CN109477969A - 显示设备、可移动体设备、显示设备的制造方法和显示方法 - Google Patents

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Abstract

一种HUD设备被配置成照射光以在设置于可移动体中的透射式反射器上形成图像，并且将虚拟图像显示于显示区域中以使虚拟图像与可移动体外部的场景叠加。场景中的距设定于所述可移动体中的参考点的给定距离范围被包括在显示区域中，并且到存在于给定距离范围内的目标物体(例如，路面)的第一会聚角和到显示于显示区域中的虚拟图像的第二会聚角之间的差值至多为一度。

Description

显示设备、可移动体设备、显示设备的制造方法和显示方法
技术领域
本发明涉及显示设备、可移动体设备、显示设备的制造方法和显示方法。
背景技术
作为相关技术已知将虚拟图像显示于显示区域中以将该虚拟图像叠加到可移动体外部的场景上的设备(例如，参见PTL 1)。
引用列表
专利文献
[PTL 1]公开号为2013-196359的日本未审查专利申请
发明内容
技术问题
然而，关于PTL 1中所公开的设备，存在着改善存在于可移动体外部的场景中的目标物体和虚拟图像的同时可视性的空间。
问题的解决方案
在一个实施例中，显示设备被配置成照射光以用于在设置于可移动体中的透射式反射器上形成图像，以及被配置成将虚拟图像显示于显示区域中以使虚拟图像与可移动体外部的场景叠加。从设定于可移动体中的参考点至场景的给定距离范围被包括在显示区域中，并且到存在于给定距离范围中的目标物体(例如，路面)的第一会聚角和到显示于显示区域中的虚拟图像的第二会聚角之间的差值至多为一度。
本发明的有利效果
在一个或多个实施例中，目标物体和虚拟图像的同时可视性可改善。
附图说明
图1为一个实施例中的HUD设备的总体布置的图示。
图2为HUD设备的控制系统的硬件配置的框图。
图3为HUD设备的功能配置的框图。
图4示出了HUD设备中的光源单元的配置。
图5示出了HUD设备中的光偏转器的配置。
图6示出了光偏转器的镜和扫描范围之间的关系。
图7示出了二维扫描中的扫描轨迹的一个实例。
图8A示出了由入射光通量直径和微透镜阵列中的透镜直径之间的尺寸差值所引起的效果差异。
图8B示出了由入射光通量直径和微透镜阵列中的透镜直径之间的尺寸差值所引起的效果差异。
图9示出了用于将虚拟图像显示为如同虚拟图像粘附至路面的方法。
图10示出了用于将虚拟图像显示为如同引导标识粘附至路面的方法。
图11示出了用于将虚拟图像显示为如同车辆间距离标示粘附至路面的方法。
图12示出了用于将虚拟图像显示为如同指示符粘附至路面的方法。
图13示出了显示小心标志的第一实例，该小心标志垂直于路面。
图14示出了显示小心标志的第二实例，该小心标志垂直于路面。
图15示出了指示车辆和前方车辆之间的相对速度和车辆间距离的期望值之间的关系的图表。
图16示出了当观察者同时观察目标物体和虚拟图像时的视差角。
图17为示出视点和背景之间的距离与视点和虚拟图像之间的距离之间的关系的表格。
图18示出了上面重叠虚拟图像用于显示的路面的适当距离范围。
图19示出了用于设定显示区域的位置的第一方法。
图20示出了用于设定显示区域的位置的第二方法。
图21示出了用于设定参考视点的第一方法。
图22示出了用于设定参考视点的第二方法。
图23示出了用于设定参考视点的第三方法。
图24示出了用于设定参考视点的第四方法。
图25示出了用于设定参考视点的第五方法。
图26为被配置成显示引导标识的HUD设备的配置实例的框图。
图27为被配置成显示车辆间距离的HUD设备的配置实例的框图。
图28为被配置成显示指示符的HUD设备的配置实例的框图。
图29示出了L_B(背景亮度)和L_P(非虚拟图像区域的亮度)之间的关系。
具体实施方式
<整体配置>
在下文中，将参考附图描述一个实施例中的HUD设备100。需注意，″HUD″为“平视显示器(Heads-Up Display)”的缩写。
图1示意性地示出了一个实施例中的HUD设备100的总体布置。
<HUD设备的总体布置>
HUD设备的投影方法通常分类为“面板方法(panel methods)”和“激光扫描方法”。在面板方法中，中间图像利用成像装置来形成，诸如液晶面板、数字镜装置(DMD)面板，或真空荧光显示器(VFD)。在激光扫描方法中，中间图像通过利用二维扫描装置扫描从激光光源发射的激光束来形成。具体地，在激光扫描方法中，可以为每一个像素分配发射和非发射，并且因此可形成高对比度图像，不同于其中通过部分地遮蔽全屏发射来形成图像的面板方法。
因此，作为投影方法，“激光扫描方法”被应用于HUD设备100，但是也可应用“面板方法”。
HUD设备100被安装于例如车辆上，并且被配置成产生通过车辆的前挡风玻璃50(参见图1)可视的用于车辆的操作的导航信息。导航信息包括例如车辆速度、路线信息、至目的地的距离、当前位置名称、车辆前方的物体(即，目标物体)存在与否和物体的位置、诸如限速的指示符、拥塞信息，等等。在这种情况下，前挡风玻璃50还用作透射式反射器，该透射式反射器允许部分的入射光透射并且反射至少一部分的其余光。在下文中，将具体地描述其中HUD设备100安装于机动车中的实例，该机动车为包括前挡风玻璃50的车辆。
如图1所示，HUD设备100包括光学扫描单元10、屏幕30和凹面镜40。光学扫描单元10包括光源单元11、光偏转器15和扫描镜20。通过将光束(即，图像光束)发射至前挡风玻璃50以用于在前挡风玻璃50上形成图像，HUD设备100使得虚拟图像I从观察者A(即，在此，作为车辆的占据者的驾驶员)的视点位置为可视的。也就是说，作为前挡风玻璃50上的虚拟图像I，观察者A能够观察屏幕30上的图像(即，中间图像)，该图像通过光学扫描单元10来形成(或呈现)。
作为一个实例，HUD设备100设置于车辆的仪表板之下。观察者A的视点位置和前挡风玻璃50之间的距离在数十厘米至最多一米的范围内。
在本实施例中，凹面镜40利用现有光学设计仿真软件进行设计以获得恒定聚光功率，使得虚拟图像I可形成于期望位置。
在HUD设备100中，在一个实施例中，凹面镜40的聚光功率设定成使得虚拟图像I可显示于距观察者A的视点位置大于或等于一米并小于或等于30米的距离的位置(深度位置)。在另一个实施例中，该距离可大于或等于一米并小于或等于10米。
需注意，前挡风玻璃通常不形成为平的表面，而是略微弯曲的表面。为此，虚拟图像I的成像位置由凹面镜40和前挡风玻璃50的弯曲表面来确定。
在光源单元11中，将已根据图像数据调制的R，G和B三色的激光束进行组合。其中三色的激光束被组合的组合光束被引导至光偏转器15的反射表面。用作偏转器的光偏转器15可以是通过例如半导体制造过程所生产的微机电系统(MEMS)扫描仪。MEMS扫描仪包括单个微镜，该单个微镜可绕着两个正交轴独立地摆动。光源单元11和光偏转器15的细节将随后描述。
根据图像数据从光源单元11所发射的光束(即，组合光束)由光偏转器15偏转，由扫描镜20向后反射，并且被发射至屏幕30上。在屏幕30上，对光进行扫描并且形成中间图像。具体而言，光扫描系统包括光偏转器15和扫描镜20。需注意，凹面镜40可被设计并布置成校正光学畸变元件，其形成由于前挡风玻璃50的影响而向上或向下弯曲的凸面形状的中间图像的水平线。
已穿过屏幕30的激光束被凹面镜40反射向前挡风玻璃50。至前挡风玻璃50的入射光通量的一部分穿过前挡风玻璃50，并且至少一部分的其余光通量被反射向观察者A的视点位置。因此，观察者A能够观察前挡风玻璃50上的虚拟图像I，虚拟图像I通过放大中间图像来创建。换句话讲，当从观察者A观察显示区域时，虚拟图像I通过前挡风玻璃50来被放大和显示。
需注意，用作透射式反射器的组合器可以被放置于前挡风玻璃50的观察者A的视点位置侧，使得来自凹面镜40的激光束可发射至组合器上。这种配置还使得虚拟图像I以与虚拟图像I被显示在前挡风玻璃50上的情况类似的方式来被显示。
<HUD设备的控制系统的硬件配置>
图2为HUD设备100的控制系统的硬件配置的框图。如图2所示，HUD设备100的控制系统包括现场可编程门阵列(FPGA)600、中央处理单元(CPU)602、只读存储器(ROM)604、接口(I/F)608、总线610、激光二极管(LD)驱动器6111和MEMS控制器615。
FPGA 600被配置成使LD驱动器6111根据图像数据操作后面所描述的激光二极管(LD)，并且使MEMS控制器615操作光偏转器15。CPU 602被配置成控制HUD设备100的操作。ROM 604被配置成存储用于控制HUD设备100的操作的图像处理程序。RAM606用作CPU602的工作区域。I/F 608为接口，以允许HUD设备100与外部控制器通信。例如，I/F 608耦合至机动车的控制器区域网络(CAN)。
<HUD设备的功能框>
图3为HUD设备100的功能配置的框图。如图3所示，HUD设备100包括车辆信息输入单元800、外部信息输入单元802、图像数据生成单元804和图像呈现单元806。车辆信息输入单元800被配置成例如从CAN接收车辆信息(即，包括车辆速度、里程、目标物体的位置、外部环境的亮度等的信息)。外部信息输入单元802被配置成从外部网络接收关于车辆外部的信息(例如，来自安装于车辆中的汽车导航系统的导航信息等)。图像数据生成单元804被配置成生成图像的图像数据，该图像根据从车辆信息输入单元800接收的信息或从外部信息输入单元802接收的信息来被呈现。图像呈现单元806包括控制单元8060，并且被配置成基于所接收图像数据而使图像呈现。图像数据生成单元804和控制单元8060由FPGA 600启用。图像呈现单元806由FPGA600、LD驱动器6111、MEMS控制器615、光学扫描单元10、屏幕30和凹面镜40启用。
<光源单元的配置>
图4示出了光源单元11的配置。如图4所示，光源单元11包括多个(例如，三个)发光元件111R、111B和111G，其各自具有一个或多个发光点。发光元件111R、111B和111G中的每一个可为激光二极管(LD)。发光元件111R、111B和111G分别发射具有互相不同的波长λR、λG和λB的光束。例如，λR为640纳米，λG为530纳米，并且λB为445纳米。在下文中，发光元件111R、111B和111G也分别被称为LD 11lR、LD 111G和LD 111B。已从LD 111R、LD 111G和LD111B所发射的波长λR、λG和λB的光通量分别通过对应耦合透镜112R、112G和112B耦合至后面的光学系统。已耦合的光通量通过对应孔构件113R、113G和113B来整形。根据光通量的会聚角，孔构件113R、113G和113B的每一个的孔形状可具有各种形状中的任一种形状，包括圆形、椭圆形、矩形和方形。然后，已通过对应孔构件113R，113G和113B所整形的光通量通过组合元件115被组合成光路。具体地，组合元件115可为板形或棱柱形二向色镜，该二向色镜被配置成根据波长而反射或透过光通量，以及将光通量组合成此类单个光路。组合光通量由透镜119引导至光偏转器15的反射表面。透镜119可为具有面向光偏转器15的凹表面的弯月形透镜。
<光偏转器的配置>
图5示出了光偏转器15的配置。光偏转器15可为通过半导体制造工艺生产的双轴MEMS扫描仪。如图5所示，光偏转器15包括具有反射表面的镜150和一对曲折单元152，每个曲折单元包括在α轴上对齐的多个束，两个相邻束在α轴耦合以在转向点处曲折。曲折单元152的每一个中包括的此类两个相邻束包括A束152a和B束152b。曲折单元152由框架构件154支撑。多个束分别包括多个压电构件156(例如，PZT)。通过将不同电压施加至曲折单元152的每一个中包括的两个相邻束的压电构件156，两个相邻束以不同的方向偏转，并且两个相邻束的此类偏转被累加。然后，镜150绕着α轴(即，竖直方向)大角度旋转。这种配置实现了以低电压绕着α轴在竖直方向上的光学扫描。相比之下，关于绕着β轴在水平方向上的光学扫描，采用利用耦合至镜150的扭杆弹簧的共振。
尽管HUD设备100仅瞬时投影对应于激光束直径的点图像，但是HUD设备100以极高速度扫描激光束。因此，余像以一帧图像完全地保留于人眼中。通过利用此类余像现象，可能使观察者感知投影于“显示区域”上的图像。事实上，凹面镜40和前挡风玻璃50被配置成反射显示在屏幕30上的图像，以使观察者将反射的图像感知为“显示区域”中的虚拟图像I。利用上文所描述机制，为了不显示虚拟图像I，可停止来自LD的光发射。换句话讲，对于“显示区域”，在除了要显示虚拟图像的区域之外的任何其它区域中将亮度设置为零是可能的。
具体地，由HUD设备100所形成的虚拟图像I的成像位置可以是可形成虚拟图像I的预定“显示区域”内的任何位置。此类预定“显示区域”可通过HUD设备100的设计阶段的设计规范来确定。
通过采用如上文所描述的“激光扫描方法”，对于其中不期望显示的区域，当不需要显示或为了减小光量时采取动作以关闭LD是可能的。
相比之下，在用于将中间图像形成于诸如液晶面板或DMD面板的成像装置上的“面板方法”中，需要照亮整个面板。因此，对于图像信号，甚至在不显示图像的黑色显示的情况下，考虑到液晶面板或DMD面板的特性，难以彻底地消除图像信号。因此，黑色部分可能会立体地显现。然而，在激光扫描方法中，消除立体地显现的此类黑色部分是可能的。
FPGA 600控制用于发光的光源单元11中的发光元件111R、111B和111G的发光强度、照明时刻(timing)和光波。如图6所示，已从发光元件111R、111B和111G发射并且已组合成光路的光通量通过光偏转器15绕α轴和β轴进行二维偏转。然后，偏转的光通量经由扫描镜20作为扫描束被照射到屏幕30上(参见图1)。即，屏幕30通过扫描束被二维扫描。需注意，在图6中，省略了对扫描镜20的说明。
当以大约20000Hz至40000Hz的高频率在主扫描方向上振动式扫描(往复式扫描)屏幕30的扫描范围时，扫描束以大约数十Hz的低频率在副扫描方向上执行单向扫描。换句话讲，执行光栅扫描。此时，通过根据扫描位置(扫描束的位置)控制从发光元件所发射的光来使得像素呈现和虚拟图像显示。
使一个屏幕显示呈现的周期可为数十毫秒，其中，使一个屏幕显示呈现的周期为用于扫描一帧所需的扫描周期(二维扫描的一个循环)，因为副扫描频率为如上文所描述的数十Hz。例如，当主扫描频率为20000Hz并且副扫描频率为50Hz时，用于扫描一帧所需的扫描周期为20毫秒。
如图7所示，屏幕30包括图像区域30a(有效扫描区域)和围绕图像区域30a的帧区域30b其中图像被呈现(根据图像数据所调制的光被发射)在图像区域30a中。
在此，可由光偏转器15扫描的整个区域被称为“扫描范围”。扫描范围包括屏幕30中的图像区域30a和部分的帧区域30b(图像区域30a的外边缘附近的部分)。在图7中，扫描范围中的扫描线的轨迹由之字形线表示。在图7中，为简化起见，所示的扫描线的数量低于扫描线的实际数量。
屏幕30的图像区域30a包括具有光漫射效果的透射元件，例如，诸如微透镜阵列。图像区域30a可不限于矩形或平面，还可以为多边形或弯曲面。屏幕30可为不具有光漫射效果的平板或弯曲板。根据装置布局，图像区域30a可包括具有光漫射效果的反射元件，例如，诸如微镜阵列。
在下文中，将参考图8A和图8B描述屏幕30的图像区域30a中所用的微透镜阵列中的相干噪声的发生和漫射。
图8A示出了微透镜阵列852。微透镜阵列852具有细小凸面透镜结构，其中细小凸面透镜851对齐。“图像显示束”853的光通量直径857小于细小凸面透镜851的尺寸856。换句话讲，细小凸面透镜851的尺寸856大于光通量直径857。需注意，在说明书的一个实施例中，图像显示束853可为激光光通量，其具有绕着光通量中心的高斯分布的光强度分布。
因此，光通量直径857可为光通量的径向上的距离，其中光强度在光强度分布中下降至“1/e2”。
在图8A中，光通量直径857被示为具有与细小凸面透镜851的尺寸856几乎相同的尺寸。然而，光通量直径857可以不具有与细小凸面透镜851的尺寸856相同的尺寸。光通量直径857可具有不大于细小凸面透镜851的尺寸856的任何尺寸。
在图8A中，图像显示束853完全地入射到单个细小凸面透镜851中，并且转换成具有会聚角855的漫射光通量854。需注意，在下述描述中，“会聚角”也称为“漫射角”。
在图8A的状态下，示出了单个漫射光通量854。因为不存在光通量干涉，所以没有相干噪声出现。会聚角855的尺寸可根据细小凸面透镜851的形状来适当地设定。
在图8B中，像素显示束811具有细小凸面透镜851的布置间距812的二倍的光通量直径。像素显示束811经两个细小凸面透镜813和814进入。在这种情况下，像素显示束811通过两个细小凸面透镜813和814分别漫射成两个会聚光通量815和816。两个会聚光通量815和816在区域817中彼此叠加，在区域817中彼此干涉，并且生成相干噪声。
返回至图7，扫描范围中图像区域30a的周边区域(帧区域30b的一部分)包括同步检测系统60，同步检测系统60包括光接收装置。在图7中，同步检测系统60布置于图像区域30a中的-X侧和+Y侧的角上。在下述描述中，X方向表示屏幕30的主扫描方向，并且Y方向表示副扫描方向。
同步检测系统60被配置成检测光偏转器15的操作，并且被配置成将同步信号输出至FPGA 600以用于确定扫描开始时刻或扫描结束时刻。
<细节>
在使用HUD设备用于将作为虚拟图像的信息重叠到现实世界(例如，前向场景)上以进行几何匹配的的增强现实(AR)或混合现实(MT)显示的情况下，存在这样的担忧：根据显示方法，观察者(例如，驾驶员)可能会感觉到不舒适或疲劳。
因此，本公开的发明人已引入一种用于显示虚拟图像而不给予观察者任何不舒适或疲劳感的技术。此类技术将在下文详细地描述。
一般来讲，在使用HUD设备重叠和显示虚拟图像的技术中，基本上存在两种方法使虚拟图像与现实世界几何匹配。
在第一种方法中，如图9所示，当从观察者观察显示区域时，虚拟图像呈现于显示区域中，如同虚拟图像粘附至其中安装有HUD设备的车辆的前向场景(例如，前方的路面)。第一种方法可主要用于以易于理解方式向观察者指示深度方向上的距离信息的目的。适于以第一种方法显示的虚拟图像可包括，例如，如图10所示的用于引导车辆的路线的引导标识、如图11所示的用于指示车辆和前方车辆之间的车辆间距离的车辆间距离标示和如图12所示的用于指示另一车辆的标识符。
在第二种方法中，如图13和图14所示，当从观察者观察显示区域时，虚拟图像呈现于显示区域中，如同虚拟图像站立在其中安装有HUD设备的车辆的前向场景(例如，前方的路面)中。第二种方法可用于利用虚拟图像通知目标物体的存在的目的，或当虚拟图像不必须显示为如同虚拟图像粘附至路面时可使用。适于以第二种方法显示的虚拟图像可包括，例如，用于指示以下项的标示：存在于车辆前方的路面上的某人(例如，行人、交通引导员、道路上的工作者等)的存在、呈现或设置于车辆前方的路面上的路标的存在，或车辆前方的路面上的障碍物(例如，用于交通管制的屏障、损坏车辆、事故车辆等)的存在。
在显示此类形式的过程中，信息的形状几何上改变用于标示，如同此类信息的形状存在于现实世界中重叠用于显示。在此，期望将信息重叠以用于显示的现实世界中的位置可根据所显示的信息而变化。
例如，车辆间距离、与前方车辆碰撞的碰撞风险程度或车辆间距离的期望值可在某一预定时刻显示，该预定时刻包括用于驾驶员在驾驶员观察到显示之后采取动作的一些时间。
关于此类预定时刻，美国交通部的国家公路交通安全管理局(HNTSA)在新车评估测试项目(NCAP)的评定标准中规定，“当碰撞时间(TTC)为2秒至2.4秒时给出警报”。
“TTC”为直至两车辆碰撞所经过的周期，其通过将车辆和前方车辆之间的距离除以相对速度来计算。图15示出了2.4秒的TTC的距离和相对速度之间的关系。
考虑到车辆行驶环境，假设20千米/小时或更高。在此类环境中，根据图15，其中虚拟图像重叠用于显示的距离范围的下限可为13米，其中车辆前端用作参考。需注意，根据观察者的视点位置和车辆前端之间的位置关系，其中虚拟图像重叠用于显示的距离范围的下限可由车辆前端被用作参考的距离(13米)改变为视点位置被用作参考(大约13米至16米)的距离。
在其中虚拟图像重叠于目标物体上用于显示的情况下，例如，路标或行人，目标物体的信息可从高级驾驶员辅助系统(ADAS)采集。在ADAS中，毫米波雷达、立体相机或单目相机和激光成像检测和测距(LIDAR)或光检测和测距以混合方式来使用。然而，上文所描述装置的可检测范围具有限制，并且这些装置通常用于保证精度的范围。因此，其中虚拟图像重叠用于显示的距离范围的上限可设定成ADAS的最大检测距离(例如，200米)(然而，相对于随后进行描述的HUD设备的设计条件，该上限可设定成ADAS的最大检测距离或更短)。
人的右眼和左眼位于彼此分开的位置。因此，分别投影于右眼和左眼的视网膜上的图像根据右眼和左眼之间的距离而不同。随着目标物体和眼睛之间的距离变长，此类差值变小；并且随着目标物体和眼睛之间的距离变短，此类差值变大。人脑通过识别投影于右眼和左眼上的目标物体的图像之间的差值而感知深度。
HUD设备为，例如，车载显示设备，该车载显示设备被配置成在车辆驾驶员的前方显示作为虚拟图像的信息。此类信息经由透射式反射器(还称为前挡风玻璃或组合器)可视地显示为虚拟图像，以与驾驶员的前向场景叠加。通过调整要被显示为虚拟图像的信息的几何形状以匹配现实世界，上文所描述重叠和显示使驾驶员能够感知该信息，如同该信息存在于现实世界中的给定位置。
然而，HUD设备所显示的虚拟图像(在下文中，称为“显示图像”)二维上投影于显示区域中，这在HUD设备的设计阶段确定。因此，甚至当形状和彩色阴影被调整为如同显示图像存在于现实世界中的给定位置，例如，在驾驶员的视点指向的路面上时，投影会有所不同，即右眼和左眼视网膜的视差，这是由于右眼和左眼到虚拟图像的距离之间的差值所导致。
如图16所示，θscene表示当观察者观察现实物体时由右眼和左眼的视线所产生的会聚角，其中现实物体为虚拟图像将重叠于其上的目标物体(即，存在于现实世界中的目标物体)，θHUD表示当观察者观察虚拟图像时由右眼和左眼的视线所产生的会聚角，并且θscene-θHUD的绝对值(|θscene-θHUD|)表示视差角θ(°)。会聚角可利用下述表达式(1)进行计算。具体地，当x(m)为两个眼睛之间的距离并且L(m)为现实物体和眼睛之间的距离时，θscene可在下述表达式(1)中进行计算。具体地，当下述表达式(1)中的x(m)为两个眼睛之间的距离并且L(m)为虚拟图像和眼睛之间的距离时，θHUD也可在下述表达式(1)中进行计算。
【数学式1】
当视差角θ超出一度时，可视为，观察者感知双重图像并且逐渐感觉到不舒适或疲劳。
图17示出了视差角相对于观察者的视点位置和显示图像(虚拟图像)之间的距离的关系，该视差角利用观察者的视点位置和显示图像重叠其上的现实物体(目标物体现实中存在于前向场景中的显示区域的背景上)之间的距离进行计算。图17中的视差角的值在上述表达式(1)中进行计算，两眼之间的距离X设定为人类的平均值65毫米。
利用距离范围的上限和下限，其中重叠有显示图像，并且根据上文所描述的理由确定，和其中视差角为一度或更小的条件，在重叠显示图像中确定显示图像和观察者的视点位置之间的适当距离范围(在下文中，也称为“适当距离范围”)是可能的。需注意，如通过图17所理解，随着显示图像重叠于其上的现实物体变得更远，视差角θ变得更大。因此，适当距离范围的上限可以被设定在ADAS的最大检测距离或更小，并且可以被设定在一度或更小的视差角θ。
此外，HUD设备的显示区域(虚拟图像可显示范围)受限。因此，显示区域的位置可以被确定成使得距观察者的视点位置适当距离范围内的路面被包括于显示区域中。此类用于确定显示区域的位置的方法在将虚拟图像显示为如同虚拟图像粘附至前方路面的情况下(例如，在以二维表达深度感的情况下)为尤其有利的。在将虚拟图像显示为如同虚拟图像竖直地站立于路面上的情况下，当视差角θ为一度或更小时，通过改变显示图像的尺寸来表达透视感是可能的。
如上述配置的HUD设备使虚拟图像能够重叠于现实物体上，以显示而不给予观察者任何不舒适或疲劳感。
接下来，用于确定显示区域的位置的方法将结合示例进行描述。
如图18所示，首先，设定适当距离范围的上限和下限。上限以如上所述ADAS的最大检测距离来设定。考虑到如上所述的车辆行驶环境，下限根据系统需求来确定。
接下来，如图19所示，确定显示区域的位置以便将虚拟图像显示于适当距离范围内。在此，需注意，仅确定相对于车辆在显示区域的竖直方向上的位置和在前后方向上的位置。相对于车辆在显示区域的左右方向上的位置在其他条件下进行确定。例如，在适当距离范围的上限中，相对于车辆在显示区域的左右方向上的位置可以被确定成包括车辆在其中行驶的行车道之间的宽度。另外，显示区域的水平方向对应于车辆的左右方向。
如图20所示，最后，距离LHUD被设定成使得视差角θ为一度或更小。视差角θ为到适当距离范围中的下限的中心(图20中距观察者的视点位置的距离LReal的位置)的会聚角和到显示区域的底端的中心(图20中距观察者的视点位置的距离LHUD的位置)的会聚角之间的差值。在此，显示区域的底端的中心和适当距离范围的下限的中心均利用距观察者的视点位置的距离来限定，但可利用平行于路面的距离来限定，诸如图20中的L’HUD和L’Real。
类似地，显示区域的顶端的中心和观察者的视点位置之间的距离被设定成使得视差角θ为一度或更小。视差角θ为相对于适当距离范围的上限的中心的会聚角和对显示区域的顶端的中心的会聚角之间的差值。在此，显示区域的顶端和适当距离范围的上限通过距观察者的视点位置的距离来限定，但也可以用平行于路面的距离来限定。
需注意，虚拟图像的图像形成位置(显示区域中虚拟图像的位置)可通过例如扫描镜20、凹面镜40或透射式反射器(例如，前挡风玻璃50)的曲率(功率)来设定。
在上述描述中，当观察者同时观察虚拟图像和前向场景时，显示区域的位置被设定成使得视差角θ在以下两种情况下为一度或更小：视差角θ为显示区域的底端的中心和适当距离范围的下限的中心之间的差值，和视差角θ为显示区域的顶端的中心和适当距离范围的上限的中心之间的差值。然而，显示区域的位置不限于上述视差角。
例如，在其中视差角θ为显示区域的顶端的中心(在此，具有距观察者的视点位置的最短距离的显示区域中的位置)和适当距离范围的上限的左端和右端中的至少一者(具有距观察者的视点位置的最长距离的适当距离范围中的位置)之间的差值的情况下，显示区域的位置可以被设定成使得视差角θ为一度或更小。
如根据上文描述所理解，“适当距离范围”被设定成使得视差角θ为一度或更小。需注意，已发现，在观察者的视点位置和虚拟图像的图像形成位置之间的距离D为例如四米的情况下，当观察者的视点位置和目标物体之间的距离为两米以上并且1000米以下时，视差角θ为一度或更小。还发现，在观察者的视点位置和虚拟图像的图像形成位置之间的距离D为例如六米或更大的情况下，视差角θ为一度或更小，甚至当目标物体位于极远位置时。随着距离D变得更短，在HUD设备中光路长度可以更短。因此，可减小HUD设备100的尺寸。
考虑到HUD设备100安装于车辆中，存在于车辆前方1000米或更远的目标物体可通过将距离D设定在四米至六米进行处置。此类设定足以实际使用，并且有利于减小HUD设备100的尺寸。距离D对应于图20中的LHUD或L’HUD。
当与观察者的视点位置分开例如两米或更大的目标物体可以被处置时，HUD设备100利于实际使用。换句话讲，将虚拟图像显示于距观察者的视点位置两米或更小的极近范围中的必要性极低。需注意，在实际使用中，当能够处置与观察者的视点位置分开y米或更远(例如，从两米至五米)的目标物体时，没有发现问题。
距离D可设定于六米或更大，而不论安装有HUD设备100的车辆的类型。然而，为防止HUD设备100的尺寸增大，距离D可设定于10米或更小。
在以下描述中，在HUD设备100设计中用作参考的观察者的视点位置称为“参考视点”。
在车辆设计中用作参考的观察者的视点位置可设定在地面之上H米的高度(例如，在标准尺寸轿车的情况下，大约1.2米)。
然而，事实上，根据观察者(例如，驾驶员)的身体差异，观察者的视点位置的高度在高度范围内变化，该高度范围包括高于地面的高度的中值H(m)加或减竖直线J(m)的长度的10％，事实上竖直线J从高度H(m)向下延伸至驾驶员座位的座面。在这种情况下，J(m)指示驾驶员的平均坐高。
因此，甚至当参考视点的高度被设定为上文所描述高度范围内，并且虚拟图像被显示在显示区域中以在当从参考视点观察虚拟图像时叠加适当距离范围时，根据观察者的视点位置的实际高度，或根据在适当距离范围内重叠虚拟图像的位置，至少一部分的虚拟图像可能看不到。
因此，本公开的发明人已发现用于设定参考视点和显示区域的方法，如图21至图25所示。在图21至图25中，假设显示区域的形状和尺寸等同的，显示区域垂直于路面，并且显示区域的顶端低于高度范围的下限。需注意，显示区域可相对于路面向前倾斜。
在图21的实例中，首先，参考视点B的高度被设定在高于地面的高度H(高度范围中的中值的高度)。显示区域被设定成，使得当从参考视点B观察显示区域时，整个适当距离范围被包括于显示区域中；使得当从视点P观察显示区域时，在显示区域中看到第一范围，该第一范围为适当距离范围的70％或更多，视点P位于高度范围的中值之上竖直线J的10％长度(视点P表示高度范围的上限，该上限为地面之上的高度H+0.1J)；并且使得当从视点Q观察显示区域时，第二范围被包括在显示区域中，该第二范围为适当距离范围的70％或更多，视点Q位于高度范围的中值之下竖直线J的10％长度(视点Q表示高度范围的下限，该下限为地面之上的高度H-0.1J)。在这种情况下，通过将虚拟图像显示于显示区域中，以叠加第一和第二范围的叠加范围(例如，60％或更多的适当距离范围的范围)，整个虚拟视图可从高度范围内的任何给定高度处的视点进行观察。需注意，显示区域的位置可通过确定从参考视点B俯视显示区域的顶端的角θ来设定，使得当从参考视点B观察显示区域时，整个适当距离范围可以被包括于显示区域中。
在图22的实例中，接下来，参考视点B的高度被设定在高于地面之上的高度H+0.05J。显示区域被设定成，使得当从参考视点B观察显示区域时，整个适当距离范围被包括于显示区域中；使得当从视点P观察显示区域时，第一范围被包括在显示区域中，该第一范围为适当距离范围的80％或更多，视点P位于高度范围的中值之上竖直线J的10％长度(视点P表示高度范围的上限，该上限为地面之上的高度H+0.1J)；并且使得当从视点Q观察显示区域时，第二范围被包括在显示区域中，该第二范围为适当距离范围的80％或更多，视点Q位于高度范围的中值之下竖直线J的10％长度(视点Q表示高度范围的下限，该下限为地面之上的高度H-0.1J)。在这种情况下，通过将虚拟图像显示于显示区域中，以叠加第一和第二范围的叠加范围(例如，70％或更大的适当距离范围的范围)中的虚拟图像，整个虚拟视图可从高度范围内的任何高度处的视点进行观察。
在图23的实例中，接下来，参考视点B的高度被设定在高于地面的高度H+0.1J(即，参考视点B与视点P匹配)。显示区域被设定成，使得当从参考视点B观察显示区域时，整个适当距离范围被包括于显示区域中；并且使得当从视点Q观察显示区域时，给定范围被包括于显示区域中，该给定范围为适当距离范围的80％或更多，视点Q位于高度范围的中值之下竖直线J的10％长度(即，视点Q表示高度范围的下限，该下限为地面之上的高度H-0.1J)。在这种情况下，通过将虚拟图像显示于显示区域中，以叠加给定范围和适当距离范围的叠加范围(例如，80％或更大的适当距离范围的范围)中的虚拟图像，整个虚拟视图可从高度范围内的任何高度处的视点进行观察。
在图24的实例中，接下来，参考视点B的高度被设定在高于地面之上的高度H-0.05J。显示区域被设定成，使得当从参考视点B观察显示区域时，整个适当距离范围被包括于显示区域中；使得当从视点P观察显示区域时，第一范围被包括在显示区域中，该第一范围为适当距离范围的60％或更多，视点P位于高度范围的中值之上竖直线J的10％长度(视点P表示高度范围的上限，该上限为地面之上的高度H+0.1J)；并且使得当从视点Q观察显示区域时，第二范围被包括在显示区域中，该第二范围为适当距离范围的60％或更多，视点Q位于高度范围的中值之下竖直线J的10％长度(视点Q表示高度范围的下限，该下限为地面之上的高度H-0.1J)。在这种情况下，通过将虚拟图像显示于显示区域中，以叠加第一和第二范围的叠加范围(例如，50％或更大的适当距离范围的范围)中的虚拟图像，整个虚拟视图可从高度范围内的任何高度处的视点进行观察。
在图25的实例中，接下来，参考视点B的高度被设定在高于地面的高度H-0.1J(即，参考视点B与视点P匹配)。显示区域被设定成，使得当从参考视点B观察显示区域时，整个适当距离范围被包括于显示区域中；并且使得当从视点P观察显示区域时，给定范围被包括于显示区域中，该给定范围为适当距离范围的40％或更多，视点P位于高度范围的中值之上竖直线J的10％长度(即，视点P表示高度范围的上限，该上限为地面之上的高度H+0.1J)。在这种情况下，通过将虚拟图像显示于显示区域中，以叠加给定范围和适当距离范围的叠加范围(例如，40％或更大的适当距离范围的范围)中的虚拟图像，整个虚拟视图可从高度范围内的任何高度处的视点进行观察。
至此，已描述图21至图25的实例。在显示区域的形状和尺寸等同的条件下，随着考视点B的高度范围内的设定水平变得更高，叠加范围可变得更宽。虚拟图像可重叠的范围能够更广，使得可以从适当距离范围内的任何高度处的视点看到整个虚拟图像。
特别地，通过将参考视点B的高度范围内的设定水平设定在地面之上的高度H-0.05J或更大，显示区域的位置可设定成使叠加范围(其中可重叠虚拟图像使得当显示区域从高度范围内的任何高度处的视点进行观察时整个虚拟图像可以被看到的范围)可视，其中，叠加范围为适当距离范围的50％或更多。
此外，通过将参考视点B的高度范围内的设定水平设定于地面之上的高度H(高度范围的中值的高度)或更大，显示区域的位置可设定成使叠加范围(其中可重叠虚拟图像使得当显示区域从高度范围内的任何高度处的视点进行观察时整个虚拟图像可以被看到的范围)可视，其中，叠加范围为适当距离范围的60％或更多。
另外，通过将参考视点B的高度范围内的设定水平设定于地面之上的高度H+0.05J或更大，显示区域的位置可设定成叠加范围(其中可重叠虚拟图像使得当显示区域从高度范围内的任何高度处的视点进行观察时整个虚拟图像可以被看到的范围)可见，其中，叠加范围为适当距离范围的70％或更多。
通过增大显示区域的尺寸，容易在适当距离范围内加宽叠加范围(其中可重叠虚拟图像使得当显示区域从高度范围内的任何高度处的视点进行观察时整个虚拟图像可以被看到的范围)。然而，显示区域的尺寸和设备的尺寸减小具有折衷关系。显示区域的尺寸增大不必要地将导致设备的尺寸增大。因此，增大显示区域的尺寸不是适当的解决方案。
因此，在一个实施例中，如上文所述，关于具有有限尺寸的显示区域，发明人已慎重地考虑参考视点的高度和显示区域的位置。因此，在适当距离范围内，当从高度范围内的任何高度处的视点观察虚拟图像时，加宽其中可重叠虚拟图像使得整个虚拟图像可以被看到的范围是可能的。
对于由于观察者的身体差异引起的视点位置的高度变化，还可通过调整显示区域的位置来观察已在适当距离范围内重叠的整个虚拟图像。
HUD设备100可以包括调整器，该调整器被配置成手动地或自动地调整显示区域的位置。调整器可以包括，例如，能够改变整个HUD设备100或凹面镜40的位置或取向的机构。为了手动地调整显示区域的位置，向用户(即，观察者)提供了操作单元以操作该机构。为了自动地调整显示区域的位置，提供了检测单元(例如，相机)，该检测单元被配置成检测用户(即，观察者)的视点。
在调整显示区域的位置之后，考虑到调整之后显示区域的位置和视点位置之间的关系，信息的显示的图像(虚拟图像)可以被几何上改变，如同信息存在于信息重叠于其上以用于显示的现实世界中的位置。
在通用HUD设备中，应理解，其中未显示虚拟图像的显示区域的部分为淡黑色，并且其中不希望显示的信息的区域微微发光(即，可看到所谓明信片(postcard))。这种现象降低了观察者感知与车辆前方的路面叠加的虚拟图像的想要的效果。因此，在一个或多个实施例中，增强现实的效果可通过应用激光扫描方法来保持。
<明信片被识别的条件的推导>
一般来讲，尽管亮度差异区分阈值(即，人可识别亮度差异的阈值)根据环境中的亮度而改变，但据说，阈值的亮度/背景的亮度为大约1/100至1/1000。在下述测试结果中，关于背景亮度的条件随着作为先决条件的此类值改变。
明信片被识别的亮度被详细地检查。具体而言，亮度L_P(在显示区域中，虚拟图像未显示的区域(非虚拟图像区域)的亮度)通过改变呈现于屏幕30上的图像的亮度而改变，明信片开始被识别的L_P的值以二维亮度计进行测量。L_B和L_P之间的关系示于图29中。
在测量中，当显示区域从观察者V进行观察时，L_B/L_P被定义为非虚拟图像呈现区域L_P相对于背景亮度L_B的对比度。关于背景亮度L_B，将可建立实验环境的三种类型设定为条件。以低亮度次序，背景亮度L_B的此三种类型假设为夜间路面亮度、隧道照明路面亮度和多云白天路面亮度。L_P相对于每个L_B改变，并且对于明信片不被识别的L_P区域，计算每个对比度L_B/L_P。表1示出了结果。
表1
如表1所示，明信片可识别的亮度L_P根据背景亮度L_B而改变。已发现，当对比度L_B/L_P为30或更大时，明信片未识别，例如，在背景亮度L_B对应于夜间路面的情况下。表1还示出了L_B/L_P的值，这些值在其中L_B的值为46.2cd/m2和213.0cd/m2的情况下彼此相对较为接近。根据表1，当背景亮度L_B具有某一水平的亮度(例如，实验中的46.2cd/m2)或更大时，明信片被识别的对比度通常为恒定的。特别地，当L_B/L_P为100或更大时，无论背景亮度L_B如何，明信片不可识别。
如上文所描述，已发现，当L_B/L_P为大约100或更大时，无论亮度L_P或背景亮度L_B如何，明信片不可识别。换句话讲，在HUD设备100中，已发现，设定明信片不可识别(基本上没有明信片生成)的亮度L_P的值是可能的。然而，如通过表1所理解，根据一些条件，对比度L_B/L_P可以不被设定于100或更大。
在HUD设备100中，由于所显示虚拟图像的亮度较高的，亮度L_P较高。由于所显示虚拟图像的亮度较低，亮度L_P为较低。因此，在HUD设备100的图像数据生成单元804中，通过调整所显示虚拟图像的亮度使得对比度L_B/L_P为给定值或更大，可实现明信片不可识别的状态。在此，例如，L_B/L_P的此类给定值可为100。除了图像数据生成单元804，在任何光学设计阶段，HUD设备100可以被设计成当使用HUD设备100时，使得L_B/L_P可以是100或更大。
然而，在面板方法中，难以将对比度L_B/L_P设定于100或更大，然而在激光扫描方法中，将对比度L_B/L_P设定于大约1000至10000是很容易的。因此，为实现没有明信片被识别的状态，可应用激光扫描方法。
在一些情况下，尽管应用了激光扫描方法，但是当所显示的虚拟图像为高亮度时，明信片的亮度根据虚拟图像的尺寸而变的更高。执行用于测量虚拟图像的尺寸和明信片的亮度的测量实验。具体地，当背景亮度L_B为10000cd/m2时，激光束从激光光源进行发射，使得显示图像为充分可视的。在这种状态下，当虚拟图像的尺寸(形成于屏幕30上的中间图像的区域)变化时，测量明信片的亮度L_P。作为测量的结果，已发现，当虚拟图像区域与整个显示区域的比率(区域比率)降至低于45％时，对比度L_B/L_P为100或更大。
因此，当显示虚拟图像时，同时显示虚拟图像的总区域相对于整个显示区域可具有给定区域比率或更小(例如，大约45％或更小)。在此类配置中，甚至当所显示虚拟图像的亮度的上限增加至一定程度时，对比度L_B/L_P可设定于100或更大。
在许多情况下，HUD设备100的观察者为车辆的驾驶员。因此，要求不妨碍观察者的视觉。根据此类观点，在不照亮整个显示区域的情况下，相对于整个显示区域，同时显示虚拟图像的总区域可被设定在给定区域比率或更小(例如，大约45％或更小)。
接下来，将参考图26描述被配置成显示引导标识(例如，参见图10)的HUD设备100中的图像数据生成单元804的配置实例。
如图26所示，图像数据生成单元804包括引导信息采集单元901和引导显示数据生成单元902。
引导信息采集单元901经由外部信息输入单元802从汽车导航系统200采集关于车辆的预定行驶路径的信息(例如，关于预定行驶路径上的下一向右或向左转向点，或预定行驶路径上的附近商店、设施或房屋的信息)，并且将采集信息传送至引导显示数据生成单元902。需注意，“预定行驶路径”由用户在汽车导航系统200上适当地设定。
引导显示数据生成单元902基于已接收的关于预定行驶路径的信息和引导标识模板而生成引导标识数据，并且将引导标识数据传送至图像呈现单元806的控制单元8060。
根据已从引导显示数据生成单元902接收的引导标识数据，控制单元8060控制LD驱动器6111和MEMS控制器615，并且在显示区域中将引导标识显示为虚拟图像。
在上述方式中，通过在叠加车辆的前向场景的显示区域中显示关于车辆的预定行驶路径的引导标识，驾驶员能够识别关于预定行驶路径的信息而无需将眼睛移离车辆的前向场景。
接下来，将参考图27描述被配置成显示车辆间距离标示(例如，参见图11)的HUD设备100的配置实例。
在此，除了上文所描述的基本配置，HUD设备100还包括用作检测系统的激光雷达300，该检测系统被配置成检测目标物体的位置，如图27所示。图像数据生成单元804包括随后描述的额外配置和功能。
需注意，可能不仅仅为“指示符”提供“检测系统”。例如，还可使用用于例如车辆自动控制(例如，自动制动或自动转向)的检测装置。当利用此类“检测装置”时，HUD设备100可不包括检测系统。
简而言之，“检测系统”或“检测装置”可为能够检测目标物体的存在和车辆的前方(包括斜前方)所存在的目标物体的位置的任何系统或装置。替代激光雷达(例如，包括用作光源的半导体激光器的雷达)，可使用具有用作光源的LED的雷达、毫米波雷达、红外雷达、单目相机、立体相机，或此类雷达和相机的任何组合。
激光雷达300包括光投影系统，光接收系统和处理系统，光投影系统包括至少一个激光光源(例如，半导体激光器)，光接收系统包括至少一个光接收元件(例如，光电二极管)，该至少一个光接收元件被配置成接收已从光投影系统所投影并且已由目标物体所反射的光，处理系统被配置成运算到目标物体的距离。激光雷达300的投影范围可为给定范围，该给定范围包括车辆的前向范围和车辆的斜前向范围。通过激光雷达300测量距离的方法可以是直接飞行时间(TOF)方法或间接TOF方法。在直接TOF方法中，至目标物体的距离通过计算从激光光源发射光的时刻和通过光接收元件接收光的时刻之间的时间差进行测量。在间接TOF方法中，至目标物体的距离通过使用多个相位信号计算操作中的时间差进行测量，多个相位信号通过将由光接收元件所接收的光接收信号进行划分获得。光投影系统可为扫描类型或非扫描类型。
激光雷达300安装于例如前保险杠或后视镜中或其附近。当检测目标物体(在此，车辆前方的前方车辆)时，激光雷达300将三维位置信息(也称为距离图像)传送至车辆控制器400，该三维位置信息为检测结果。
车辆控制器400为被配置成控制整个车辆的装置。车辆控制器400被配置成通过利用前方车辆的三维位置信息和已接收信息的任何改变来计算当前车辆与前方车辆之间的车辆间距离和相对速度，基于相对速度而设定车辆间距离的期望值，并且经由车辆信息输入单元800将期望值和当前车辆间距离传送至图像数据生成单元804。
图像数据生成单元804包括车辆间距离和期望值采集单元903，以及车辆间距离显示和期望值数据生成单元904。
车辆间距离和期望值采集单元903被配置成从车辆控制器400采集当前车辆间距离和车辆间距离的期望值，并且将当前车辆间距离和车辆间距离的期望值传送至车辆间距离标示和期望值数据生成单元904。
根据已接收的当前车辆间距离和车辆间距离的期望值以及车辆间距离标示模板(包括多个构成单元的数据，这些构成单元在车辆车道的宽度方向上延伸并且在车辆车道的长度方向上对齐)，车辆间距离显示和期望值数据生成单元904被配置成生成车辆间距离标示和期望值数据。在此，车辆间距离标识和期望值数据可包括车辆间标示的图像数据和车辆间距离的期望值的图像数据。车辆间距离显示和期望值数据生成单元904将已生成的车辆间距离标识和期望值数据传送至控制单元8060。
根据已接收的车辆间距离标示和期望值数据，控制单元8060控制LD驱动器6111和MEMS控制器615，并且在显示区域中将车辆间距离标示和车辆间距离的期望值显示为虚拟图像。
如上文所描述，如图11所示，例如，当显示区域从驾驶员进行观察时，车辆间距离标示(例如，相隔10米的标度标志，该标度标志为相邻构成单元之间的间隙)和车辆间距离的期望值显示于显示区域中，该显示区域与车辆和前方车辆之间的路面(包括车辆车道)叠加。这种配置允许驾驶员容易地识别当前车辆间距离和适当车辆间距离的下限而无需将眼睛移离车辆的前方，并且还允许驾驶员为这种适当的车辆间距离将车辆减速。需注意，图11示出了其中实际车辆间距离为例如30米并且车辆间距离的期望值为例如50米的情况。
接下来，将参考图28来描述被配置成显示指示符(例如，参见图12)的HUD设备100中的图像数据生成单元804的配置实例。
除了上文所描述的基本配置，HUD设备100还包括用作检测系统的激光雷达300，该检测系统被配置成检测目标物体的位置，如图28所示。图像数据生成单元804包括随后描述的用以显示“指示符”的额外配置和功能。
图像数据生成单元804包括显示控制单元905和指示符数据生成单元906。
根据激光雷达300的检测结果，显示控制单元905在显示区域中设定指示符的指示方向和指示符的显示位置(在下文中，还称为“指示符位置”)，并且将关于指示方向和指示符位置的设定信息传送至指示符数据生成单元906。需注意，指示符位置可设定于显示区域中目标物体附近的位置。
指示符数据生成单元906被配置成基于已接收的关于指示方向和指示符位置的设定信息而生成指示符的图像数据，并且将所生成图像数据传送至控制单元8060。
根据已接收的指示符的图像数据，控制单元8060控制LD驱动器6111和MEMS控制器615，并且将指示符在显示区域中显示为虚拟图像。
如上文所描述，用于指示显示区域中的目标物体(例如，前方的前方车辆)的指示符与车辆的前向场景叠加，例如，如图12所示。这种配置允许驾驶员正确地识别(理解)目标物体的位置。
指示符可为以箭头或字母V指示任何方向的显示，例如，如图12所示。在此，由指示符所指示的方向还称为“指示方向”。指示符可具有任何尺寸，只要其可显示于显示区域中。需注意，在图12中，例如，指示符示为仅具有二维形状，该二维形状在垂直于车辆的行驶方向的平面上指示目标物体的二维位置。然而，事实上，指示符具有三维形状，该三维形状在垂直于车辆的行驶方向的平面上指示二维位置，并在车辆的行驶方向上指示一维位置。此类形状对驾驶员显现为，指示符指示目标物体的三维位置。指示符已作为实例进行描述。然而，简而言之，可应用用于指示目标物体的存在的任何显示。例如，线形或半月形指示显示可呈现于目标物体的底侧附近。
在一个或多个实施例中，如此前所述，HUD设备100为一种显示设备，该显示设备被配置成照射光以用于在设置于车辆(可移动体)中的前挡风玻璃50(透射式反射器)上形成图像，并且将虚拟图像显示于显示区域中以使虚拟图像与可移动体外部的场景叠加。HUD设备100包括：图像形成单元和凹面镜40(光投影单元)；图像形成单元包括光偏转器15、扫描镜20和屏幕30；凹面镜被配置成投影光以将图像形成于前挡风玻璃50上。当显示区域从设定于可移动体中的参考视点进行观察时，距参考视点的给定距离范围(适当距离范围)的场景在显示区域中被看到，并且从参考视点至存在于给定距离范围内的目标物体(例如，前方的路面、前方车辆、人员、障碍物等)的第一会聚角和从参考视点至显示于显示区域中的虚拟图像的第二会聚角之间的差值至多为一度。
在上文所述的配置中，到存在于给定距离范围内的目标物体和显示于显示区域中的虚拟图像的会聚角之间存在小差值。因此，当观察者同时观察目标物体和虚拟图像时，防止任何不舒适或疲劳的感觉是可能的。换句话讲，根据HUD设备100，改善目标物体和虚拟图像的同时可视性是可能的。
相比之下，在PTL 1所公开的技术中，根据视点位置和目标物体之间的距离与视点位置和虚拟图像之间的距离的差值，当观察者同时观察目标物体和虚拟图像时，投影于右和左视网膜上的虚拟图像很大程度上未对齐。因此，虚拟图像可看作双重图像，并且存在观察者可感觉到不舒适或疲劳的问题。
显示区域中的任何点和参考视点之间的距离可为四米以上且十米以下。在这种情况下，使得到存在于给定距离范围中的目标物体的会聚角和到显示于显示区域中的虚拟图像的会聚角之间的差值确定地为一度或更小(参见图17)是可能的。可防止HUD设备100的尺寸增大。需注意，当显示区域设定于与参考视点分开十米以上的位置时，光学系统的尺寸将增大，并且然后HUD设备100的尺寸将增大。
在一个或多个实施例中，到显示区域中的任何点的会聚角和到给定距离范围中的高点的会聚角之间的差值为一度或更小。在这种情况下，改善显示区域中的给定点和给定距离范围中的给定点的同时可视性是可能的。
显示区域的顶端可位于低于参考视点的位置。在这种情况下，当显示区域从参考视点进行观察时，车辆前方的路面可包括于显示区域中。需注意，显示区域的顶端可位于高于参考视点的位置。
参考视点可设定高于车辆的驾驶员座位的座面。参考视点的高度可设定于高度范围内，该高度范围包括高度的中值H(米)加或减竖直线J的长度的10％，竖直线J在驾驶员座位(给定面)的座面和车辆的设计阶段的驾驶员(观察者)的视点之间虚拟地延伸。在这种情况下，基本上覆盖观察者的实际视点是可能的。
当显示区域从高度范围的上限进行观察时，第一范围可以被包括于显示区域中，第一范围为给定距离范围的60％或更多；并且当显示区域从高度范围的下限进行观察时，第二范围可包括于显示区域中，第二范围为给定距离范围的60％或更多。在这些情况下，基本上解决由于观察者之间的身体差异引起的视点位置的变化是可能的，即使，例如，显示区域的位置为不可调整的。
参考视点的高度可以被设定于高度范围的中值或更高的高度处。在这种情况下，基本上解决由于观察者之间的身体差异引起的视点位置的变化是可能的，即使，例如，显示区域的位置为不可调整的。
虚拟图像可以被显示于显示区域中以叠加其中第一范围和第二范围叠加的范围(叠加范围)。在这种情况下，当显示区域从高度范围内的任何高度处的视点进行观察时，整个虚拟图像可视。
例如，给定距离范围的下限可为13米至16米。在这种情况下，虚拟图像可显示以与一位置叠加，该位置考虑到从观察者观察虚拟图像至观察者采取动作的时间段而设定。
给定距离范围的上限可为例如被配置成检测从车辆至目标物体的距离的装置的最大检测距离或更小。这是因为不需要在目标物体(例如，前方车辆、人员、自行车、障碍物等)不可检测的位置处重叠和显示虚拟图像。
给定距离范围的上限可为例如200米。目前，广泛地使用具有200米的最大检测距离的检测装置。
显示区域的位置可以是可手动或自动调整的。在任一情况下，显示区域的位置可进行调整，使得观察者可观察整个虚拟图像。因此，充分地解决在视点位置由于观察者之间的身体差异引起的变化是可能的，并且参考视点的高度可以不如此严格地设定。
虚拟图像可包括标识(例如，粘附至路面的标识)，该标识三维上匹配目标物体。在这种情况下，由于难以改善虚拟图像和目标物体的同时可视性，所以HUD设备100尤其有优势。
例如，上文所描述的三维上匹配目标物体的标识可为车辆间距离标示，该车辆间距离标示指示车辆和作为目标物体的前方车辆(前方物体)之间的车辆间距离。
例如，上文所描述的三维上匹配目标物体的标识可为用于指示目标物体的存在的显示(例如，指示显示)。
上文所描述的三维上匹配目标物体的标识可为引导标识，该引导标识例如与车辆的预定行驶路径相关。
虚拟图像可包括三维上不匹配目标物体的显示。在这种情况下，例如，虚拟图像和目标物体的同时可视性可通过改变虚拟图像的尺寸来改善。然而，甚至当虚拟图像的尺寸不改变时，同时可视性可通过HUD设备100来改善。
三维上不匹配的显示可包括例如以下项中的至少一者：例如，目标物体(诸如前方车辆、人员和障碍物)的显示、指示关于车辆的信息(诸如车辆速度或燃油油位)的显示，和关于车辆的预定行驶路径的显示(诸如下一转向点的引导显示，或附近商店、设施或预定行驶路径上的房屋)。
根据包括HUD设备100的车辆设备(可移动体设备)和HUD设备100安装于其中的车辆(可移动体)，通知有用信息，同时防止观察者(例如，驾驶员)感觉到不舒适或疲劳是可能的。因此，实现了优异的驾驶支持。
在一个或多个实施例中，根据HUD设备100的制造方法，这里被提供，用于将虚拟图像显示于显示区域中以使虚拟图像与车辆前方的场景(例如，可移动体外部的场景)叠加。该制造方法包括：设定可移动体中的参考视点；以及当显示区域从参考视点进行观察时，设定显示区域的位置以在场景中包括距参考视点的给定距离范围。到存在于给定距离范围中的目标物体的第一会聚角和到显示于显示区域中的虚拟图像的第二会聚角之间的差值至多为一度。在这种情况下，制造能够改善目标物体和虚拟图像的同时可视性的HUD设备100是可能的。
在一个或多个实施例中，根据显示方法，这里被提供，用于将虚拟图像显示在显示区域中以使虚拟图像与可移动体外部的场景叠加。显示方法包括：设定可移动体中的参考视点；当从参考视点观察显示区域时，设定显示区域的位置以在场景中包括距参考视点的给定距离范围；以及当从参考视点观察显示区域时，将虚拟图像显示在显示区域中以使虚拟图像与给定距离范围叠加。到存在于给定距离范围中的目标物体的第一会聚角和到显示于显示区域中的虚拟图像的第二会聚角之间的差值至多为一度。在这种情况下，改善目标物体和虚拟图像的同时可视性是可能的。
在一个或多个实施例中，在HUD设备中，布置于图像光形成单元中的屏幕30的后续阶段上的光投影单元可包括凹面镜40(凹面镜)。然而，光投影单元可包括凹面镜，或可包括反射镜，该反射镜放置于曲面镜(诸如凸面镜或凹面镜)和屏幕30之间。
在上文所描述的实施例中，光学扫描单元包括扫描镜20，但可不必然地包括扫描镜20。
在上文所描述的实施例中，可使用LD(例如，端面发光激光器)。然而，可使用任何其它激光器，诸如面发光激光器(face light-emitting laser)。
在上文所描述的实施例中，HUD设备被配置成显示彩色图像。然而，HUD设备可被配置成显示单色图像。
透射式反射器不限于车辆的前挡风玻璃。例如，透射式反射器可为侧窗或后挡风玻璃。重点为，透射式反射器可提供于观察者在其中观察虚拟图像的车辆中，并且可为窗构件(挡风玻璃)，观察者通过该窗构件观察车辆的外部。
在上文所描述的实施例中，例如，HUD设备已被描述为安装于机动车中的一个实例。然而，HUD设备可安装于可移动体(诸如车辆、飞机或船舶)中的任一者中。例如，作为在一个实施例中应用于车辆设备的车辆，不仅四轮车辆，而且摩托车和机动三轮车也可适用。在这种情况下，挡风玻璃或组合器可作为透射式反射器进行安装。对于车辆的功率源，例如，可列出引擎、电机，和引擎和电机的组合。
在上文所描述的实施例中，竖直线可在可移动体设计中的视点和“给定面”之间虚拟地延伸，该“给定面”可为驾驶员座位的座面。然而，在其中观察者在站立时观察虚拟图像的情况下，观察者站立其上的地板面可为“给定面”。
具体数值和形状为上文所描述实施例中的实例，并且可不脱离本公开的范围改变。
在下文中，将描述实现上文所描述实施例的发明人的思考过程。
作为允许驾驶员通过将驾驶员目光移动仅小距离来识别信息和警告的显示设备，平视显示器(HUD)在视场上越来越受期待并且技术发展也渐进。显示图像(虚拟图像)被显示为与车辆的前方场景叠加。因此，已提出了实现了增强现实或混合现实的HUD。通过基于虚拟图像的显示位置和驾驶员的视点位置而几何上改变显示图像的形状，HUD将作为虚拟图像的信息重叠于现实世界上。
在实现了增强现实或混合现实的现有HUD中，尚未考虑到重叠有虚拟图像的现实世界中的范围和虚拟图像的显示位置之间的关系。
因此，着眼于重叠有虚拟图像的现实世界中的范围(例如，位置)，根据重叠有虚拟图像的现实世界中的范围(例如，位置)和虚拟图像的显示位置之间的关系，投影于右视网膜和左视网膜上的虚拟图像很大程度上未对齐。因此，虚拟图像可看作双重图像，并且存在观察者可感觉到不舒适或疲劳的问题。换句话讲，存在这样的问题：虚拟图像可为令人讨厌的显示。
例如，PTL 1公开了一种车辆，其中平视显示器作为驱动支持装置被安装，使得出于引起对外部的关注的目的，HUD显示虚拟图像以重叠到引起关注的目标上。
然而，PTL 1未公开此类引起关注的目标的位置和虚拟图像的位置之间的任何关系。根据虚拟图像的显示位置，存在这样的问题：虚拟图像变得令人讨厌。
因此，当虚拟图像重叠于现实物体上以实现增强现实或混合现实时，出于使现实物体和虚拟图像同时可视而不令驾驶员讨厌的目的，发明人已实现了上文所描述的实施例。
本申请基于提交于2016年7月14日的日本优先申请No.2016-139286和提交于2017年1月30日的日本优先申请No.2017-014181，并且要求它们的优先权权益，这两个申请的全部内容通过引用被并入。
附图标记列表
15 光偏转器(图像光生成器的一部分)
20 扫描镜(图像光生成器的一部分)
30 屏幕(图像光生成器的一部分)
40 凹面镜(图像光生成器的一部分)
50 前挡风玻璃(透射式反射器)
100 HUD设备(显示设备)
111R，111G，111B 半导体激光器(光源)

Claims (20)

1.一种显示设备，其特征在于，所述显示设备被配置成照射光以在设置于可移动体中的透射式反射器上形成图像来将虚拟图像显示于显示区域中，并且使所述虚拟图像与所述可移动体外部的场景叠加，其中
所述场景中的距设定于所述可移动体中的参考点的给定距离范围被包括在所述显示区域中，并且
到存在于所述给定距离范围中的目标物体的第一会聚角和到显示于所述显示区域中的所述虚拟图像的第二会聚角之间的差值至多为一度。
2.根据权利要求1所述的显示设备，特征在于，所述参考点和所述显示区域中的给定点之间的距离为四米以上且十米以下。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的显示设备，其特征在于，当所述目标物体存在于所述给定距离范围中的上限的给定点并且所述虚拟图像显示于所述显示区域中的给定点时，所述第一会聚角和所述第二会聚角之间的所述差值至多为一度。
4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的显示设备，其特征在于，所述显示区域的顶端位于低于所述参考点的位置。
5.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的显示设备，其特征在于，所述参考点的高度被设定为在包括中值加或减虚拟线的长度的10％的高度范围内，所述中值为所述可移动体设计中的点的高度，所述虚拟线在给定表面和所述可移动体设计中的所述点的所述高度之间虚拟地延伸。
6.根据权利要求5所述的显示设备，其特征在于，在所述高度范围的上限的情况下，第一范围被包括在所述显示区域中，其中，所述第一范围为所述给定距离范围的至少60％，并且在所述高度范围的下限的情况下，第二范围在所述显示区域中被看到，其中，所述第二范围为所述给定距离范围的至少60％。
7.根据权利要求6所述的显示设备，其特征在于，所述虚拟图像被显示于所述显示区域中以叠加所述第一范围和所述第二范围的叠加区域。
8.根据权利要求5至权利要求7中任一项所述的显示设备，其特征在于，所述参考点的所述高度被设定成高于所述高度范围中的所述中值的所述高度。
9.根据权利要求1至权利要求8中任一项所述的显示设备，其特征在于，所述给定距离范围的下限为13米至16米。
10.根据权利要求1至权利要求9中任一项所述的显示设备，其特征在于，所述给定距离的上限至多为检测器的最大检测距离，所述检测器被配置成检测所述可移动体和所述目标物体之间的距离。
11.根据权利要求1至权利要求10中任一项所述的显示设备，其特征在于，还包括调整器，所述调整器被配置成调整所述显示区域的位置。
12.根据权利要求1至权利要求11中任一项所述的显示设备，其特征在于，所述虚拟图像包括指示符，所述指示符三维上匹配所述目标物体。
13.根据权利要求12所述的显示设备，其特征在于，三维上匹配所述目标物体的所述指示符指示所述可移动体和作为所述目标物体的前方物体之间的距离。
14.根据权利要求12所述的显示设备，其特征在于，三维上匹配所述目标物体的所述指示符通知所述目标物体的存在。
15.根据权利要求12所述的显示设备，其特征在于，三维上匹配所述目标物体的所述指示符指示关于所述可移动体的预定行驶路径的信息。
16.根据权利要求1至权利要求15中任一项所述的显示设备，其特征在于，还包括另一指示符，所述另一指示符不在三维上匹配所述目标物体。
17.根据权利要求16所述的显示设备，其特征在于，不在三维上匹配所述目标物体的所述另一指示符包括以下各项中的至少一者：指示所述目标物体的指示符，指示关于所述可移动物体的信息的指示符，和涉及所述可移动体的预定行驶路径的指示符。
18.一种可移动体设备，其特征在于，包括：
根据权利要求1至权利要求17中任一项所述的显示设备；和
安装有所述显示设备的可移动体。
19.一种显示设备的制造方法，所述显示设备用于将虚拟图像显示于显示区域中以使所述虚拟图像与可移动体外部的场景叠加，所述制造方法包括：
设定所述可移动体中的参考点；和
设定所述显示区域的位置，以包括所述场景中的距所述参考点的给定距离范围，
其中到存在于所述给定距离范围中的目标物体的第一会聚角和到显示于所述显示区域中的所述虚拟图像的第二会聚角之间的差值至多为一度。
20.一种用于将虚拟图像显示于显示区域中以使所述虚拟图像与可移动体外部的场景叠加的显示方法，所述显示方法包括：
设定所述可移动体中的参考点；
设定所述显示区域的位置，以包括所述场景中的距所述参考点的给定距离范围；和
将所述虚拟图像显示于所述显示区域中，以使所述虚拟图像与距所述参考点的所述给定距离范围叠加，
其中到存在于所述给定距离范围中的目标物体的第一会聚角和到显示于所述显示区域中的所述虚拟图像的第二会聚角之间的差值至多为一度。
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