倾斜角度参数。

更具体而言，其中一第一成像矩阵被配置为根据驾驶员的左眼位置调整代表一第一虚拟图形的光在一第一图像平面上的投影，并且其中一第二成像矩阵被配置为根据驾驶员的右眼位置，调整代表该一第二虚拟图形的光在一第二图像平面上的投影。

更具体而言，还包括：一相机，用于确定驾驶员左眼位置或右眼的位置。

本发明为一种具可变焦平面的抬头显示方法，包括：确定车辆的操作参数，至少部分的基于车辆的操作参数显示第一焦距处的至少一个虚拟图形；更新车辆的运行参数；以及以至少部分的基于车辆的更新操作参数来更新第二焦距处的至少一个虚拟图形的显示。

更具体而言，还包括：在所述至少一个虚拟图形的显示，同时地在第三焦距处显示辅助讯息。

附图说明

图1标示出用于配置有多个图像平面的车辆抬头显示系统。

图2A标示出与多个真实状况物体相关联的抬头显示装置。

图2B标示出图1中显示的抬头显示装置。在图2A中，微电脑生成的虚拟图形，显示在多个焦平面上。

图3A标示出具有微电脑生成虚拟图示的抬头显示装置，图形显示在倾斜的图像平面上。

图3B标示出具有更新的图像平面的抬头显示装置。

图4标示出被配置为在多个焦点图像平面处，投影系统显示虚拟图形的简化图形描绘。

图5标示出被配置为与机载接口的车辆操作抬头显示系统。

图6标示出被配置为在倾斜图像平面处生成虚拟图形的抬头显示系统。

图7标示出包括多个堆迭的成像矩阵的抬头显示系统。

图8标示包括多个成像矩阵的抬头显示系统。

图9标示了抬头显示系统的框图。

图10标示出用于显示微电脑生成的虚拟图形的显示过程。

图11标示出用于显示微电脑生成虚拟图形的显示过程。

具体实施方式

图1标示出用于一车辆50的一显示系统100，配置有多个图像平面，包括一第一图像平面10，一第二图像平面20标和一第三图像平面30，在一些图示中，该第一图像平面10可以与焦距A相关联，该第二图像平面20可以与焦距B相关联，并且该第三图像平面30可以与近似无限远的焦距相关联。当该车辆50以相对高的速度移动时，例如在速度高于40mph的非拥挤高速公路上，一图像投影系统150可以被配置为显示一个或多个微电脑生成虚拟图形，例如图像，文字或其他类型的影像讯息，在该第三图像平面30上的车辆操作者，或驾驶员75，在一些图示中，该第三图像平面30可以从该车辆50接近预定距离，例如，大于20公尺的距离。在相对高的速度下驾驶员75通常可以看道路状况，并扫描可能位在大于预定距离20公尺距离的物体。因此，该显示系统100可以被配置为，与微电脑生成的虚拟图形相关联的焦平面，和该驾驶者75正在观看的相对远的对像一致。

此外，当该车辆50以中等速度行驶时，当该驾驶员75以高于20mph但低于40mph的速度，在城市街道或拥挤的高速公路上，驾驶该车辆50时，该显示系统100可以投影虚拟图形。该第二图像平面20，与位于距该车辆50的焦距B处的物体重合。在一些图示中，与该第二图像平面20相关联的焦距B可小于二十公尺，例如，大约十公尺。

当该车辆50以相对慢的速度移动时，例如当驾驶员75以低于20mph的速度在停车场或事故现场周围操作该车辆50时，该显示系统100可以被配置为，在该第一图像平面10处投影虚拟图形，以与目标物体一致。在一些图示中，与该第一图像平面10相关联的焦距A，可以小于十公尺，例如，大约三到五公尺。

该显示系统100可以被配置为，按照操作参数动态变化的具有动态变焦的图像平面上，将虚拟图像投影到驾驶员75，操作参数包括该车辆50的速度，真实路况物体的位置等。例如，当该车辆50从停止位置开始加速时，该显示系统100可以被配置为，依序改变向驾驶员75显示的图像平面的焦距，从该第一图像平面10到该第二图像平面20，以及从该第二图像平面20，在一些图示中，该显示系统100可以包括手动控制，其使得驾驶员75，能够选择性地在图像平面10,20,30中的一个或多个处显示虚拟图形，或者在不同的图像平面上，显示虚拟图形的第二图像平面20，至第三图像平面30。挡风玻璃上的垂直或水平位置。在其他图示中，该显示系统100可以被配置为，基于车辆行进速度选择的图像平面处，显示微电脑生成虚拟图形的第一部分，并且在驾驶员75选择的辅助图像平面上，显示第二部分图形。

该显示系统100可以被配置为，部分基于真实路况物体与该车辆50之间距离的操作参数，在动态变化的焦距图像平面上，投影虚拟图形，如果是由该显示系统100确定的或相关联的导航装置。例如，当该车辆50转弯时，该显示系统100可以追踪到曲线的距离，并动态地改变图像平面，以投影虚拟图形，以避免驾驶员75从虚拟图形重新聚焦到曲线。换句话说，该显示系统100动态地改变其投影虚拟图形的图像计划，与该车辆50和任何真实目标物体间的变化距离一致。

图2A标示了真实世界物体相关联的显示装置200，可透过图1中所示的车辆50挡风玻璃210见得。图1、图2B标示出了显示装置200，具有在多个焦点图像平面处显示的微电脑生成图形。参见图1和图2。参照图1,2A和2B，在一个具体实施例子中，该驾驶员75可以透过挡风玻璃210观察该车辆50行驶的道路220以及其他物体。该道路220可以连接到该车辆50正在接近的侧面道路230。除了道路220之外，驾驶员75可以沿着其路径，透过包括其他车辆240的挡风玻璃210查看其他物体。在一些例子中，可透过该挡风玻璃210看到的物体描绘的显示系统100是否不用微电脑生成的虚拟物，来增强真实路况物体。该显示系统100可以基于位置，行进速度，行进方向，交通，车辆操作参数，天气等，利用虚拟图形自动增强真实路况目标物体。该显示系统100还可以基于车辆50中的设置，利用虚拟图形自动增强真实路况目标物体。

该显示系统100可以增强透过挡风玻璃210可见的真实路况物体，其中虚拟图形在多个焦点图像平面处投射到挡风玻璃210上。例如，该显示系统100可以在第三图像焦平面30上，投射与当前道路220相关联的高速公路指定221，高速公路指定221可以出现在位于当前道路220之前的某个远点处到驾驶员75，在一些图例中可以近似于无限远的焦点。该显示系统100可以在进入的车辆240上投射图形警报241，以警告驾驶员75进入车辆240的接近范围。

显示系统100可以在车辆240上方，部分地或全部地投影图形警报241，显示系统100可以本领域普通技术人员已知的任何颜色或形状，投影图形警报241。图形警报241可以伴随有驾驶员75使用车辆的车载声音系统(例如扬声器)听到的声音警报。在一些图例中，显示系统100可以投影图形警报241，以透过动态改变其用于投影图形警报241的图像平面，来追踪车辆240的相对移动。当公共安全车辆240位于距车辆50的当前道路220一定距离处时，如果超过二十公尺，系统可以在与第三图像平面30对应的焦距处，投影图形警报241，类似于用在投影公路指定221的投影图像平面。当车辆240接近车辆50时，系统100改变焦点图像。它用于将图形警报241从第三图像平面30投影到第二图像平面20，使得图形警报241追踪车辆240的移动。

显示系统100可以在挡风玻璃221上投射与车辆50，道路220，透过挡风玻璃221可见的物体等相关联的附加讯息245。例如，显示系统100可以被配置为应用辨识别出车辆240是公共安全车辆，或者应用于将道路220识别为高速公路，而显示与当前道路220相关联的速度限制245。显示系统100可以透过使用车辆50内部或外部的任何已知系统，检测车辆240的某些特征(例如，装置，闪光灯，车辆标记等)的存在来确定车辆240是公共安全车辆。例如，前照灯和其他传感器。另外，显示系统100，可以被配置为透过例如闪烁附加讯息245或透过车辆50的声音系统，提供声音警报来警告驾驶员75车辆50是否比当前道路220的发布速度限制更快地行驶。在一些图例中，显示系统100可以被配置为在任何适当的图像平面处显示附加讯息245(例如，第一图像平面10)。

显示系统100可以被配置为将与路线231相关联的导航讯息251(例如转弯指示器)投影到挡风玻璃210上。显示系统100可以在挡风玻璃210上，投射导航信息251，同时可听见提供转弯指令，例如，“向右转到奥克伍德大道，“使用任何可用的声音拨放，如车辆50的音响系统。显示系统100可以同时在与侧面道路230相同的图像平面中，用覆盖重迭或其他方式，投影路线名称235。在一些图示中，显示系统100可以被配置为在任何相同的位置，显示导航信息251，路线231和路线名称235。在一些图例中，显示系统100能够在第一图像平面10处，投影某些虚拟图形(例如，附加讯息245)，同时投影其他虚拟图形，例如，路线名称235，在一些图例中，系统100可以基于操作参数确定投影虚拟图形的图像平面，例如，真实路况物体的位置，车辆速度，车辆位置，操作员。位置，交通等，以下说明将更加详细解释。

图3A标示出在倾斜图像平面处，显示微电脑生成的虚拟图形的显示装置300。图3B标示出与微电脑生成的虚拟图形相关联的，更新图像平面显示装置。参见图1和图2。如图1,3A和3B所示，显示系统100可以被配置为在显示装置300上投影虚拟图形。例如，显示系统100可以被配置为在挡风玻璃310上，投射与导航讯息351相关联的导航信息351，例如转向指示器。显示系统100可以使用任何可用的可收听装置(例如，车辆50的声音系统)可收听向导航指令，同时投影导航讯息351。导航讯息351可以涉及从目前道路320，转向侧街道330，目前道路320和侧街道330可以少部分透过车辆50的挡风玻璃310显示。图3A可以被理解为，当侧街330位于当前道路320的某个距离处时，在第三图像平面30上描绘路线331，例如，当显示系统100确定侧街330是a时，显示系统100可以在第三图像平面30处投影导航讯息351。显示系统100可以使用本领域普通技术人员已知的任何装置(包括光学传感器)确定车辆50与真实路况物体(例如，Side Street 330)之间的距离，例如，大于20公尺。以GPS全球定位系统和其他装置(未标示出来)附接或以其他方式连接到车辆50，更详细地显示，例如描述图1时。

显示系统100可以被配置为，在倾斜图像平面上显示路线331的不同部分。例如，显示系统100可以在挡风玻璃310上，投射第一焦距315处的路线331的第一部分，第二焦距325处的路线331的第二部分，大于第一焦距315，以及第三部分路线，在一些图例中，与路线331的图形覆盖相关联的焦距315，325和335，可以在第一部分和第三部分之间连续变化，以提供流畅连续显示，其中第三焦距335大于第二焦距325。或与路线331相关联焦距的分级，与对应于路线331的现实世界物体的焦距相当。

当车辆50接近侧面街道330时，由于倾斜或倾斜的图像平面，侧面街道330可以在挡风玻璃310的中间显示或更低。显示系统100可以将路线331和导航讯息351，从图3A、B中所示的位置向下降到挡风玻璃310的中部附近。

除了追踪真实路况物体，相对于挡风玻璃310的水平和垂直二维坐标的位置，虚拟图形从驾驶员75的角度增大，或出现覆盖到现实世界物体上，显示系统100还可以配置为追踪与真实路况目标物体的相对距离，并调整焦点和/或图像平面或覆盖在真实世界物体上的图形。显示系统100可以使用任何已知的方式来检测，生成或以其他方式确定相对距离，包括光学传感器，GPS全球定位系统以及附接或以其他方式耦合到车辆50的其他装置(未标示出来)。

显示系统100可以被配置为，逐渐减小侧街330的焦距，使得其出现在第二焦距325处，而不是在第三焦距335处。显示系统100可以被配置为减小第二部分的焦距。在一些图例中，透过动态改变和/或调整路线331的一个或多个部分焦点，驾驶员75可以更容易地确定距离，并且在侧道路330之前的路线331，从第二焦距325到第一焦距315。或导航讯息351相对于路线330的位置。

图4标示出了投影系统400的简单图形描绘，例如图1中所示的显示系统100。如图1所示，被配置为在多个焦点图像平面处投影或显示虚拟图形。参见图1和图2。如图4和4所示，投影系统400，可包括固定在挡风玻璃410上的透明全讯息薄膜411，全讯息薄膜411可嵌入或以其他方式固定到挡风玻璃410上。全讯息薄膜411可替代地安置在显示装置上(未与系统400分开标示出来)在一些图例中，全讯息薄膜411可包括嵌入膜中的多个校准器415，用于校准/或组合从成像矩阵460发射的光，与真实世界物体的图像。透过全讯息薄膜411朝向驾驶员75。

在图例实施例中，投影系统400可以包括转换装置480，被配置为移动成像矩阵460和/或成像平面的相对位置，使得驾驶员75可以在动态改变的图像焦平面处，查看微电脑生成的虚拟图形。/或焦点位置至少部分地基于驾驶员75的位置。转换装置480可以在水平或垂直方向上，动态地移动成像矩阵460，至少改变成像矩阵460的倾斜角度。关于操作参数或车辆设置。转换装置480可包括马达，例如电动马达、线性马达，直流马达，无刷马达，步进马达或具有可选位置反馈的超声压电马达。在其他示例中，转换装置480可包括螺旋型马达，伺服马达，机械齿轮，磁性开关，位置传感器，其他类型的定位装置或马达，或其任何组合。

在投影系统400内更靠近校准器415的物理移动成像矩阵460，可使得投影虚拟图形的焦平面更进一步远离驾驶员75，直到焦平面到达无限远。相反地，在远离校准器415的投影系统400内，移动成像矩阵460可以导致投影虚拟图形的焦平面，更靠近驾驶员75，在一些图例中，成像矩阵460可以包括液晶显示器(LCD)，数字微镜器件(DMD)，微机电(MEMS)激光扫描器，硅上液晶(LCoS)矩阵，具有投影图像的磨砂玻璃，其他类型的成像矩阵，或其任何组合。

图5标示出被配置为与车载操作系统520接口的显示系统500。如图5所示，车载操作系统520可以包括一个或多个车辆处理器或车载微电脑，任何已知类型的存储器，以及存储在存储器中的指令，其可以与抬头显示器统(HUD)处理器510连接。在具体实施例子中，显示器如本领域普通技术人员所公知的，显示系统500可以被配置为，经由车辆50的车载诊断(OBD)端口连接到车载操作系统520。HUD处理器510可以被配置为，控制或以其他方式操作投影装置530，投影装置530又可以被配置为生成和/或投影，代表至少一个虚拟图像的光到成像矩阵550上，HUD处理器510可以确定虚拟图形基于操作参数，在显示装置560上显示并向投影装置530提供虚拟图形的指示，投影装置530又可以将代表虚拟图形的光投影到成像矩阵550，在一些图例中，一个或多个光学装置540，或者透镜可以被配置为校正像差，滤波和/或提高光利用效率。光学装置540可包括任何类型的光学装置，例如过滤器，对于普通技术人员而言是已确认的。反过来说，成像矩阵550可以被配置为，选择性地将作为光从作为一个或多个波前的投影装置530，或光学装置540接收的虚拟图像分发和/或传播到显示装置560，在一些图例中，显示装置560可包括车辆挡风玻璃，例如图1中所示的挡风玻璃410。如图4A、B所示，全讯息薄膜放置在挡风玻璃附近，例如图4所示的全讯息薄膜411或其组合。

在一些图例中，成像矩阵550可以包括全讯息相位-幅度调制器，被配置为模拟任意波前光。在图例实施例子中，成像矩阵550可以模拟多个图像平面中的每一个的波前，每个波前表示虚拟图像。成像矩阵550可以被配置为，任意数量的虚拟图像平面，其中讯息同时且任意地显示呈现。

成像矩阵550可以包括高分辨率相位调制器，例如本领域普通技术人员已知的任何分辨率的全高清调制器，4000或更高的像素分辨率。成像矩阵550可以由从投影装置530，或光学装置540接收的具有预定光束发散的相干光照射。成像矩阵550可以在调制器上产生数字全讯息图，并且可以将代表全讯息图的波前，投影到多个同时虚像平面570上的显示装置560上。

显示系统500可以被配置为生成一个或多个虚拟图形，例如，在图像平面570上，图像，文字或本领域普通技术人员已知的任何其他图形讯息。在一些图例中，图像平面570可以与焦距575相关联。尽管图像平面570被标示出来，位于图像平面570上。在显示装置560的与成像矩阵550相对的一侧，在一些实施例子中，显示系统500可以被配置为，反射与由成像矩阵550传播的波前相关联的光，使得所得到的图像被反射回驾驶员75。图像可以从显示装置560反射回到驾驶员75，然而，图像平面可以看起来对于驾驶者位于显示装置560的相对侧(例如，在显示装置560的相对侧车外上)。

另外，显示系统500可以包括转换装置或马达580，其被配置为动态地改变与图像平面570相关联的焦距575，在一些图例中，马达580可以被配置为，任何方向上相对于显示装置560移动成像矩阵550，例如，垂直或水平，以及改变成像矩阵550的倾斜角度。在其他示例中，马达580可以被配置为，相对于成像矩阵550移动一个或多个光学装置540，此外，马达580可以被配置为改变一个或多个光学装置540与成像矩阵550之间的焦距545，马达580可透过相对于显示装置560，或相对于光学装置540移动成像矩阵550，透过相对移动光学装置540来动态地改变焦距575。在实施例子中，马达580可以少部分地基于预定的操作参数，动态改变焦距575。包括车辆参数，例如速度，位置，行驶方向，目的地，挡风玻璃位置，交通等，道路参数，例如真实路况物体，道路等的位置，车辆驾驶员参数，例如驾驶员车辆内的位置，驾驶者的眼睛位置追踪，驾驶员参数，例如眼睛追踪，眼睛位置，系统位置等，或其组合。操作参数还可以包括从车辆系统或设置的多个来源中的任何一个接收器输入，例如用户识别系统970，相机930，传感器920，用户输入960，车辆输入950，音频装置915，全球导航卫星系统(GNSS)940或它们的组合，如图1所示。

除了改变图像平面570的焦距575之外，马达580可以被配置为，调整图像平面与驾驶员75的相对距离。在实施例子中，显示系统500可以被配置为与多种不同类型相容。与不同的操作员位置相关联的车辆，包括驾驶者眼睛的高度，或者从驾驶者到挡风玻璃的距离，例如图4中所示的挡风玻璃410。

图6标示出被配置为在倾斜图像平面670处生成虚拟图形的显示系统600，显示系统600可以包括投影装置630，被配置为将光投射到成像矩阵650上，成像矩阵650又可以被配置为选择性地分布，或者将光作为一个或多个波前传播到显示装置660，类似于针对图5中所示的显示系统500所描述的。

与显示系统600相关联的马达680可以被配置为至少部分地基于包括车辆参数(例如，速度，位置)的操作参数来动态地改变成像矩阵650的倾斜角度以影响倾斜图像平面670的角度。行驶方向，目的地，挡风玻璃位置等，道路参数，例如，真实路况物体，道路等的位置，车辆驾驶者参数，例如车辆内的驾驶员位置，驾驶员的眼睛位置追踪，或者驾驶员参数，例如眼睛位置，眼睛跟踪，头部位置等，或其组合。

例如，通过倾斜成像矩阵650，倾斜图像平面670的下部，可以与第一焦距672相关联，并且倾斜图像平面670的上部，可以与第二焦距674相关联，第二焦距大于第一焦距。另外，倾斜图像平面670的中心部分，可以与第一焦距672和第二焦距674之间的中间焦距676相关联，例如，焦距等于第一焦距672和第二焦距674的平均距离。在一些实施例子中，除了改变倾斜图像平面的角度之外，马达680可以被配置为在基本水平的轴上调整图像平面与驾驶员75的相对距离。例如，显示系统600可以被配置为与多种不同类型的车辆兼容，这些车辆可以与不同的驾驶员位置相关联，包括驾驶员75的眼睛的高度，或者从驾驶员75到挡风玻璃的距离，例如挡风玻璃410。如图4所示。

在一些实施例子中，除了改变成像矩阵650的倾斜角度之外，马达680可以被配置为，将成像矩阵650和/或光学装置640线性移位距离645，以将倾斜图像平面670平移到更近或更远的位置。来自显示装置660。

图7示出了包括多个堆迭的成像矩阵的示例显示系统700，包括第一成像矩阵752，第二成像矩阵754和第三成像矩阵756.在一些示例中，一些或所有堆迭的矩阵可以呈现透明显示，在一些图例中，堆迭的成像矩阵，可以被配置为同时显示距显示装置760不同距离的讯息。显示系统700内的每个图像平面，可以被配置为在距显示装置760不同的距离处，形成虚拟图像平面，因此与驾驶员75的距离不同。透过这样做，可以在不同的焦距或图像平面处显示虚拟图形。驾驶员75从而在动态变化的焦平面图像平面上，增强显示现实世界的物体。

例如，第一成像矩阵752可以被配置为，在位于第一焦距772的第一图像平面782处，生成一个或多个虚拟图形(例如，图像或文字)，并且第二成像矩阵754可以被配置为生成一个或多个虚拟图形。在位于第二焦距774的第二图像平面784处的更多虚拟图形(例如，图像或文字)。另外，第三成像矩阵756，可以被配置为生成一个或多个虚拟图形，例如，图像和/或文字，在位于第三焦距776的第三图像平面786，在一些图例中，第一焦距772可以是大约三到五公尺，第二焦距774可以是大约十到二十公尺，并且第三焦距776可以近似设置。本领域普通技术人员将理解，焦点图像平面782,784和786可以根据操作参数，或其他特性设置在任何焦距。

显示系统700可以被配置为，将来自投影装置730的光引导到每个成像矩阵752,754和/或756上。在一些图例中，一个或多个光学装置740可以被配置为，将光引导到每个成像矩阵752，754和/或756中。矩阵752，754和/或756，第一焦点742可以与第一成像装置752相关联。第二焦点744可以与第二成像装置754相关联。并且第三焦点746可以与第二成像装置754相关联。在实施例子中，成像装置752，754和756中的每一个可以分别与对应的平移装置780A，780B或780C相关联，以改变焦距，例如，第一焦点742。另外，可以通过改变想象矩阵752，754的倾斜角度来改变图像平面782，784或786中的一个或多个的倾斜角度，可以改变图像平面782，784或786中的一个或多个图像平面的倾斜角度。756由一个或多个翻译装置或马达780A，780B，或780C。本领域普通技术人员应该认识到，单个电动机780可以用于改变成像矩阵752,754和756的倾斜角度。或者，每个成像矩阵752，754或756可以可操作地耦合到单独的平移装置或马达780A，780B或780C。本领域普通技术人员应当已经确认，马达780A，780B或780C可以具有与图1中所示的马达680类似的结构。如图5所示，电动机580。

图8标示出包括多个成像矩阵的显示系统800，第一成像矩阵852和第二成像矩阵854。参照图1和图8，在一些图例中，成像矩阵852和854中的每一个可以与投影装置(诸如第一投影装置832和第二投影装置834)以及一个或多个光学装置(诸如第一光学装置)相关联。第一光学装置842可以具有距第一想象矩阵852的焦距862，而第二光学装置844可以具有距第二成像矩阵854的第二焦距864。

多个成像矩阵或投影装置852和854可以被配置为，显示驾驶员75的右眼和左眼的不同图像，从而一起形成在图像平面882和884处在显示装置860上显示的立体图像。在图例实施例子中，摄像机930(图9)可用于追踪驾驶员75的右眼和左眼中的每一个的位置。可以根据特定驾驶员75的右眼和左眼位置，来调整由第一成像矩阵852和第二成像矩阵854中的一个或两个显示图像。

可以与图5中所示的成像矩阵550，类似配置成像矩阵852或第二成像矩阵854。图6中标示出成像矩阵650，图7中所示的矩阵752，754或756。或者图8所示的成像矩阵850。在一些图例中，第二成像矩阵854可以从第一成像矩阵852横向偏移，反之亦然。另外，第二成像矩阵854可以相对于显示装置860倾斜，第一成像矩阵852和第二成像矩阵854可以被配置为朝向其传送一个或多个波阵面。

第一成像矩阵852可以被配置为，第一图像平面882处投射表示虚拟图形的光，例如，一个或多个图像和/或文字。在一些图例中，第一图像平面882通常可以与焦距872，使得由第一成像矩阵852生成的每个虚拟图形，可以被理解为位于大致相同的焦距872处。

此外，第二成像矩阵854可以被配置为，在第二图像平面884处投射表示虚拟图形的光，例如，一个或多个图像和/或文本。在一些图例中，第二图像平面884可以包括对应的倾斜图像平面。一个或多个焦距，例如第一焦距874和第二焦距876，由第二成像矩阵854生成的第一虚拟图形可以被理解为，位于大约第一焦距874和由第二焦点距离874生成的第二虚拟图形。第二成像矩阵854可以被理解为位于大约第二焦距876处。在一些示例中，第二图像平面884可以与连续的焦点相关联，其在第一焦距874和第二焦距之间递增地和/或连续地变化。876。

第一类虚拟图形可以与第一图像平面882相关联，第二类虚拟图形可以与第二图像平面884相关联。例如，与车辆相关联的虚拟图形，例如图像和/或文字，例如可以在第一图像平面882上显示车辆速度或本地时间。可以在第二图像平面884上显示与车辆导航相关联的虚拟图形(例如，图像和/或文本)。

图9标示出显示系统900的简单框架图。显示系统900可以包括处理装置910，例如，一个或多个处理装置，片上系统(SoC)处理器，一个或多个中央处理单元(CPU等)。在一些图例中，处理装置910可以包括高风险警示机(ARM)，无互锁流水线级(MIPS)的微处理器，32位处理器，64位处理器，普通已知任何其他类型的处理装置，或其任何组合。

处理装置910可以被配置为，执行与准备和/或生成虚拟图形和/或将由投影系统980投影和/或显示在显示装置990上的其他类型讯息相关联的基本上所有计算。此外，处理装置910可以被配置为从传感器920收集讯息，处理来自摄像机930的视频传送，获取用户输入960，并且随时地获取车辆输入950。透过WiFi装置，蓝牙装置，本领域普通技术人员已知的任何其他类型的通讯模组，或其任何组合来接收和/或传输一些或所有输入。

传感器920可包括惯性传感器，数字气压计，光强度计，相机，温度传感器，本领域普通技术人员已知的任何其他类型的传感器，或其任何组合。在一些图例中，传感器920可用于证实和/或改进由全球导航卫星系统(GNSS)940提供的信息，例如全球位置传感器(GPS)，GLONASS，GALILEO，任何其他类型的导航或位置。本领域普通技术人员已知的检测系统，或其任何组合。例如，气压计可以与GNSS 940结合使用，以更精确地确认车辆的相对高度，并且定位车辆相对于映射坐标系的位置。

来自摄影机930的输入，可以与GNSS 940结合使用，更准确地定位车辆与与映射的坐标系相关联的特定特征或地标之间的相对距离，例如转动或目的地。相机930可包括数码相机，LIDAR相机，红外相机，热相机，其他类型的相机或其任何组合。GNSS 940可以包括全球移动通信系统(GSM)。在车辆可以具有其自己的GNSS或定位系统的示例中，处理装置910可以被配置为，直接从车辆输入950获得位置讯息。

来自摄影机930的输入，可用于测量物体/图像的相对运动，合并计算车辆运动速度和转速以提高位置传感器的精度。来自惯性传感器920的输入，可以用于计算和/或确定车辆速度，转弯速度和车辆位置。此外，处理装置910可以被配置为，透过音频装置915接收音频输入或输出音频。例如，处理装置910可以被配置为，提供伴随显示的导航路线讯息收听指令，或者提供声音警报。

用户输入960可以包括语音命令，控制输入(诸如按钮或旋钮)，与智慧手机的连接或其任何组合连接。此外，处理装置910可以被配置为，透过用户识别装置970定位和/或识别车辆操作员。用户识别装置970可以包括相机或跟踪装置，被配置为识别驾驶员和/或定位驾驶员的相对位置和基于从用户输入960和/或用户识别装置970接收的信息，处理装置910可以被配置为初始化，定制，调整，校准或以其他方式修改系统900的功能，以适应/或高度相对于显示装置990至特定用户。

处理装置910可以包括本领域普通技术人员已知的任何类型的存储装置。处理装置910可以执行储存在储存装置中的指令，以至少部分地基于任何数量的参数生成虚拟图形，包括用户输入960，车辆输入950，用户识别970，传感器920，音频装置915，GNSS 940，或类似装置，或其任何组合。

图10标示出微电脑生成虚拟图形的图例过程1000。操作1010，显示系统可以识别驾驶员的车辆位置。例如，驾驶员的车辆可以配备GNSS系统。

在操作1020，显示系统可以基于操作参数，或车辆设置来确定操作模式。例如，显示系统可以识别驾驶员已经请求导航指令，到目的地的指示。在其他图例中，显示系统可以应用于检测车辆移动，而自动识别驾驶模式或停车模式。

在操作1030，显示系统可以在位于驾驶员车辆外部的一个或多个真实路况目标物体上，接收传动感应输入。对象可以包括地理地标，例如建筑物，道路，桥梁，标志，另一车辆，行人，动物，其他类型的物体或其任何组合。

在操作1040，显示系统可以确定对象的距离。到对象的距离可以少部分地基于操作1030处接收的传动感应输入和/或在操作1010处识别的车辆的位置。在一些图例中，传动感应器输入可以用于增强和/或或者细化车辆相对于物体的位置。

在操作1050，显示系统可以在第一焦距处显示与对象相关联的图形讯息。第一焦距可以大致匹配，或对应于在操作1040确定的到物体的距离。

在操作1060，显示系统可以更新在操作1030处接收的感测输入，在操作1010处识别车辆位置中的一个或两个目标。在一些图例中，物体和车辆可以在同对象和车辆中的一个或另一个，任何时间切换。更新的传感输入和/或车辆位置，可用于更新车辆与物体之间的相对距离。

在操作1070，显示系统可以在第二焦距处显示更新的图形信息。在一些途中，第二焦距可以对应于或匹配从操作1060确定的车辆和对象之间的更新距离。显示系统可以被配置为更新焦距并实时显示更新的图形讯息。在一些图例中，可以在第二焦距处显示一个或多个图形，而在第一焦距处显示一个或多个其他图形。在其他图例中，可以在第二焦距处同时显示对象的一部分，而在第一焦距处显示对象的另一部分。

在操作1080，显示系统可以以第三焦距显示辅助讯息。辅助讯息包括车辆行驶速度，车辆位置，温度，时间，其他类型的讯息或其任何组合。在一些图例中，辅助讯息可以静态地显示在第三焦距处，而与位于车辆外部的对象相关联的图形焦距，可以随时间动态地变化。

图11标示出用于显示微电脑生成的图形的图例过程1100。在操作1110，可以从一个或多个传动感应器接收输入，例如GNSS，惯性传感器，相机，气压传感器，光强度计，温度传感器，其他类型的传感器或其任何组合。

在操作1120，可以少部分地基于一个或多个传动感应器的输入，来计算和/或重新计算车辆的位置。

在操作1130，可以基于与车辆环境相关联的讯息来确定和/或调整到一个或多个虚拟平面的距离。可以透过一个或多个传感器监测车辆环境，以确定例如车辆附近的一个或多个实际物体的位置。

在操作1140，可以在对应于车辆环境和到实际对象的距离的一个或多个焦距处，显示图形讯息和/或图形图像。

本发明申请说明书中对车辆的参考不限于汽车，并且在一些图例中，本文公开的图例显示系统中的一个或多个可以被配置用于公共汽车，卡车，摩托车，船，飞机，火车，航天器或其他类型的车辆。此外，尽管所提供的一些图例涉及用于车辆的显示系统，但是显示系统还可以被配置用于其他类型的装置，系统或使用应用，包括头戴式HUD，摩托车头盔，虚拟现实装置，家庭娱乐系统，游戏系统和其他类型的系统。

在用户可能佩戴头戴式HUD，专用眼镜或其他类型的可穿戴装置的情况下，提供给用户的一个或多个虚拟图像，可以迭加或以其他方式与实际物体的图像组合，以便增强或增强用户对环境的感知，类似于本说明书描述与车辆挡风玻璃一起使用的显示装置。

已经描述和说明了本文的各种图例，应该显而易见的是，可以在布置和细节上修改其他应用。

Claims (23)

1.一种具可变焦平面的抬头显示系统，包括：

一投影装置，用于产生代表至少一个虚拟图形的光；一成像矩阵，用于在至少一个图像平面上投射，呈现至少一个虚拟图形的光；

一显示装置，用于至少在一图像平面上显示至少一个虚拟图形；以及

一转换装置，用于至少一部分基于预定操作参数，动态改变该成像矩阵相对于该显示装置的位置，以动态改变该显示装置和至少一个图像平面之间的焦距。

2.如权利要求1所述的系统，还包括：一处理装置，用于控制该投影装置、该成像矩阵、该显示器装置，转换装置或其组合。

3.如权利要求2所述的系统，还包括：一光学装置，用于过滤该投影装置产生的光。

4.如权利要求3所述的系统，其中该光学装置位于该投影装置和成像矩阵之间。

5.如权利要求1所述的系统，其中该显示装置包括一全讯息薄膜。

6.如权利要求5所述的系统，其中该全讯息薄膜包括多个校准器。

7.如权利要求1所述的系统，其中该成像矩阵包括一全讯息相位-幅度调制器，该全讯息相位-幅度调制器被配置为生成代表该至少一个虚拟图形的至少一个波前。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述转换装置包括一马达，该马达包括一电动马达、一线性马达、一直流马达、一无刷马达、一步进马达、一超声波压电马达、一螺旋式马达、一伺服马达、一机械齿轮一磁力开关或一位置传感器或其任何组合。

9.如权利要求1所述的系统，其中该操作参数包括一车辆参数、一道路参数或一车辆驾驶员参数或其组合。

10.如权利要求1所述的系统，其中该转换装置被配置为，至少部分基于该操作参数动态改变该成像矩阵的倾斜角度。

11.如权利要求10所述的系统，其中至少一个图像平面的下部与第一焦距相关联，其中，至少一个图像平面的上部与不同于所述第一焦距的第二焦距相关联。

12.如权利要求1所述的系统，其中该转换装置被配置为在一基本水平的轴上调整该成像矩阵，以改变所述至少一个图像平面的水平位置。

13.一种具可变焦平面的抬头显示系统，包括：

一投影装置，用于产生代表多个虚拟图形的光，一多个成像矩阵，用于将代表每个多个虚拟图形的光，投射到相应的一个多个图像平面上；

一显示装置，用于在多个图像平面中的相应一个图像平面上显示多个虚拟图形中的每一个；以及

一多个转换装置，系与该多个成像矩阵相对应，以至少部分地基于预定的操作参数来动态地改变该多个成像矩阵中的每个成像矩阵相对于所述显示装置的位置。

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，控制该投影装置、该多个成像矩阵、该显示装置、该多个转换装置或其组合的一处理装置。

15.如权利要求13所述的系统，还包括：至少一个光学装置，用于过滤由投影装置产生的光，该光学装置位于该投影装置和该多个成像矩阵之间。

16.如权利要求13所述的系统，其中所述多个成像矩阵中的每一个包括全息相位-幅度调制器，所述全讯息相位-幅度调制器被配置为生成代表所述多个虚拟图形中的至少一个波前。

17.如权利要求13所述的系统，其中所述多个转换装置中的每一个包括一马达，该马达包括一电动马达、一线性马达、一直流马达、一无刷马达、一步进马达、一超声波压电马达、一螺旋式马达、一伺服马达、一机械齿轮一磁力开关或一位置传感器或其任何组合。

18.如权利要求13所述的系统，其中所述操作参数包括一车辆参数、一道路参数或一车辆操作员参数或其组合。

19.如权利要求13所述的系统，其中所述多个转换装置中的至少一个，被配置为基于所述操作，来动态改变所述多个成像矩阵中的至少一个的倾斜角度参数。

20.如权利要求13所述的系统，其中一第一成像矩阵被配置为根据驾驶员的左眼位置调整代表一第一虚拟图形的光在一第一图像平面上的投影，并且其中一第二成像矩阵被配置为根据驾驶员的右眼位置，调整代表该一第二虚拟图形的光在一第二图像平面上的投影。

21.如权利要求13所述的系统，还包括：一相机，用于确定驾驶员左眼位置或右眼的位置。

22.一种具可变焦平面的抬头显示方法，包括：

确定车辆的操作参数，至少部分的基于车辆的操作参数显示第一焦距处的至少一个虚拟图形；

更新车辆的运行参数；以及

以至少部分的基于车辆的更新操作参数来更新第二焦距处的至少一个虚拟图形的显示。

23.如权利要求22所述的方法，还包括：在所述至少一个虚拟图形的显示，同时地在第三焦距处显示辅助讯息。