CN110764339A - 多区成像设备和方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种多区成像设备和方法，所述多区成像设备包括：图像光投射板，所述图像光投射板包括彼此不重叠的第一区域和第二区域，所述第一区域和所述第二区域发射用于成像的图像光；光程补偿部，所述光程补偿部设置在所述第二区域发射的图像光的传播路径上，所述第二区域发射的图像光经过所述光程补偿部透射并被补偿光程；成像透镜组，所述成像透镜组对所述第一区域发射的图像光进行成像以透射第一成像光，并且对所述光程补偿部透射的图像光进行成像以透射第二成像光，所述第一成像光和所述第二成像光具有不同的成像面。

Description

多区成像设备和方法

技术领域

本申请涉及图像数据处理和产生领域，更具体地，涉及一种多区成像设备和方法。

背景技术

作为常见的图像生成单元(Picture Generation Unit,PGU)之一，投影设备广泛应用于多种应用场景。常见的投影设备一般采用数字微镜器件(Digital Micro-mirrorDevice,DMD)作为PGU的核心单元。经包含DMD芯片的图像光投射板发射的光信号经过光学系统进行光处理后投射到屏幕上以显示图像。

投影设备目前也广泛应用于交通工具中以实现抬头显示(Head-UP Display,HUD)。目前车载HUD包括多种类型，诸如W-HUD、C-HUD、AR-HUD。

AR-HUD将增强现实技术与HUD技术很好的进行了融合，能够在不影响驾驶员感知真实驾驶环境的情况下帮助驾驶员分析周边驾驶环境。在AR-HUD的应用场景下，AR画面往往与真实驾驶环境中的物体近似地“融为一体”。这要求AR-HUD具有较大的视场角和较远的成像距离。

然而，即使在AR-HUD的场景下，驾驶员依然需要获取一些与车辆本身相关的指示信息，诸如时速、档位、车内温度等。这些指示信息往往需要成像在较近的距离处以方便查看。

现有的实现双成像距离HUD的方法是采用两套PGU来实现。例如，利用一套数字光处理(Digital Light Processing,DLP)PGU来实现AR成像，然后利用一套薄膜晶体管(ThinFilm Transistor)PGU来实现指示信息成像。再例如，利用两套TFT-PGU(或者两套DLP-PGU)分别实现AR成像和指示信息成像。然而，在这种实现方式中，两套或者更多套的PGU占用体积较大，并且成本较高。

此外，除了上述车载HUD之外，在许多其它领域也存在多成像距离共同成像的投影显示需求。

发明内容

本申请提供了一种多区成像设备，所述多区成像设备包括：图像光投射板，所述图像光投射板包括彼此不重叠的第一区域和第二区域，所述第一区域和所述第二区域发射用于成像的图像光；光程补偿部，所述光程补偿部设置在所述第二区域发射的图像光的传播路径上，所述第二区域发射的图像光经过所述光程补偿部透射并被补偿光程；成像透镜组，所述成像透镜组对所述第一区域发射的图像光进行成像以透射第一成像光，并且对所述光程补偿部透射的图像光进行成像以透射第二成像光，所述第一成像光和所述第二成像光具有不同的成像面。

根据本申请实施方式，所述多区成像设备还包括棱镜，所述棱镜设置在所述图像光投射板与所述成像透镜组之间，由所述第一区域和所述第二区域发射的图像光经由所述棱镜偏折后出射。

根据本申请实施方式，所述光程补偿部附着在所述棱镜的入光面或出光面上。

根据本申请实施方式，所述光程补偿部设置在所述棱镜的入光面与所述图像光投射板之间并且与所述棱镜和所述图像光投射板间隔开。

根据本申请实施方式，所述光程补偿部设置在所述棱镜的出光面与所述成像透镜组之间并且与所述棱镜和所述成像透镜组间隔开。

根据本申请实施方式，所述光程补偿部设置在所述图像光投射板与所述成像透镜组之间。

根据本申请实施方式，所述图像光投射板还包括与所述第一区域和所述第二区域不同的至少一个图像光区域，所述至少一个图像光区域发射用于成像的图像光；所述成像透镜组对所述至少一个图像光区域发射的图像光进行成像以透射第三成像光。

根据本申请实施方式，所述光程补偿部与所述棱镜的入光面或出光面一体成型。

根据本申请实施方式，所述光程补偿部附着在所述图像光投射板上。

根据本申请实施方式，所述图像光投射板包括DMD芯片，所述DMD芯片包括与所述第一区域和所述第二区域对应的有效像素区域。

根据本申请实施方式，与所述第一区域对应的有效像素区域发射用于合成AR图像的图像光，并且与所述第二区域对应的有效像素区域发射用于生成状态指示图像的图像光。

根据本申请实施方式，与所述第一区域对应的有效像素区域大于与所述第二区域对应的有效像素区域。

根据本申请实施方式，所述DMD芯片包括被禁用的非有效像素区域，所述非有效像素区域将与所述第一区域对应的有效像素区域和与所述第二区域对应的有效像素区域间隔开。

根据本申请实施方式，所述多区成像设备还包括像素控制器，所述像素控制器通过对所述DMD芯片的像素点的启用或禁用来实现所述DMD芯片的有效像素区域和非有效像素区域。

根据本申请实施方式，所述光程补偿部包括平板玻璃、补偿透镜或光学透镜组。

根据本申请实施方式，所述多区成像设备还包括自由曲面镜组，所述自由曲面镜组包括多片具有自由曲面的反射镜，所述自由曲面基于安装所述多区成像设备的交通工具的风挡玻璃的形状设计以将所述第一成像面和所述第二成像面上成的像反射到所述风挡玻璃上。

本申请提供了一种多区成像方法，所述多区成像方法包括：使用图像光投射板的彼此不重叠的第一区域和第二区域分别发射用于成像的图像光；利用设置在所述第二区域发射的图像光的传播路径上的光程补偿部补偿所述第二区域发射的图像光的光程；以及利用成像透镜组对所述第一区域发射的图像光进行成像以透射第一成像光，并且对所述光程补偿部透射的图像光进行成像以透射第二成像光，所述第一成像光和所述第二成像光具有不同的成像面。

根据本申请实施方式，所述方法还包括利用设置在所述图像光投射板与所述成像透镜组之间的棱镜偏折由所述第一区域和所述第二区域发射的图像。

根据本申请实施方式，所述成像方法还包括：利用与所述第一区域对应的有效像素区域发射用于合成AR图像的图像光；以及利用与所述第二区域对应的有效像素区域发射用于生成状态指示图像的图像光。

根据本申请实施方式，使用图像光投射板的彼此不重叠的第一区域和第二区域分别发射用于成像的图像光包括：通过启用所述图像光投射板的DMD芯片的不同区域的像素点来使用所述图像光投射板的彼此不重叠的第一区域和第二区域分别发射用于成像的图像光。

根据本申请实施方式，所述多区成像方法还包括：利用基于交通工具的风挡玻璃的形状设计的自由曲面镜组将所述第一成像面和所述第二成像面上成的像反射到所述风挡玻璃上。

根据本申请提出的实施方案，图像光投射板被分区使用，并且光程补偿部补偿其中一个区域的图像光的光程。因此，可以通过一套成像设备来实现不同成像距离的多区成像，从而节省了空间并降低了成本。

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是根据本申请实施方式的多区成像设备的示意性框图；

图2是根据本申请另一实施方式的多区成像设备的示意性框图；

图3是根据本申请实施方式的光程补偿部的布局的示意图；

图4是根据本申请实施方式的光程补偿部的布局的示意图；

图5是根据本申请实施方式的光程补偿部的布局的示意图；

图6是根据本申请实施方式的光程补偿部的布局的示意图；

图7是根据本申请实施方式的DMD芯片像素控制的示意图；

图8是根据本申请实施方式的AR-HUD投射方式的示意图；以及

图9是根据本申请实施方式的多区成像方法的流程图。

具体实施方式

为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。

应注意，在本说明书中，第一、第二、第三等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本申请的教导的情况下，下文中讨论的第一区域也可被称作第二区域。反之亦然。

在附图中，为了便于说明，已稍微调整了部件的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。如在本文中使用的，用语“大致”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语，而不用作表程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。

还应理解的是，诸如“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”等表述在本说明书中是开放性而非封闭性的表述，其表示存在所陈述的特征、元件和/或部件，但不排除一个或多个其它特征、元件、部件和/或它们的组合的存在。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，其修饰整列特征，而非仅仅修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。

除非另外限定，否则本文中使用的所有措辞(包括工程术语和科技术语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，除非本申请中有明确的说明，否则在常用词典中定义的词语应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，而不应以理想化或过于形式化的意义解释。

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。另外，除非明确限定或与上下文相矛盾，否则本申请所记载的方法中包含的具体步骤不必限于所记载的顺序，而可以任意顺序执行或并行地执行。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1是根据本申请实施方式的多区成像设备的示意性框图。

多区成像设备1000包括图像光投射板1100、光程补偿部1200和成像透镜组1300。

图像光投射板1100可包括光源和图像光处理芯片(例如，DMD芯片)。图像光投射板1100彼此不重叠的第一区域1110和第二区域1120。第一区域1110和第二区域1120分别发射用于成像的图像光。图像光投射板1100可基于数字光信号投射不同的图像光。在一种图像光投射板1100的布局中，第一区域1100和第二区域1120可通过不发光的区域彼此间隔开一段距离。在另一种图像光投射板1100的布局中，第一区域1100和第二区域1120可彼此衔接。

光程补偿部1200设置在第二区域1120发射的图像光的传播路径上，第二区域1120发射的图像光经过光程补偿部1200透射并被光程补偿部1200补偿光程。光程补偿部1200可利用其材质特性对光程进行调节，从而使得经过光程补偿部1200透射的图像光与不经过光程补偿部1200透射的图像光具有不同的光程。这样的光程补偿可以促使不同区域发射出来的图像光最终成像在不同距离处。

成像透镜组1300对第一区域1110发射的图像光进行成像以透射第一成像光1410。此外，成像透镜组1300还对光程补偿部1200透射的图像光进行成像以透射第二成像光1420。成像透镜组1300可包括一系列光学透镜，这些光学透镜根据成像需求而相应设计和排布。

第一成像光1410可以呈现第一信息，而第二成像光1420可以呈现第二信息。第一成像光1410和第二成像光1420具有不同的成像面。例如，第一成像光1410的成像面1510与第二成像光1420的成像面1520不在同一平面上。

根据本申请提出的实施方案，图像光投射板被分区使用，并且光程补偿部补偿其中一个区域的图像光的光程。因此，可以通过一套成像设备来实现不同成像距离的多区成像，从而节省了空间并降低了成本。

图2是根据本申请另一实施方式的多区成像设备的示意性框图。

多区成像设备2000包括图像光投射板2100、光程补偿部2200、成像透镜组2300和棱镜1600。

图像光投射板2100彼此不重叠的第一区域2110和第二区域2120。第一区域2110和第二区域2120分别发射用于成像的图像光。光程补偿部2200设置在第二区域2120发射的图像光的传播路径上，第二区域2120发射的图像光经过光程补偿部2200透射并被光程补偿部2200补偿光程。光程补偿部2200可利用其材质特性对光程进行调节，从而使得经过光程补偿部2200透射的图像光与不经过光程补偿部2200透射的图像光具有不同的光程。成像透镜组2300对第一区域2110发射的图像光进行成像以透射第一成像光2410。此外，成像透镜组2300还对光程补偿部2200透射的图像光进行成像以透射第二成像光2420。第一成像光2410和第二成像光2420具有不同的成像面。例如，第一成像光2410的成像面2510与第二成像光2420的成像面2520不在同一平面上。

与图1所示的设备1000不同，图2所示的多区投影设备2000还包括棱镜2600。棱镜2600设置在图像光投射板2100与成像透镜组2300之间。由第一区域2110和第二区域2120发射的图像光经由棱镜2600偏折后出射。除了偏折光线之外，棱镜2600还可用于分光。本申请提供的多区投影的方案不仅可适用于未经过棱镜折射的PGU，还可适用于经过棱镜折射的PGU。

如图2所示，光程补偿部2200可设置在棱镜2600的出光面与成像透镜组2300之间并且与棱镜2600和成像透镜组2300间隔开。或者，如图3所示，光程补偿部2200还可设置在棱镜2600的入光面与图像光投射板2100之间并且与棱镜2600和图像光投射板2100间隔开。

如图4所示，光程补偿部2200可附着在棱镜2600的出光面上。此外，如上文所述，光程补偿部2200还应设置在第二区域2120发射的图像光的传播路径上。例如，光程补偿部2200可覆盖与第二区域2120发射的光束的截面。光程补偿部2200可通过粘合剂与棱镜2600的出光面附着。

如图5所示，光程补偿部2200可附着在棱镜2600的入光面上。此外，如上文所述，光程补偿部2200还应设置在第二区域2120发射的图像光的传播路径上。例如，光程补偿部2200可覆盖与第二区域2120发射的光束的截面。光程补偿部2200可通过粘合剂与棱镜2600的入光面附着。

如图6所示，光程补偿部2200可附着在图像光投射板2100上。此外，如上文所述，光程补偿部2200还应设置在第二区域2120发射的图像光的传播路径上。例如，光程补偿部2200可覆盖与第二区域2120发射的光束的截面。光程补偿部2200可通过粘合剂与图像光投射板2100附着。

根据本申请实施方式，光程补偿部2200可设置在图像光投射板与成像透镜组之间。

根据本申请实施方式，图像光投射板还包括与第一区域和第二区域不同的至少一个图像光区域，至少一个图像光区域发射用于成像的图像光；成像透镜组对至少一个图像光区域发射的图像光进行成像以透射第三成像光。

与至少一个图像光区域中每个图像光区域对应的第三成像光可成像在相同或不同的成像面上。此外，第三成像光可以与第一成像光具有相同的成像面，或者与第二成像光具有相同的成像面。此外第三成像光，可具有与第一成像光和第二成像光均不同的成像面。例如，可以通过附加的光程补偿部来对至少一个图像光区域发射的图像光进行光程补偿。

根据本申请实施方式，光程补偿部2200与棱镜2600的入光面或出光面可一体成型。例如，棱镜2600可加工成异形棱镜，使得第二区域2120发射的图像光的传播路径所穿过的区域的厚度被改变，从而对该图像光的光程进行补偿。

根据本申请实施方式，光程补偿部可包括平板玻璃、补偿透镜和光学透镜组中的任一项，或者其中任意两者的组合。例如，光程补偿部可包括设置在棱镜入光面处的一块平板玻璃和设置在棱镜出光面处的一组光程补偿光学透镜。光程补偿部可利用其材质特性对光程进行调节，从而使得经过光程补偿部透射的图像光与不经过光程补偿部透射的图像光具有不同的光程。

根据本申请实施方式，图像光投射板可包括DMD芯片。DMD芯片可包括与第一区域和第二区域对应的有效像素区域。与第一区域和对应的有效像素区域可大于与第二区域对应的有效像素区域。或者，与第一区域和对应的有效像素区域可等于与第二区域对应的有效像素区域。再或者，与第一区域和对应的有效像素区域可小于与第二区域对应的有效像素区域。图像光投射板还可包括附着在DMD芯片上的保护玻璃。在例如AR-HUD的应用场景中，DMD芯片中与第一区域对应的有效像素区域可发射用于合成AR图像的图像光，并且DMD芯片中与第二区域对应的有效像素区域可发射用于生成状态指示图像的图像光。由于指示信息往往不需要占据过大的显示空间，因此，与第一区域对应的有效像素区域可大于与第二区域对应的有效像素区域。DMD芯片可包括被禁用的非有效像素区域。该被禁用的非有效像素区域将与第一区域对应的有效像素区域和与第二区域对应的有效像素区域间隔开。

适用于本申请的DMD芯片可无需单独设计，而可基于现有DMD芯片的硬件结构来实现。具体地，本申请各实施方式的多区成像设备还可包括用于对DMD芯片的像素进行控制的像素控制器。像素控制器可通过对DMD芯片的像素点的启用或禁用来实现DMD芯片的有效像素区域和非有效像素区域。

以下参照图7以德州仪器(TI)公司的3030DMD芯片为例阐释上述像素控制过程。为方便引述，以下将该3030DMD芯片称作为DMD芯片7000。DMD芯片7000具有864×480的像素排布。根据诸如车载AR-HUD等多区投影应用的需求，可将DMD芯片划分为与第一区域对应的第一有效像素区域7100和与第二区域对应的第二有效像素区域7200。第一有效像素区域7100可具有864×350的像素排布，而第二有效像素区域7200可具有700×100的像素排布。第一有效像素区域7100可被控制为发射用于合成AR图像的图像光。第二有效像素区域7200可被控制为发射用于生成状态指示图像的图像光。可通过程序编码来对DMD芯片进行像素控制，使得第一有效像素区域7100和第二有效像素区域7200通过一段不发光的非有效像素区域7300间隔开。例如，可通过编码控制来使非有效像素区域7300处于禁用状态。根据这一技术方案，可以在不改变现有DMD芯片的硬件设计的情况下，利用软件控制来实现图像光投射板的分区投射，从而最终实现多区成像设备。这种设计方案避免了多镜头/多PGU方案带来的高昂成本。

根据本申请实施方式，多区成像设备还可包括自由曲面镜组，自由曲面镜组包括多片具有自由曲面的反射镜，自由曲面基于安装多区成像设备的交通工具的风挡玻璃的形状设计以将第一成像面和第二成像面上成的像反射到风挡玻璃上。以下参照图8以车载AR-HUD的场景为例示出这种方案。

参照图8，多区成像设备8000的基本结构可与以上参照图1描述的多区成像设备1000或以上参照图2描述的多区成像设备2000大致相同。多区成像设备8000的图像光投射板、光程补偿部、成像透镜组概括表述为PGU 8100。PGU8100发出的第一成像光和第二成像光分别成像在第一成像面8200和第二成像面8300上。多区成像设备8000还可包括自由曲面镜组。自由曲面镜组可沿光线传播路线依次包括小自由曲面镜8400和大自由曲面镜8500。小自由曲面镜8400和大自由曲面镜8500的自由曲面基于安装多区成像设备8000的交通工具的风挡玻璃的形状进行设计以尽可能地消除或降低各种像差。小自由曲面镜8400和大自由曲面镜8500将第一成像面8200和第二成像面8300所成的像分别反射到风挡玻璃上。由于投射的位置和角度不同并且所投射的像的成像点不同，驾驶员可在不同的图像深度上感知这两个图像。例如，驾驶员可在较远的成像点上感知到对驾驶环境进行深度分析的AR图像8600，而在较近的成像点上感知到显示车辆信息的指示图像8700。

图9是根据本申请实施方式的多区成像方法的流程图。多区成像方法9000包括：在操作S9100，使用图像光投射板的彼此不重叠的第一区域和第二区域分别发射用于成像的图像光；在操作S9200，利用设置在第二区域发射的图像光的传播路径上的光程补偿部补偿第二区域发射的图像光的光程；以及在操作S9300，利用成像透镜组对第一区域发射的图像光进行成像以透射第一成像光，并且对光程补偿部透射的图像光进行成像以透射第二成像光，第一成像光和第二成像光具有不同的成像面。

根据本申请实施方式，方法还包括利用设置在图像光投射板与成像透镜组之间的棱镜偏折由第一区域和第二区域发射的图像。

根据本申请实施方式，成像方法还包括：利用与第一区域对应的有效像素区域发射用于合成AR图像的图像光；以及利用与第二区域对应的有效像素区域发射用于生成状态指示图像的图像光。

根据本申请实施方式，使用图像光投射板的彼此不重叠的第一区域和第二区域分别发射用于成像的图像光包括：通过启用图像光投射板的DMD芯片的不同区域的像素点来使用图像光投射板的彼此不重叠的第一区域和第二区域分别发射用于成像的图像光。

根据本申请实施方式，多区成像方法还包括：利用基于交通工具的风挡玻璃的形状设计的自由曲面镜组将第一成像面和第二成像面上成的像反射到风挡玻璃上。

上文主要以车载HUD为例阐述了根据本申请实施方式的多区域图像设备和方法。然而，本领域技术人员可知，在不背离本申请所教导的技术构思的前提下，还可将上述方案应用于多种成像场景中，例如，可将多成像距离共同成像还可应用于智能大灯、投影仪和激光电视等领域。

以上描述仅为本申请的实施方式以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的保护范围，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技术构思的情况下，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 (10)

1.一种多区成像设备，其特征在于，所述多区成像设备包括：

图像光投射板，所述图像光投射板包括彼此不重叠的第一区域和第二区域，所述第一区域和所述第二区域发射用于成像的图像光；

光程补偿部，所述光程补偿部设置在所述第二区域发射的图像光的传播路径上，所述第二区域发射的图像光经过所述光程补偿部透射并被补偿光程；

成像透镜组，所述成像透镜组对所述第一区域发射的图像光进行成像以透射第一成像光，并且对所述光程补偿部透射的图像光进行成像以透射第二成像光，所述第一成像光和所述第二成像光具有不同的成像面。

2.根据权利要求1所述的多区成像设备，其特征在于，所述多区成像设备还包括棱镜，所述棱镜设置在所述图像光投射板与所述成像透镜组之间，由所述第一区域和所述第二区域发射的图像光经由所述棱镜偏折后出射。

3.根据权利要求1所述的多区成像设备，其特征在于，所述光程补偿部设置在所述图像光投射板与所述成像透镜组之间。

4.根据权利要求2所述的多区成像设备，其特征在于，所述光程补偿部设置在所述棱镜的入光面与所述图像光投射板之间并且与所述棱镜和所述图像光投射板间隔开。

5.根据权利要求2所述的多区成像设备，其特征在于，所述光程补偿部设置在所述棱镜的出光面与所述成像透镜组之间并且与所述棱镜和所述成像透镜组间隔开。

6.根据权利要求2所述的多区成像设备，其特征在于，所述光程补偿部附着在所述棱镜的入光面或出光面上。

7.根据权利要求1或2所述的多区成像设备，其特征在于，所述图像光投射板还包括与所述第一区域和所述第二区域不同的至少一个图像光区域，所述至少一个图像光区域发射用于成像的图像光；

所述成像透镜组对所述至少一个图像光区域发射的图像光进行成像以透射第三成像光。

8.根据权利要求2所述的多区成像设备，其特征在于，所述光程补偿部与所述棱镜的入光面或出光面一体成型。

9.根据权利要求1至8任一所述的权利要求所述的多区成像设备，其特征在于，所述光程补偿部附着在所述图像光投射板上。

10.一种多区成像方法，其特征在于，所述多区成像方法包括：

使用图像光投射板的彼此不重叠的第一区域和第二区域分别发射用于成像的图像光；

利用设置在所述第二区域发射的图像光的传播路径上的光程补偿部补偿所述第二区域发射的图像光的光程；以及

利用成像透镜组对所述第一区域发射的图像光进行成像以透射第一成像光，并且对所述光程补偿部透射的图像光进行成像以透射第二成像光，所述第一成像光和所述第二成像光具有不同的成像面。

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