CN111443485A - 立体抬头显示系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种立体抬头显示系统，其包括：图像投影模块，用于生成具有两种正交偏振态的目标图像，并将该目标图像投射至下述光栅组合器；光栅组合器，包含两个偏振选择性和角度选择性不同的光栅，用于将所述目标图像转换为两束偏振态互相正交的光以不同角度进行衍射；以及偏振立体眼镜，用于接收两束所述光，并选择一束所述光入射至左眼，另一束光入射至右眼。还提供了一种立体抬头显示方法。本发明基于双目立体视觉原理，利用全息/微纳/衍射光栅的偏振选择特性和角度选择特性，实现了双目立体显示。

Description

立体抬头显示系统和方法
技术领域
本发明涉及一种立体抬头显示系统和方法，属于显示技术领域。
背景技术
抬头显示系统(Head Up Display)简称HUD，也称为平视显示系统，是一种以投影方式将各种车辆信息以及导航信息成像于挡风玻璃之外的技术。
抬头显示系统按照组合器类型可以分为两种，一种是外加一个投影组合玻璃，将其放置于驾驶员与挡风玻璃之间，通过组合玻璃将虚拟图像信息成像于车辆前方；另一种是直接将挡风玻璃作为组合玻璃，投影模块出射的目标图像经过挡风玻璃后直接成像于车辆前方。
早期抬头显示系统所采取的设计手段为几何光学，但传统的几何光学设计方法存在体积笨重、图像重影、亮度不高等问题。
随后人们提出了全息抬头显示系统，由于全息光栅具有轻薄化、波长选择性、角度选择性、高衍射效率等特点，因而全息抬头显示系统可实现小体积、无重影、高亮度显示。例如中国专利ZL201710388885.0就公开了一种抬头显示系统，其包括纳米成像膜、挡风玻璃和投影装置，纳米成像膜设置在挡风玻璃上，纳米成像膜包括多个像素，每个像素内设有纳米衍射光栅，投影装置可将图像光投影到纳米成像膜上，经过纳米衍射光栅反射衍射光，并将衍射光在纳米成像膜的前端汇聚成视点。
但是现阶段的全息抬头显示系统仅能显示二维图像，当显示道路融合信息时，存在图像不立体、不逼真的问题，不利于驾驶员识别道路融合信息。
鉴于上述，本发明旨在提供一种立体抬头显示系统和方法，来解决上述的一个或多个技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中的一个或多个技术问题，根据本发明一方面，提供一种立体抬头显示系统，其包括：
图像投影模块，用于生成具有两种正交偏振态的目标图像，并将该目标图像投射至下述光栅组合器；
光栅组合器，包含两个偏振选择性和角度选择性不同的光栅，用于将所述目标图像转换为两束偏振态互相正交的光以不同角度进行衍射；以及
偏振立体眼镜，用于接收两束所述光，并选择一束所述光入射至左眼，另一束光入射至右眼。
根据本发明又一方面，所述图像投影模块包括图像源和散射屏。
根据本发明又一方面，所述图像源包括CRT、LCD、LED或DMD，所述散射屏包括磨砂玻璃、磨砂纸片或全息屏。
根据本发明又一方面，所述图像源包括偏振器件。
根据本发明又一方面，所述光栅组合器包括全息光栅、微纳光栅或衍射光栅。
根据本发明又一方面，所述光栅组合器用作光束偏转器、成像透镜以及偏振选择器。
根据本发明又一方面，所述正交偏振态为左旋右旋圆偏振态、左旋右旋椭圆偏振态或正交线偏振态。
根据本发明又一方面，所述光栅组合器为分层堆叠结构或复用结构。
根据本发明又一方面，所述全息光栅、微纳光栅或衍射光栅的记录材料为偏振敏感材料，所述光栅组合器设置在玻璃基底上。
根据本发明又一方面，还提供了一种利用前述的立体抬头显示系统进行显示的方法，其特征在于包括以下步骤：
生成具有两种正交偏振态的目标图像；
将所述目标图像转换为两束偏振态互相正交的光以不同角度进行衍射；
选择一束所述光入射至左眼，另一束光入射至右眼。
根据本发明又一方面，所述图像信息包括道路融合信息，例如各种车辆信息和/或导航信息。
根据本发明又一方面，所述玻璃基底为挡风玻璃。
与现有技术相比，本发明具有以下一个或多个技术效果：
首先，本发明基于双目立体视觉原理，利用全息/微纳/衍射光栅的偏振选择特性和角度选择特性，实现了双目立体显示；
其次，本发明能显示立体图像，当显示道路融合信息时，图像立体逼真便于驾驶员识别道路融合信息；
第三，本发明可实现小体积、无重影、高亮度显示。
附图说明
为了能够理解本发明的上述特征的细节，可以参照实施例，得到对于简要概括于上的发明更详细的描述。附图涉及本发明的优选实施例，并描述如下：
图1为根据本发明一种优选实施例的立体抬头显示系统结构示意图；
图2为图1中立体抬头显示系统的光栅组合器的结构示意图；
图3为根据本发明另一种优选实施例的立体抬头显示系统结构示意图；
图4为图3中立体抬头显示系统的光栅组合器的结构示意图。
图5为根据本发明一种优选实施例的立体抬头显示系统的偏振立体眼镜的示意图。
具体实施例
现在将对于各种实施例进行详细说明，这些实施例的一个或更多个实例分别绘示于图中。各个实例以解释的方式来提供，而非意味作为限制。例如，作为一个实施例的一部分而被绘示或描述的特征，能够被使用于或结合任一其他实施例，以产生再一实施例。本发明意在包含这类修改和变化。
在以下对于附图的描述中，相同的参考标记指示相同或类似的结构。一般来说，只会对于个别实施例的不同之处进行描述。除非另有明确指明，否则对于一个实施例中的部分或方面的描述也能够应用到另一实施例中的对应部分或方面。
实施例1
参见图1，其示出了根据本发明一种优选实施例的立体抬头显示系统的结构示意图。该立体抬头显示系统可包括：
图像投影模块，用于生成具有两种正交偏振态的目标图像，并将该目标图像投射至下述光栅组合器；
光栅组合器，包含两个偏振选择性和角度选择性不同的光栅301、302，用于将所述目标图像转换为两束偏振态互相正交的光以不同角度进行衍射；以及
偏振立体眼镜，用于接收两束所述光，并选择一束所述光入射至左眼，另一束光入射至右眼。
优选地，所述图像投影模块例如包括图像源1和散射屏2。
优选地，参见图5，偏振立体眼镜包括第一偏振镜片401和第二偏振镜片402。例如，第一偏振镜片401用于接收右眼图像并过滤左眼图像，第二偏振镜片402用于接收左眼图像并过滤右眼图像。
优选地，所述图像源1包括CRT、LCD、LED或DMD。所述散射屏2例如可包括磨砂玻璃、磨砂纸片或全息屏。
优选地，所述图像源1包括偏振器件。
优选地，所述光栅组合器包括全息光栅、微纳光栅或衍射光栅。
优选地，所述光栅组合器用作光束偏转器、成像透镜以及偏振选择器。
优选地，所述正交偏振态为左旋右旋圆偏振态、左旋右旋椭圆偏振态或正交线偏振态。
优选地，所述光栅组合器为分层堆叠结构或复用结构。参见图1-2，光栅组合器为分层堆叠结构，例如包括在投射目标图像的方向上依次层叠的第一光栅301和第二光栅302，但本发明并不限于此。例如，参见图3-4，光栅组合器为复用结构，例如包括复用全息光栅、复用微纳光栅或复用衍射光栅3。
优选地，所述全息光栅、微纳光栅或衍射光栅的记录材料为偏振敏感材料。所述光栅组合器例如设置在玻璃基底300上，例如在投射目标图像的方向上依次设置第一光栅301、第二光栅302和玻璃基底300。该玻璃基底300例如为挡风玻璃。
优选地，还提供了一种利用前述的立体抬头显示系统进行显示的方法，其特征在于包括以下步骤：
生成具有两种正交偏振态的目标图像；
将所述目标图像转换为两束偏振态互相正交的光以不同角度进行衍射；
选择一束所述光入射至左眼，另一束光入射至右眼。
优选地，所述图像信息包括道路融合信息，例如各种车辆信息和/或导航信息。
本发明的主要技术原理在于：包含两种偏振状态(分别对应左右眼)的目标图像经过自由空间传播到光栅组合器上，光栅组合器对目标图像进行选择性衍射，由于光栅组合器中包含两个偏振选择性和角度选择性不同的光栅，因而光栅组合器可以将目标图像转换为两个偏振态互相正交的光波以不同角度进行衍射。偏振态互相正交的两束光波传播到人眼之前，需要先经过偏振立体眼镜进行偏振光束选择，避免不同偏振态的光束同时进入左眼或者右眼而发生串扰，因此左右眼只能接收到单一偏振态的光波信息。最终观察者左右眼接收到的两幅图像叠加便可显示三维立体图像。
再次参见图1，根据本发明又一种优选实施方式，该立体抬头显示系统由图像投影模块、光栅组合器、偏振立体眼镜三部分构成。
优选地，该图像投影模块用于生成具有两种正交偏振态的目标图像，例如可主要由图像源1和散射屏2构成。图像源1(光源)例如可以为CRT、LCD、LED、DMD等中的任意一种。散射屏2可以为磨砂玻璃、磨砂纸片、全息散射屏2等中的任意一种。图像源1中集成偏振器件，从而生成具有正交偏振态的目标图像。
优选地，该光栅组合器为全息/微纳/衍射光栅的中的任意一种，包含两个偏振选择性和角度选择性不同的光栅。在此，光栅组合器起到三种不同作用，第一种是光束偏转器的作用，第二种是透镜成像作用，第三种是偏振选择器作用。
光束偏转器作用：全息/微纳/衍射光栅将散射屏2发出的散射图像以一定角度进行衍射。一方面将衍射图像与玻璃基底300表面反射图像分开，另一方面将不同偏振态的光线以不同角度衍射进入左右眼。
透镜成像作用：全息/微纳/衍射光栅此时作为透镜使用，散射屏2放置于透镜一倍焦距以内(接近一倍焦距)。透镜对散射屏2上的目标图像进行放大并最终成像于人眼。
偏振选择器作用：组合器包含两个偏振态不同的全息/微纳/衍射光栅，将图像投影模块发出的包含正交偏振态的目标图像分开为两个不同偏振态的图像，进而衍射进入左右眼。
优选地，该偏振立体眼镜用于接收并区分光栅组合器发出的两种偏振态的目标图像。偏振立体眼镜左右眼的偏振态互相正交，既可实现目标偏振态图像的接收，又可实现垂直偏振态干扰图像的过滤。
优选地，目标图像显示于图像投影模块的散射屏2上，该图像经过自由空间传播到光栅组合器上，此时的光波中包含两种偏振状态的图像信息，分别对应左右眼。然后，光栅组合器对散射屏2发出的图像进行选择性衍射，由于光栅组合器中包含两个偏振选择性和角度选择性不同的全息/微纳/衍射光栅，因而光栅组合器可以将目标图像转换为两个偏振态互相正交的光波以不同角度进行衍射。偏振态互相正交的两束光波传播到人眼之前，需要先经过偏振立体眼镜进行偏振光束选择，避免不同偏振态的光束同时进入左眼或者右眼而发生串扰，因此左右眼只能接收到单一偏振态的光波信息。最终观察者左右眼接收到的两幅图像叠加便可显示三维立体图像。
优选地，光栅组合器中的多个全息/微纳/衍射光栅可以采用分层堆叠的方式，也可采用复用的方式。
优选地，光栅记录材料为偏振敏感材料，即各向异性材料，如光折变晶体、光致二向色性材料、光致双折射材料、刻蚀剂、液晶、或超颖表面(Metasurfaces)。
再次参见图1-2，根据本发明又一种优选实施方式，光栅组合器为分层堆叠全息/微纳/衍射光栅。第一全息/微纳/衍射光栅301和第二全息/微纳/衍射光栅302分层堆叠在同一玻璃基底300上，例如可在投射目标图像的方向上依次设置第一光栅301、第二光栅302和玻璃基底300。由于光栅的偏振选择性，第一全息/微纳/衍射光栅301仅对偏振态一进行衍射，第二全息/微纳/衍射光栅302仅对偏振态二进行衍射。第一全息/微纳/衍射光栅301和第二全息/微纳/衍射光栅302的衍射光波偏振态不同、角度不同，分别对应左右眼。第一偏振镜片401接收右眼图像并过滤左眼图像，第二偏振镜片402接收左眼图像并过滤右眼图像。
再次参见图3-4，根据本发明又一种优选实施方式，光栅组合器为复用全息/微纳/衍射光栅3，例如为具有两个不同偏振选择性的复用全息/微纳/衍射光栅，将散射屏发出的包含正交偏振态的光波分开为两个仅包含单一偏振态的光波，并以不同角度进行衍射。第一偏振镜片401接收右眼图像并过滤左眼图像，第二偏振镜片402接收左眼图像并过滤右眼图像。
优选地，例如在投射目标图像的方向上依次设置复用全息/微纳/衍射光栅3和玻璃基底300。
与现有技术相比，本发明具有以下一个或多个技术效果：
首先，本发明基于双目立体视觉原理，利用全息/微纳/衍射光栅的偏振选择特性和角度选择特性，实现了双目立体显示；
其次，本发明能显示立体图像，当显示道路融合信息时，图像立体逼真便于驾驶员识别道路融合信息；
第三，本发明可实现小体积、无重影、高亮度显示。
虽然前述内容是关于本发明的实施例，但可在不背离本发明的基本范围的情况下，设计出本发明其他和更进一步的实施例，本发明的范围由权利要求书确定。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，这些实施例中不互相违背的技术特征可彼此结合。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种立体抬头显示系统，其特征在于包括：
图像投影模块，用于生成具有两种正交偏振态的目标图像，并将该目标图像投射至下述光栅组合器；
光栅组合器，包含两个偏振选择性和角度选择性不同的光栅，用于将所述目标图像转换为两束偏振态互相正交的光以不同角度进行衍射；以及
偏振立体眼镜，用于接收两束所述光，并选择一束所述光入射至左眼，另一束光入射至右眼。
2.根据权利要求1所述的立体抬头显示系统，其特征在于所述图像投影模块包括图像源和散射屏。
3.根据权利要求2所述的立体抬头显示系统，其特征在于所述图像源包括CRT、LCD、LED或DMD，所述散射屏包括磨砂玻璃、磨砂纸片或全息屏。
4.根据权利要求2所述的立体抬头显示系统，其特征在于所述图像源包括偏振器件。
5.根据权利要求1-4任一项所述的立体抬头显示系统，其特征在于所述光栅组合器包括全息光栅、微纳光栅或衍射光栅。
6.根据权利要求5所述的立体抬头显示系统，其特征在于所述光栅组合器用作光束偏转器、成像透镜以及偏振选择器。
7.根据权利要求6所述的立体抬头显示系统，其特征在于所述正交偏振态为左旋右旋圆偏振态、左旋右旋椭圆偏振态或正交线偏振态。
8.根据权利要求5所述的立体抬头显示系统，其特征在于所述光栅组合器为分层堆叠结构或复用结构。
9.根据权利要求5所述的立体抬头显示系统，其特征在于所述全息光栅、微纳光栅或衍射光栅的记录材料为偏振敏感材料，所述光栅组合器设置在玻璃基底上。
10.一种利用权利要求1-9任一项所述的立体抬头显示系统进行显示的方法，其特征在于包括以下步骤：
生成具有两种正交偏振态的目标图像；
将所述目标图像转换为两束偏振态互相正交的光以不同角度进行衍射；
选择一束所述光入射至左眼，另一束光入射至右眼。
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