CN112272789B - 具有可变的投影距离的用于生成虚拟图像的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生成虚拟图像的设备。该设备具有至少一个用于产生图像的图像生成单元(1)以及用于扩大出射光瞳的光波导。光波导(5)具有耦出区域(521)。邻近耦出区域(521)布置有光学元件(70)用以影响用于虚拟图像(VB)的至少一个子区域的投影距离。

Description

具有可变的投影距离的用于生成虚拟图像的设备

技术领域

本发明涉及一种用于生成虚拟图像的设备。

背景技术

也称为HUD的抬头显示器理解成如下显示系统，即，在该显示系统中，观察者可保持其视线方向，这是因为使待示出的内容插入到观察者的视野中。虽然这种类型的系统由于其复杂性和成本本来主要使用在航空的领域中，但是该系统目前也大量安装在汽车领域中。

抬头显示器通常由图像发生器、光学单元和镜子单元组成。图像发生器产生图像。光学单元将图像传导到镜子单元上。图像发生器通常也称为图像生成单元或PGU(PictureGenerating Unit)。镜子单元是部分镜反射的、光可透射的玻璃板。因此，观察者同时看到作为虚拟图像的、由图像发生器示出的内容和在玻璃板之后的真实世界。在汽车领域中，挡风玻璃通常用作镜子单元，在显示时必须考虑挡风玻璃的弯曲的形状。通过光学单元和镜子单元的共同作用，虚拟图像是由图像发生器产生的图像的放大展示。

观察者仅仅可从所谓的眼动范围/眼观察区(Eyebox)的位置观察虚拟图像。如下区域被称为眼动范围，即，该区域的高度和宽度相应于理论的视窗。只要观察者的眼睛位于眼动范围之内，虚拟图像的所有元素对于眼睛来说就都是可见的。相反，如果眼睛位于眼动范围之外，则对于观察者来说，仅仅还能部分地看到或者甚至看不到虚拟图像。由此，眼动范围越大，观察者在选择其座位时的限制越少。

传统的抬头显示器的眼动范围的大小受到光学单元的大小的限制。用于增大眼动范围的方案在于，将来自图像生成单元的光耦合到光波导中。被耦合到光波导中的、承载图像信息的光在光波导的边界面上被全反射，并且由此在光波导内被引导。附加地，在沿着传播方向的多个位置上分别使光的一部分耦出，从而图像信息在光波导的面上分布地输出。以这种方式，通过光波导使出射光瞳/出瞳直径扩大。在此，有效的出射光瞳由图像生成系统的孔径的图像组成。

在该背景下，专利申请US 2016/0124223 Al描述了一种用于虚拟图像的显示装置。该显示装置包括光波导，光波导使得来自图像生成单元的通过第一光入射面射入的光重复地经受内部反射，以便在第一方向上运动远离第一光入射面。此外，光波导导致，在光波导中被引导的光的一部分通过第一光入射面的在第一方向上延伸的区域向外离开。显示装置此外包括第一光入射侧的衍射光栅和第一光出射侧的衍射光栅，第一光入射侧的衍射光栅使射在其上的光衍射，以便使得被衍射的光进入光波导中，而第一光出射侧的衍射光栅使从光波导射入的光衍射。

随着虚拟&增强现实技术和应用的持续发展，其也应用在汽车领域中。增强现实(AR)(德语“erweiterte

”)是通过虚拟元素丰富真实世界，这些虚拟元素位置正确地记录在三维的空间中。在专业领域，在德语环境中，将术语“Augmented Reality(增强现实)”翻译成“erweiterte

”。因此，以下使用术语“Augmented Reality”。

传统的抬头显示器具有在其中呈现虚拟图像的面。典型地，如此选择投影距离，使得显示内容例如显现在其中安装了抬头显示器的车辆的发动机罩的上方。在那里，显示内容不伸入其它对象中并且可很好地看到。

对于增强现实应用，推荐使用以所描述的光波导技术为基础的抬头显示器。通过更大的眼动范围，可被虚拟元素丰富的真实环境区域同样明显增大。具有光波导的抬头显示器同样实现单独的投影距离，其中，对于增强现实应用来说，更大的投影距离是适宜的。但是，这不太适用于传统的显示内容(这些显示内容更优选位于更近的区域中)。

发明内容

本发明的目的是，提出一种改善的用于生成虚拟图像的设备，该设备实现可变的投影距离。

该目的通过具有权利要求1的特征的设备实现。本发明的优选的设计方案是从属权利要求的主题。

根据本发明的第一方面，用于生成虚拟图像的设备具有：

-用于生成图像的图像生成单元；

-用于扩大出射光瞳的光波导，其中，光波导具有耦出区域；以及

-邻近耦出区域布置的光学元件，该光学元件用于影响虚拟图像的至少一个子区域的投影距离。

在根据本发明的技术方案中，通过附加的光学元件实现可变的投影距离。由此，可为观察者在不同的距离中显示对象。例如，可实现具有用于静态的和动态的图像信息的、不同距离的图像平面的增强现实方案。同样，可实现弯曲的或倾斜的图像平面、例如位于道路表面上的图像平面。优选地，第一图像平面位于用户可以立体地进行观看的距离中，而第二图像平面位于不再是这种情况的距离中。光学元件例如可具有衍射结构，该衍射结构作用到从耦出区域离开的光上。

根据本发明的一个方面，光学元件具有至少一个全息层。通过与耦出区域毗邻布置的附加的全息层，可非常受控地影响从耦出区域中出来的光。优选地，全息层设计成透射体积全息图。尤其是，可使用至少两个相叠地或并排地布置的体积全息图，以便实现两个或更多个投影平面。

根据本发明的一个方面，所述至少一个全息层是可切换的。为此，至少一个全息层可具有可通过液晶切换的结构。以这种方式实现，根据需要通过全息层激活或去活投影距离的变化。

根据本发明的一个方面，可根据观察者位置切换至少一个全息层。例如，至少一个条带形的体积全息图可布置在相邻的全息图之间。可根据观察者的位置，尤其是根据竖直的头部位置，切换该条带形的体积全息图。以这种方式，可避免在相邻的全息图之间的分界区域中的显示缺陷，该显示缺陷在观察者的竖直的头部位置不匹配时可能出现。

根据本发明的一个方面，设备具有控制单元，该控制单元用于同步地操控至少一个全息层和图像生成单元。由此，通过时分复用可实现不同的投影距离。备选地，也可在具有不同的投影平面的不同全息图之间切换。由此，根据切换时间和备用时间/储备(Reserven)，实现多个对于观察者来说几乎同时可看到的图像平面。

根据本发明的一个方面，通过光学元件至少实现一个在附近区域中的投影平面和一个在远处区域中的投影平面。在此，在附近区域中的投影平面可用作显示平面，而在远处区域中的投影平面可用作增强平面。通过同时或交替地在附近区域中和在远处区域中渐显显示内容的可能性，可将传统显示内容和增强现实应用的要求结合在一起。

优选地，根据本发明的设备应用在交通工具中，以便为交通工具的操作者产生虚拟图像。交通工具例如可为机动车或飞行器。显然，根据本发明的技术方案也可使用在其它环境中或用于其它应用，例如在载重汽车中、在装配在帽盔中的显示部中、在轨道技术中、在公共交通中、在起重机和建筑机械中，等。

附图说明

从以下描述和所附的权利要求中结合附图可得到本发明的其它特征。其中，

图1示意性地示出了根据现有技术的用于机动车的抬头显示器；

图2示出了具有二维放大的光波导；

图3示意性地示出了具有光波导的抬头显示器；

图4示意性地示出了在机动车中的具有光波导的抬头显示器；

图5示意性地示出了根据本发明的抬头显示器的第一实施方式；以及

图6示意性地示出了根据本发明的抬头显示器的第二实施方式。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的原理，接下来根据附图更详细地解释本发明的实施方式。在图中，相同的附图标记用于相同的或功能相同的元件，并且不需要针对每个附图重新描述。应理解的是，本发明不限制在所示出的实施方式上，并且所描述的特征也可组合或修改，而不离开如在所附的权利要求中定义的本发明的保护范围。

首先，应根据图1至图4阐述具有光波导的抬头显示器的基本构思。

图1示出了根据现有技术的用于机动车的抬头显示器的原理图。抬头显示器具有图像发生器1、光学单元2和镜子单元3。射线束SB1从显示元件11离开，该射线束由折叠镜21反射到弯曲的镜子22上，该弯曲的镜子将射线束向镜子单元3的方向反射。镜子单元3在此作为机动车的挡风玻璃31示出。射线束SB2从那里到达观察者的眼睛61的方向。

观察者看到在机动车之外位于发动机罩上方或者甚至位于机动车前方的虚拟图像VB。通过光学单元2和镜子单元3的共同作用，虚拟图像VB是由显示元件11显示的图像的放大展示。在此，以符号示出了限速、当前的车辆速度以及导航指示。只要眼睛61位于通过矩形示出的眼动范围62之内，则虚拟图像的所有元素对于眼睛61来说是可见的。如果眼睛61位于眼动范围62之外，则虚拟图像VB对于观察者来说仅仅部分可见或者甚至不可见。眼动范围62越大，观察者在选择其座位时的限制越少。

弯曲的镜子22的曲率与挡风玻璃31的曲率相匹配并且确保，图像畸变在整个眼动范围22上是稳定的。弯曲的镜子22借助于支承部221可转动地被支承。由此实现的弯曲的镜子22的转动实现眼动范围22的移动并进而实现眼动范围22的位置与眼睛61的位置的匹配。折叠镜21用于，使由射线束SB1经过的在显示元件11与弯曲的镜子22之间的路程很长，并且同时光学单元2仍很紧凑。通过透明的覆盖部23将光学单元2与环境分隔。由此，保护光学单元2的光学元件例如不受位于车辆的内部中的灰尘影响。此外，在覆盖部23上设有光学的薄膜24或者覆层，该覆层应防止射入的太阳光SL通过镜子21、22到达显示元件11上。否则的话，可能由于在此情况下出现的发热暂时地或者持续地损害显示元件。为了防止这种情况，例如借助于光学的薄膜24滤除太阳光SL的红外部分。眩目保护部25用于，屏蔽从前方射入的光，从而前方射入的光不被覆盖部23向挡风玻璃31的方向反射，这可能引起观察者的眩目。除了太阳光SL之外，另一干扰光源64的光也可到达显示元件11上。

图2以示意性的空间图示出了具有二维放大的光波导5。在左下区域中，可看到耦入全息图53，借助于该耦入全息图将来自未示出的图像生成单元的光L1耦入到光波导5中。在光波导中，光在图中相应于箭头L2向右上方传播。在光波导5的该区域中，具有折叠全息图51，该折叠全息图类似于多个先后布置的半透性的镜子那样作用，并且产生在Y方向上变宽的、在X方向上传播的光束。这通过三个箭头L3示出。在光波导5的在图中向右延伸的部分中具有耦出全息图52，该耦出全息图同样与多个先后布置的半透性的镜子类似地作用，并且使通过箭头L4示出的光在Z方向上向上从光波导5中耦出。在此进行在X方向上的变宽，从而原始的射入的光束L1作为在两个尺寸中被放大的光束L4离开光波导5。

图3以空间图示出了具有三个光波导5R、5G、5B的抬头显示器，光波导彼此上下叠置并且每个光波导分别代表一个基本色红、绿和蓝。这些光波导共同形成光波导5。在光波导5中存在的全息图51、52、53与波长相关，从而各一个光波导5R、5G、5B用于基本色之一。在光波导5之上示出了图像发生器1和光学单元2。光学单元2具有镜子20，借助于镜子使由图像发生器1产生的且由光学单元2形成的光转向相应的耦入全息图53的方向。图像发生器1具有用于三个基本色的三个光源14R、14G、14B。可看出，整个所示出的单元具有比其射出光的面小的总高度。

图4示出了与图1类似的在机动车中的抬头显示器，然而在此以空间图示出并且同时示出了光波导5。可看出示意性地示出的图像发生器1，该图像发生器产生平行的射线束SB1，该射线束借助于镜平面523耦合到光波导5中。为简单起见，未示出光学单元。多个镜平面522分别将射到其上的光的一部分向挡风玻璃31、即镜子单元3的方向反射。由镜子单元将光向眼睛61的方向反射。观察者在发动机罩上方或在机动车前方更远的距离中看到虚拟图像VB。

图5示意性地示出了根据本发明的抬头显示器的第一实施方式。可看出图像生成单元1和由其输出的光L1，所述光通过在光波导5的耦入区域531中的耦入全息图53耦合到光波导中。在光波导5的耦出区域521上方布置有光学元件70，例如衍射结构被引进到该光学元件中。在所示出的实施方式中，光学元件70具有两个子区域701、702，所述子区域不同地在光学方面影响经过其的光。可看到两个子光束L41、L42，所述子光束导致两个虚拟图像VB1、VB2，所述虚拟图像以不同的距离位于用作镜子单元3的挡风玻璃31之前。由此，观察者61看到两个以不同距离位于眼动范围前方的显示内容。优选地，更加接近眼动范围的虚拟图像VB1设置成用于显示车辆信息，例如当前速度、发动机转速，等。更加远离眼动范围的虚拟图像VB2可设置成用于，示出与车辆环境叠加的信息、例如直接在车道上的导航指示的方向箭头或者其它增强现实信息。在该示例中，两个子区域701、702具有不交叠的子结构703、704。

图6示意性地示出了根据本发明的抬头显示器的第二实施方式。又可看到图像生成单元1、由其输出的光L1、光波导5和光学元件70。在此，光学元件由两个并排布置的体积全息图71、72组成，这二者都是可切换的。为此目的，设置有电极74，所述电极可使相应的体积全息图71、72在活性状态和非活性状态之间来回切换。为此，由控制单元73合适地操控电极。可看出在某一时刻位于不交叠的子区域711、721中的、被切换成活性状态的全息图结构712、722。所述全息图结构借助于部分圆形的线示出。控制单元73也如此操控图像生成单元1，使得由图像生成单元产生的图像与被切换的体积全息图71、72同步切换。如果还存在其它体积全息图，则有利地将所述其它体积全息图调整到不同的距离上，并且与待示出的信息的期望的距离同步切换。因此，尤其是不同时、但是至少先后地或者变化地在不同距离中示出虚拟图像。在切换时间足够短时，也可实现多个对于观察者来说几乎可同时看到的图像平面。

根据第一变型方案，体积全息图71、72中的每一个都覆盖耦出区域521的整个所使用的面，也就是说，在这种情况中体积全息图71、72上下叠置。于是，体积全息图71、72优选地彼此交替地或者也同时在不同的组合中被切换成活性的。同样可行的是，第一体积全息图71、72持续地是活性的，并且例如设计到5m的投影距离上。在这种情况中，第一体积全息图不必实施成可切换的。于是，可接通第二体积全息图71、72并且将其设计成，引起将投影距离改变成例如7.5m。该变型方案也能以如下形式实现，即，第二体积全息图71、72仅仅在部分区域中与第一体积全息图71、72交叠。

根据另一变型方案，在并排布置的体积全息图71、72之间布置有至少一个另外的带形的体积全息图。该至少一个另外的带形的体积全息图可根据观察者的位置、尤其是根据竖直的头部位置进行切换。利用至少一个条带形的体积全息图，可在体积全息图71、72之间的分界区域中避免显示缺陷，该显示缺陷可能由观察者的竖直的头部位置的偏差引起。

根据另一变型方案规定，仅仅分别将体积全息图71、72的一部分切换成活性的，并且另一部分切换成非活性的。为此设置相应合适的电极几何结构。

附图标记列表：

1 图像发生器/图像生成单元

11 显示元件

14、14R、14G、14B 光源

2 光学单元

20 镜子

21 折叠镜

22 弯曲的镜子

221 支承部

23 透明的覆盖部

24 光学的薄膜

25 眩目保护部

3 镜子单元

31 挡风玻璃

5 光波导

51 折叠全息图

52耦出全息图

521 耦出区域

522 镜平面

523 镜平面

53 耦入全息图

531 耦入区域

61 眼睛/观察者

62 眼动范围

64 干扰光源

70 光学元件

701、702 子区域

703、704 子结构

71、72 体积全息图

711、721 子区域

712、722 全息图结构

73 控制单元

74 电极

LI...L4 光

L41、L42、SB1、SB2 射线束

SL 太阳光

VB、VB1、VB2 虚拟图像

Claims (9)

1.一种用于生成虚拟图像(VB)的设备，该设备具有：

-用于产生图像的图像生成单元(1)；以及

-用于扩大出射光瞳的光波导(5、5R、5G、5B)，其中，光波导(5、5R、5G、5B)具有耦出区域(521)，

其特征在于，

-邻近耦出区域(521)布置有光学元件(70)，用以影响针对虚拟图像(VB)的至少一个子区域的投影距离，

所述光学元件(70)具有至少两个相叠地或并排地布置的体积全息图。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光学元件(70)具有至少一个全息层(71、72)。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述至少一个全息层(71、72)是可切换的。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述至少一个全息层(71、72)能根据观察者位置来进行切换。

5.根据权利要求3或4所述的设备，其中，所述至少一个全息层(71、72)具有能通过液晶切换的结构。

6.根据权利要求2至4中任一项所述的设备，所述设备具有控制单元(73)，该控制单元用于同步地操控所述至少一个全息层(71、72)和所述图像生成单元(1)。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，通过所述光学元件(70)至少实现一个在近距离中的投影平面和一个在远处区域中的投影平面。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述在近距离中的投影平面用作显示平面，而所述在远处区域中的投影平面用作增强平面。

9.一种交通工具，所述交通工具具有根据权利要求1至8中任一项所述的设备以用于为交通工具的操作者生成虚拟图像(VB)。

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