CN111650754B - 一种平视显示设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种平视显示设备，包括显示模块、透镜阵列模块和分光单元，其中，显示模块包括以阵列形式分布的多个显示单元，每个显示单元均发出光线显示一个子图像；透镜阵列模块包括以相同的阵列形式分布的多个透镜单元，平行设于显示模块一侧，每个透镜单元对应一个显示单元，用于接收该显示单元发出的光线，并将对应的子图像调制成像；分光单元用于反射经过透镜阵列模块调制后的出射光线；每个显示单元所显示的子图像的中心像素在对应的透镜单元的成像模型中的主光线经分光单元反射后交于同一点。该光场平视显示设备具有像面可调、结构紧凑、视觉舒适等特性。
Description
技术领域
本发明属于平视显示技术领域，特别是指一种平视显示设备。
背景技术
在汽车或飞机的驾驶过程中，驾驶员或飞行员通常需要观看仪表盘了解汽车或飞机的工作状态信息。由于车外环境与车内仪表，或机舱外环境与机舱内仪表并不能同时位于同一视线范围内，当驾驶员或飞行员的视线在外界环境和仪表之间切换时，不可避免地需要一段时间的视觉适应，这极容易分散驾驶员或飞行员对外界环境的注意力，造成安全隐患。
平视显示设备(Head-up Display,HUD)采用透明或半透明光学材料将包含仪表图像信息的像源在驾驶员或飞行员视线前方成像，使图像信息能够叠加显示在真实的外界环境中，可在一定程度上避免驾驶员或飞行员由于视线的离开而导致的注意力分散。传统的HUD主要基于离轴折反式光学结构，仅能将像源的虚像成在驾驶员或飞行员视线前方特定距离处。对于汽车驾驶来说，多变的路况对HUD成像距离的可调节性提出了更高的要求。此外，基于折反式光路的HUD通常体积较大，会占用汽车或机舱内部较大空间，增大改装难度。同时，基于折反式光路的HUD视场角和眼瞳箱通常较小，导致HUD所能够显示的画面内容有限，且对驾驶员或飞行员的观察图像时的头部位置有比较严格的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种平视显示设备。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种平视显示设备，包括：
显示模块，包括以阵列形式分布的多个显示单元，每个所述显示单元均发出光线显示一个子图像；
透镜阵列模块，包括以相同的阵列形式分布的多个透镜单元，平行设于所述显示模块一侧，每个所述透镜单元对应一个所述显示单元，用于接收该显示单元发出的光线，并将对应的子图像调制成像；
分光单元，用于反射经过所述透镜阵列模块调制后的出射光线；
每个所述显示单元所显示的子图像的中心像素在对应的所述透镜单元的成像模型中的主光线经所述分光单元反射后交于同一点，所述子图像通过相机模型渲染。
进一步的，所述平视显示设备通过各个所述显示单元所显示子图像中，表示同一虚拟信息的像素点之间的距离变化，实现在不同位置重聚焦。
进一步的，所述平视显示设备的重聚焦精度通过如下公式进行计算：
其中Δy为重聚焦错位量，其值越小表明重聚焦精度越高，DL为所述透镜单元的口径，LE为出瞳平面到所述透镜阵列模块的距离，Z、Z’分别为中心深度面、重聚焦像面到出瞳平面的距离。
进一步的，所述重聚焦错位量的范围不超过3个连续像素被所述透镜阵列模块所成虚像的像高。
进一步的，所述显示模块的显示平面位于所述透镜阵列模块的焦平面处或一倍焦距以内。
进一步的，所述显示模块、所述透镜阵列模块为一体式结构或拼接式结构。
进一步的，所述显示模块的显示屏为亮度超过10000cd/m2的OLED/miniLED型自发光屏或LCD液晶屏。
进一步的，所述透镜单元采用具有旋转对称面型的透镜，其面型为球面或非球面。
进一步的，所述分光单元的面型为平面或曲面。
进一步的，所述分光单元为曲面时，所述显示模块用于根据所述分光单元的曲面结构对各子图像内容进行预校正。
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种平视显示设备，该平视显示设备采用阵列形式分布的透镜单元和相应的光场图像实现集成成像，利用分光单元将包含仪表图像信息的像源投射至使用者视线前方，光场图像中不同像素点在不同位置发生重聚焦，眼瞳箱较大，并且像面位置可调节，打破了固定像面的限制，同时每个像素点的成像仅包括一次折射和一次反射，光程较小，结构紧凑，能够解决现有技术中平视显示设备像面位置不可调，观看受限且舒适度不佳，以及体积难以压缩，改装难度大的问题。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种平视显示设备成像示意图；
图2是本发明实施例中的成像系统结构示意图；
图3是本发明实施例中显示模块边界处显示单元成像示意图；
图4是本发明实施例中改变子图像中的像素点分布，实现不同深度重聚焦的示意图；
图5是本发明实施例中描述用于三维渲染的相机模型的示意图。
图中：1：成像系统；101：透镜阵列模块；1011：透镜单元；102：显示模块；1021：显示单元；1022：像素点；103：透镜阵列模块共轭像；1031：透镜单元共轭像；104：显示模块共轭像；1041：显示单元共轭像；
2：分光单元；301：第一重聚焦点；302：第二重聚焦点；303：第三重聚焦点；4：眼瞳箱；401：有效观察区域；402：光轴；5：出瞳平面；6：中心深度面。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图4所示，本发明实施例提供的一种平视显示设备，包括成像系统1和分光单元2，其中成像系统1用于对仪表信息等待显示内容进行成像，分光单元2用于将成像系统1所成的像按照一定强度比例反射至使用者眼中，令使用者不需低头即可观察到成像。具体地，如图1所示，成像系统1包括显示模块102和透镜阵列模块101，其中：
如图2所示，显示模块102包括以二维平面阵列形式分布的多个显示单元1021，用于显示光场图像。每个显示单元1021均发出光线显示一个子图像，将包含图像信息的光线向透镜阵列模块101方向出射。由于是通过透镜阵列成像的集成成像，显示模块102中每个显示单元1021所显示的子图像的具体内容可通过现有技术中的图像渲染程序来实现，具体渲染方法可采用例如OpenGL或同等渲染原理的相关描述，在此不再进一步说明。显示模块优选包括控制单元，与各个显示单元1021电连接，用于根据待显示内容，控制各个显示单元1021所显示的子图像的内容。
透镜阵列模块101包括以与显示单元1021相同的二维平面阵列形式分布的多个透镜单元1011，各个透镜单元1011具有相同的焦距和焦平面位置。透镜阵列模块101平行设于显示模块102一侧，显示模块102的显示平面与透镜阵列模块101的焦平面平行。透镜阵列模块101中的透镜单元1011与显示模块102中的显示单元1021的数量相同，每个透镜单元1011对应一个显示单元1021，用于接收该显示单元1021发出的光线，并将对应的子图像调制成像。
如图1所示，分光单元2设于透镜阵列模块101出射光线的一侧，用于反射经过透镜阵列模块101调制后的出射光线。分光单元2优选为透明光学元件，兼具反射光线与透射光线的能力，反射、透射的强度比例由分光单元2自身的光学性能决定，以调整使用者看到的成像画面亮度，达到易于观察的程度。并且，分光单元2对透射光线不引入额外的光焦度，以保证使用者观察时对真实环境有正常的视觉效果。
如图1和图2所示，成像系统1中，各个透镜单元1011与各个显示单元1021以预定方式对齐，每个显示单元1021所显示的子图像的中心像素在对应的透镜单元1011的成像模型中的主光线经分光单元2反射后交于同一点(交于该平视显示设备的出瞳平面5的中心)。
当采用渲染的方式来生成每个显示单元1021所显示的子图像时，采用相机模型对其具体显示内容进行三维坐标系到二维坐标系的仿射变换。如图1所示，首先根据使用舒适度和方便性等实际需求确定出瞳平面5的位置以及分光单元2的位置，分光单元2优选尽量紧贴挡风玻璃放置，出瞳平面5与分光单元2中心的水平距离优选为0.8m。并根据对车内其他设施干涉尽量小的原则确定透镜阵列模块101和显示模块102的位置。在此之后，为了过程的方便，可以用成像系统1关于分光单元2的共轭像来进行参数分析。透镜阵列模块101相对于分光单元2的共轭像为透镜阵列模块共轭像103，各个透镜单元1011分别对应其透镜单元共轭像1031，显示模块102相对于分光单元2的共轭像为显示模块共轭像104，各个显示单元1021分别对应其显示单元共轭像1041。
该平视显示设备通过相机模型确定其各个所述显示单元的子图像渲染。如图5所示，用于渲染的相机模型可由如下步骤进行确定：设A、B、C、D为系统出瞳边界的顶点，主点为每个透镜的物空间各视场主光线的交点，用这些顶点与主点O1所位于的透镜单元共轭像1031的主点构成棱锥O1ABCD，分别延长AO1、BO1、CO1、DO1与显示模块共轭像104交于点A1、B1、C1、D1，则在透镜阵列模块101的共轭空间内可以构建与棱锥O1ABCD相似的棱锥O1A1B1C1D1，该棱锥即可作为用于渲染该透镜单元1011对应的显示单元1021的画面的相机模型，其中O1点为相机模型的投影中心，A1B1C1D1为相机模型的视口，同理，对于O2点，A2B2C2D2为相机模型的视口。通过该相机模型即可将空间中的二维或三维模型渲染到相对应的显示单元1021上。为了使像素利用率最高，且子图像之间互不干涉，相邻的透镜单元1011所对应的相机模型的边界应该尽量重合，如图5中(O1点对应的)A1D1边和(O2点对应的)B2C2边。这一步骤可以通过调整透镜阵列模块101与显示模块102的间距来实现。
基于集成成像的原理，各个透镜单元1011与其相应的子图像在位置上有明确且可控的对应关系，显示模块102所显示的各个子图像中表示相同虚拟信息的像素点1022在对应的透镜单元1011的相机模型中的主光线交于一点或平行，这个相交的过程为集成成像的重聚焦过程，重聚焦像面即各个子图像中表示相同虚拟信息的像素点1022在对应的透镜单元1011的成像模型中主光线交于一点构成的虚像所在平面。其中相同虚拟信息的像素点1022在对应的透镜单元1011的相机模型中的主光线平行时，重聚焦像面位于无穷远处，此时适用于空旷环境下高速行驶的场景。
如图3所示，每个显示单元1021发出的光线经对应的透镜单元1011成像后被分光单元2以一定强度比例反射，其出射光线分布的区域即为该透镜单元1011的有效观察区域401，在有效观察区域401内，能够观察到对应的显示单元1021所显示的子图像的虚像。每个有效观察区域401中存在一个光轴402，光轴402可看作是由子图像中心像素在对应的透镜单元1011的成像模型中的主光线所经过的路径，因此在光轴402上逆着光线传播方向能够在该透镜单元1011的出瞳中心观察到对应子图像的中心像素的像。所有透镜单元1011的有效观察区域401的重叠区域即为该平视显示设备的眼瞳箱(eyebox)4。每个有效观察区域401的光轴402交于一点，过该点、且与显示模块102共轭面平行的平面即为该平视显示设备的出瞳平面5。
重聚焦像面的距离由各个子图像所显示内容的分布规律所决定。该平视显示设备通过各个所述显示单元所显示子图像中，表示同一虚拟信息的像素点之间的距离变化，实现在不同位置重聚焦，即本发明中在不同位置实现重聚焦像面，是通过各显示单元中显示同一信息的像素点之间的距离变化实现的，从而实现人眼在一定范围内可以活动的效果，受限度小。如图4所示，显示平面所显示的光场图像中，各显示单元内表示相同虚拟信息的像素点1022的间距为变量，但这些像素在改变间距的过程中仍然保持其在对应透镜单元1011的成像模型中主光线相交于一点或平行。对于不同子图像中表示同一虚拟信息的像素点1022而言，间距越大则重聚焦像面越远，间距越小则重聚焦像面越近。第一重聚焦点301、第二重聚焦点302、第三重聚焦点303对应的表示同一虚拟信息的像素点1022的间距逐渐增大，通过改变子图像中的像素分布可使得重聚焦点位于不同深度处，并且眼瞳箱4尺寸和出瞳平面5的位置可以据此改变。
透镜阵列模块101中所有透镜单元1011都具有相同的焦距，且显示模块102上所有子图像在对应透镜单元1011的成像模型中具有相同的物距，因此这些子图像的成像共轭面位于相同的深度处。显示模块102的显示平面关于透镜阵列模块101共轭的表面为该平视显示设备的中心深度面6。为了充分利用透镜阵列的成像功能以及排除额外的光线，透镜阵列1011密集排列。透镜单元1011存在一定的口径，口径尺寸对系统显示质量存在一定影响，具体体现为，过小的透镜口径会导致透镜间距小，从而根据图5所示的几何关系，要保持原有的眼瞳箱范围和中心深度面，需减小透镜阵列模块101和显示模块102之间的距离以及各个透镜单元1011的焦距，且减小图像单元的尺寸。这将导致系统的分辨率降低。而过大的透镜口径会导致系统的重聚焦精度降低。重聚焦精度的降低体现为各子图像的虚像之间重叠错位，平视显示设备的重聚焦精度可以用重聚焦错位量来定义，其计算公式为：
其中Δy为重聚焦错位量，该值越小表明重聚焦精度越高，DL为透镜单元1011的口径，LE为出瞳平面到透镜阵列模块101的距离，Z和Z’分别表示中心深度面6和重聚焦像面到出瞳平面5的距离。当重聚焦像面与中心深度面6重合时，图像具有最高的清晰度和重聚焦精度。当重聚焦像面与中心深度面6的间距增大，则清晰度降低，且产生的重聚焦错位量增大。根据实际所需的清晰度和重聚焦精度的要求，重聚焦像面在中心深度面6的前后一定范围内分布，该范围称作重聚焦景深，其选取原则是重聚焦错位量在一定数值范围内，优选不超过3个连续像素被透镜阵列模块101所成虚像的像高。进一步的，显示模块的子图像被配置为：子图像的重聚焦像面与平视显示设备的中心深度面重合，以获得最佳的显示效果。需要说明的是，“第一”和“第二”等表述用语仅用于加以区分，而不表示限制对应的顺序或重要性等。第一重聚焦点和第二重聚焦点全部为重聚焦点，且代表不同的重聚焦点；第一重聚焦点也可以被命名为第二重聚焦点。
出瞳距离和眼瞳箱4尺寸由显示模块102显示光场图像的子图像的尺寸以及透镜阵列模块101中相邻两透镜单元1011之间的间隔所决定，令使用者观察时左右眼能够同时位于眼瞳箱4中，并能在一定范围内自由移动。视场角受光场图像的尺寸和透镜阵列模块101的尺寸所影响。优选地，对于同一套平视显示设备，根据实际使用情景，可通过改变各显示单元1021显示的子图像的尺寸调整其出瞳距离、眼瞳箱4尺寸以及视场角。
本发明所提供的平视显示设备在使用时，如图1所示，当使用者在眼瞳箱4范围内面向分光单元2观察时，能够观察到由显示模块102发出、被透镜阵列模块101所调制、并被分光单元2所反射的有效图像信息，同时也可以透过分光单元2观察到来自真实环境的光线信息。与现有技术中传统的折反式光路HUD相比，本发明提供的平视显示设备基于集成成像原理，能够让不同像素点在不同距离处发生重聚焦，打破固定像面的限制，视场角和眼瞳箱4得以扩大，使用者不需要被限定在特定位置才能观察成像。同时，该平视显示设备成像时，每个像素点的成像仅包括一次折射和一次反射，光程较小，因此对原有结构空间的占用较小，易于改装。并且，该平视显示设备的成像深度、出瞳距离和眼瞳箱4尺寸等光学参数可以通过调节显示模块102中各个显示单元1021所显示的子图像的具体内容来改变，易于调整，从而减少个性化调节中的机械移动或组件替换。
为使得该平视显示设备整体结构紧凑，透镜阵列模块101位于显示模块102附近，显示模块102的显示平面位于透镜阵列模块101的焦平面处或一倍焦距以内，使中心深度面6位于出瞳平面5前方一定距离处，以满足驾驶员对安全性的要求，对于汽车优选5m，对于飞机则优选无穷远，便于得到较为清晰的成像，并能够根据显示需要在重聚焦景深范围内调整光场图像具体内容。
本发明涉及的平视显示设备中，显示模块102和透镜阵列模块101姿态不限于水平，其姿态的安装原则是对车内或舱内原有布局的影响尽可能小。显示模块102和透镜阵列模块101也不限于一体式结构，只要符合表示相同虚拟信息的像素点1022在对应透镜单元1011的成像模型中的主光线延长线能够重聚焦于一点，显示模块102和透镜阵列模块101都可以由多个单元以各种形式拼接而成。
显示模块102可以是一体式结构或拼接式结构，例如，显示模块102可以采用单个独立的显示屏，或由多个显示屏拼接组成。具体的，显示模块102可以是一个显示屏，该显示屏可分为多个显示区域，每个显示区域对应一个显示单元1021。或者显示模块102可以包括多个显示屏，每个显示屏对应一个(或多个)显示单元1021，多个显示屏拼接组成显示模块102。
进一步的，显示模块102中的显示屏可以采用搭配高亮度背光的液晶屏、自发光的高亮OLED(有机发光二极管)、miniLED屏或其他发光原理实现的高亮屏，其亮度优选10000cd/m2以上，以保证画面经分光单元反射后具有足以清晰分辨画面内容的亮度，并且显示内容可实时调整。
透镜阵列模块101可以是一体式结构或拼接式结构，例如，透镜阵列模块101可以通过注塑加工的方式直接一体成形，也可以通过先加工成多个较小的阵列，再拼接较小的阵列形成完整的阵列，或者通过先单独加工各个透镜单元1011，再利用辅助结构拼接各个透镜单元1011构成完整的阵列。
优选地，透镜阵列模块101中，各个透镜单元1011的面型、厚度、口径和材料均相同。进一步的，透镜单元1011可采用具有旋转对称面型的透镜，其面型可以是球面或非球面。
分光单元2可以采用玻璃、树脂或其他透明材料制成。分光单元2的面型优选为平面或曲面。进一步的，当分光单元2为曲面时，分光单元2会对成像系统1所成的虚像的深度或形状产生影响，使其深度发生位移或形状发生畸变，此时，显示模块102用于根据分光单元2的曲面结构，包括面型、曲率、尺寸等因素，对所显示的各子图像内容进行预校正，以此来修正这些深度位移或形状畸变。
分光单元2可为独立的分光器件，例如分光镜，或设有预定透反比的反射膜的前挡风玻璃，即分光单元2可以通过独立的器件实现，也可以通过在现有技术中的汽车或飞机的前挡风玻璃上贴或镀反射膜来实现。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种平视显示设备，其特征在于，包括：
显示模块，用于显示光场图像，所述显示模块包括以阵列形式分布的多个显示单元，每个所述显示单元均发出光线显示一个子图像，所述子图像通过相机模型渲染；
透镜阵列模块，包括以相同的阵列形式分布的多个透镜单元，平行设于所述显示模块一侧，每个所述透镜单元对应一个所述显示单元，用于接收该显示单元发出的光线，并将对应的子图像调制成像；所述透镜阵列模块中，各个透镜单元具有相同的焦距和焦平面位置；所述显示模块的显示平面位于所述透镜阵列模块的焦平面处或一倍焦距以内；
分光单元，用于反射经过所述透镜阵列模块调制后的出射光线；
每个所述显示单元所显示的子图像的中心像素在对应的所述透镜单元的成像模型中的主光线经所述分光单元反射后交于同一点；各个子图像中表示相同虚拟信息的像素点在对应的透镜单元的相机模型中的主光线交于一点或平行，实现集成成像的重聚焦；所述平视显示设备，通过各个所述显示单元所显示子图像中，表示同一虚拟信息的像素点之间的距离变化，实现在不同位置重聚焦；
所述平视显示设备的重聚焦精度通过如下公式进行计算：
其中Δy为重聚焦错位量，其值越小表明重聚焦精度越高，DL为所述透镜单元的口径，LE为出瞳平面到所述透镜阵列模块的距离，Z、Z’分别为中心深度面、重聚焦像面到出瞳平面的距离；
所述重聚焦错位量的范围不超过3个连续像素被所述透镜阵列模块所成虚像的像高。
2.根据权利要求1所述的平视显示设备，其特征在于：所述显示模块、所述透镜阵列模块为一体式结构或拼接式结构。
3.根据权利要求1所述的平视显示设备，其特征在于，所述显示模块的显示屏为亮度超过10000cd/m2的OLED/miniLED型自发光屏或LCD液晶屏。
4.根据权利要求1所述的平视显示设备，其特征在于：所述透镜单元采用具有旋转对称面型的透镜，其面型为球面或非球面。
5.根据权利要求1所述的平视显示设备，其特征在于：所述分光单元的面型为平面。
6.根据权利要求1所述的平视显示设备，其特征在于：所述分光单元的面型为曲面。
7.根据权利要求6所述的平视显示设备，其特征在于：所述分光单元为曲面时，所述显示模块用于根据所述分光单元的曲面结构对各子图像内容进行预校正。
8.根据权利要求1所述的平视显示设备，其特征在于：所述透镜阵列模块中，多个透镜单元密集排列。
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