CN112444978A - 一种抬头显示设备、成像系统和车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种抬头显示设备、成像系统和车辆，其中，该抬头显示设备，包括：像源和自由曲面镜；所述像源设置在靠近所述曲面镜的焦平面的位置或者设置在所述曲面镜的焦平面所在位置；所述像源，能够发出光线；所述曲面镜将入射的光线反射出所述抬头显示设备，使得反射出抬头显示设备的光线能够形成远距离虚像；所述远距离虚像，用于消除观察者观看图像时的水平视差。通过本发明实施例提供的抬头显示设备、成像系统和车辆，使得像源投射出的远距离虚像能够与真实环境在视觉上进行完美融合，从而消除驾驶员观察AR‑HUD成像时产生的水平视差。
Description
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，具体而言，涉及一种抬头显示设备、成像系统和车辆。
背景技术
目前，增强现实抬头显示器(Augmented Reality Head Up Display，AR-HUD)是众多抬头显示设备(Head Up Display，HUD)中的一种，可以实现很好的视觉体验。基于AR-HUD的成像原理，像源投射出的图像需要与真实环境融合到一起，如方向指示箭头需要与道路精准融合，才可以实现很好的视觉效果。
在驾驶员观察像源所呈现图像的过程中，由于驾驶员的双眼与像源所呈现的图像之间的距离比较近，驾驶员在观察图像时发现左眼看到的图像或者右眼看到的图像与真实环境之间存在水平视差，造成驾驶员看到的像源所呈现图像与真实环境偏离，降低驾驶员对AR-HUD的使用体验。
发明内容
为解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种抬头显示设备、成像系统和车辆。
第一方面，本发明实施例提供了一种抬头显示设备，包括：像源和自由曲面镜；
所述像源设置在靠近所述曲面镜的焦平面的位置或者设置在所述曲面镜的焦平面所在位置；
所述像源，能够发出光线；
所述曲面镜将入射的光线反射出所述抬头显示设备，使得反射出抬头显示设备的光线能够形成远距离虚像；
所述远距离虚像，用于消除观察者观看图像时的水平视差。
第二方面，本发明实施例还提供了一种抬头显示设备，包括：像源；
所述像源安装在车辆内；所述车辆的仪表台的至少一个表面具有曲面反射结构；
所述像源设置在车辆内靠近所述曲面反射结构的焦平面的位置或者设置在所述曲面反射结构的焦平面所在位置；
所述像源，能够发出光线；
所述曲面反射结构将像源发出的光线反射至所述车辆挡风玻璃，使得反射至所述车辆挡风玻璃的光线能够形成远距离虚像；
所述远距离虚像，用于消除观察者观看图像时的水平视差。
第三方面，本发明实施例还提供了一种成像系统，包括：车辆挡风玻璃和上述第一方面提供的抬头显示设备；
所述车辆挡风玻璃将接收到的所述抬头显示设备发出的光线反射到观察者的眼盒区域，使得所述观察者能够观察到所述车辆挡风玻璃在远离所述抬头显示设备的一侧呈现的远距离虚像。
第四方面，本发明实施例还提供了一种成像系统，包括：车辆挡风玻璃和上述第二方面提供的所述的抬头显示设备；
所述车辆挡风玻璃将接收到的所述抬头显示设备发出的光线反射到观察者的眼盒区域，使得所述观察者能够观察到所述车辆挡风玻璃在远离所述抬头显示设备的一侧呈现的远距离虚像。
第五方面，本发明实施例还提供了一种车辆，包括：上述第三方面所述的成像系统。
第六方面，本发明实施例还提供了一种车辆，包括：上述第四方面所述的成像系统。
本发明实施例上述第一方面、第三方面以及第五方面提供的方案中，将像源设置在靠近所述曲面镜的焦平面的位置或者设置在所述曲面镜的焦平面所在位置，使得所述像源发出的光线能够形成远距离虚像，所述远距离虚像的成像位置应尽可能与真实环境在视觉上融合，与相关技术中成像距离较近导致驾驶员在观察图像时发现左眼看到的图像或者右眼看到的图像与真实环境之间存在水平视差相比，由于成像距离与观察者较远，使得像源投射出的远距离虚像能够与真实环境在视觉上进行完美融合，从而消除驾驶员观察AR-HUD成像时产生的水平视差，提高AR-HUD的使用体验。
本发明实施例上述第二方面、第四方面以及第六方面提供的方案中，将像源设置在靠近所述曲面反射结构的焦平面的位置或者设置在所述曲面镜的焦平面所在位置，使得所述像源发出的光线能够形成远距离虚像，所述远距离虚像的成像位置能够与真实环境在视觉上融合，与相关技术中成像距离较近导致驾驶员在观察图像时发现左眼看到的图像或者右眼看到的图像与真实环境之间存在水平视差相比，由于成像距离较远，使得像源投射出的远距离虚像能够与真实环境在视觉上进行完美融合，从而消除驾驶员观察AR-HUD成像时产生的水平视差，提高AR-HUD的使用体验。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a示出了本发明实施例1所提供的一种抬头显示设备的结构示意图；
图1b示出了本发明实施例1所提供的一种抬头显示设备中，HUD的另一种结构示意图；
图1c示出了本发明实施例1所提供的一种抬头显示设备中，应用图1a所示HUD的远距离虚像的成像原理图；
图1d示出了本发明实施例1所提供的一种抬头显示设备中，产生水平视差的示意图；
图2a示出了本发明实施例1所提供的一种抬头显示设备中，增加有平面反射镜的HUD的结构示意图；
图2b示出了本发明实施例1所提供的一种抬头显示设备中，使用图2a所示的HUD的形成远距离虚像的原理图；
图3示出了实施例2和实施例4所提供的安装有抬头显示设备的车辆驾驶舱的结构示意图；
图4示出了本发明实施例3所提供的一种车辆驾驶舱的一种结构示意图；
图5示出了本发明实施例3所提供的一种车辆驾驶舱的另一种结构示意图。
具体实施方式
目前，HUD技术可以避免驾驶员在驾驶过程中低头看仪表盘所导致的分心，提高驾驶安全系数，同时也能带来更好的驾驶体验。因此，使用汽车挡风玻璃进行成像的大屏幕全尺寸HUD正受到越来越多的关注。
增强现实抬头显示器(Augmented Reality Head Up Display，AR-HUD)则是通过内部特殊设计的光学系统，在驾驶员视线区域内合理、生动地显示一些驾驶信息，从而进一步增强驾驶员对于实际驾驶环境的感知。比如一旦用户驾驶车辆偏离既定车道，AR-HUD系统可以在车道线边缘处标出红线提醒驾驶员；驾驶时可以在前车后部看到一条标记的亮带等。因此，AR-HUD的兴起，对HUD行业提出了更高的技术要求。
AR-HUD目前仍有很多的技术难关等待攻克。在光学方面，例如：如何去控制视域、显像尺寸、以及成像距离，这些都与最终成像的效果息息相关；在软件方面，例如：如何去控制算法精确处理道路和环境信息也是非常重要的一个部分。基于AR-HUD的原理，像源投射出的图像需要与真实环境的物体进行完美融合，如方向指示箭头需要与道路精准融合等，才能给观察者良好的视觉感受。但人的双眼在观察时会在物体和图像之间产生水平视差，导致HUD投射出的画面无法与真实环境中的物体进行较好的融合；而且，图像与人眼距离越近，造成的视差就会越严重。因此，在驾驶员观察像源所呈现图像的过程中，由于驾驶员与像源所呈现图像之间的距离比较近，造成驾驶员在观察图像时发现左眼看到的图像或者右眼看到的图像与真实环境之间存在水平视差，造成驾驶员看到的像源所呈现图像与真实环境偏离，降低驾驶员对AR-HUD的使用体验。基于此，本实施例提出一种抬头显示设备、成像系统和车辆，通过远距离成像以及呈现消视差的立体视觉图像等多种方式，使得像源投射出的图像能够与真实环境在视觉上进行完美融合，从而消除驾驶员观察AR-HUD成像时产生的水平视差，提高HUD的使用体验。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请做进一步详细的说明。
在以下各实施例中，术语“HUD”和术语“AR-HUD”所表达的意思都是可以发出具有增强现实效果图像的抬头显示设备。
术语“视觉上与真实环境融合”，是指观察者的双眼看到的HUD呈现的图像与真实环境是完全融合到一起的。
实施例1
参见图1a所示的一种抬头显示设备的结构示意图，本实施例提出一种抬头显示设备，包括：像源100和曲面镜102。
所述像源100设置在靠近所述曲面镜100的焦平面的位置或者设置在所述曲面镜102的焦平面所在位置。
所述像源100，能够发出光线。
进一步地，所述像源100，能够发出呈现图像的光线。
所述曲面镜102将入射的光线反射出所述抬头显示设备，使得反射出抬头显示设备的光线能够形成远距离虚像。
所述曲面镜102，可以是但不限于：球面镜、双曲面镜、抛物面镜、以及自由曲面镜。
所述远距离虚像，用于消除观察者观看图像时的水平视差。
这里，对所述远距离成像的原理进行说明：
在一个实施方式中，参见图1c所示的应用图1a所示HUD的远距离虚像的成像原理图，HUD出射的光线在反射介质上发生反射，反射光线出射至观察者的眼睛，使得观察者可观察到形成于反射介质外的虚像。光线在反射介质上发生反射的现象，可近似认为是平面镜成像。根据HUD的结构及光学原理，像源100发出的光线在曲面镜102上发生反射，随后出射至反射介质，即可认为，在曲面镜远离像源的一侧形成有发出光线的等效像源，根据平面镜成像规律，形成的虚像与成像的等效像源之间关于反射介质对称。
所述等效像源，为像源100发出的光线在曲面镜102上反射后，在曲面镜远离像源的一侧形成的虚像。
因此，要形成所述远距离虚像，就要增加等效像源到反射介质之间的距离。
而所述等效像源的位置由曲面镜102的成像特性决定，根据以下公式1给出的曲面镜成像规律：
其中，f表示曲面镜的焦距；u表示像源与曲面镜之间的距离，即像源在曲面镜成像的物距；v表示像源在曲面镜上所成虚像与曲面镜之间的距离，即像源在曲面镜成像的像距。
通过公式(1)可以看出，所述等效像源的位置，即像源在曲面镜所成虚像的位置，与以下两个参数有关：曲面镜102的焦距以及像源100与曲面镜102之间的距离。
因此，综上所述，要形成所述远距离虚像，就要增加像源到曲面镜之间的距离，即像源在曲面镜成像的物距；或增加曲面镜的焦距。
曲面镜的焦距与曲面镜的曲率半径和面形等参数相关。而曲面镜102的焦距近似等于曲面镜的曲率半径的二分之一，因此使用曲率半径较大的曲面镜，就可以增加曲面镜的焦距，相应的就增加了等效像源与曲面镜之间的距离。
在一个实施方式中，曲率半径较大的曲面镜，可以是曲率半径在[400毫米,∞)这个范围内的任何曲面镜。
除了采用上述增加曲面镜的焦距的方式外，还可以采用增加像源与曲面镜之间的距离的方式，即将像源设置在曲面镜焦平面位置处或者设置在靠近曲面镜的焦平面的位置。
则上述公式1中
约等于或者等于
此时v趋近于无穷大，即达到了增加成像距离的目的。
可选地，反射介质可以是车辆挡风玻璃。当然，也可以是车辆上的其他反射器件，这里不再一一赘述。
在另一个实施方式中，参见图1d所示的产生水平视差的示意图，为了使图像与物体尽可能在水平方向融合，应该尽量减小水平视差ΔX的大小。
其中，D1表示观察者的瞳距；D2表示观察者的眼盒区域的宽度；L1表示观察者的眼盒区域(即观察者)与物体之间的距离；L2表示观察者的眼盒区域与图像之间的距离；L3表示物体与图像之间的距离；L4表示物体的水平宽度。
所述眼盒区域，是指观察者可以观察到光线所呈现图像的区域。
由于观察者的位置不是固定不动的，所以把D1替换为眼盒区域的宽度D2也是没有问题的。
如图1d所示，增加观察者的眼盒区域与图像之间的距离L2，即增加HUD的成像距离，就可以减小水平视差ΔX。
所述眼盒区域，是指观察者可以观察到HUD发出的光线所呈现图像的区域。
通过以上描述的远距离成像的原理，HUD可以在距离观察者十几米、几十米或者无穷远的位置处成现一个远距离虚像，大大增加了HUD的成像距离，达到远距离成像的目的。
所述远距离虚像的成像位置应该与真实环境相关，所述远距离虚像应尽可能在视觉上与真实环境融合，从而尽量避免驾驶员观察AR-HUD成像时产生的水平视差。
当所述像源100设置在靠近所述曲面镜102的焦平面的位置时，所述像源100可以设置在距离所述曲面镜102一倍焦距的任何位置处，此时光源发出的光线在车辆挡风玻璃上反射后就可以形成远距离虚像。
除此之外，所述像源100还可以设置在距离所述曲面镜102一倍焦距以外且靠近曲面镜焦平面的位置，此时光源发出的光线可以在曲面镜与挡风玻璃之间的位置形成倒立的实像。
在另一个实施方式中，参见图1b所示的HUD的结构示意图，为了进行远距离成像，所述像源100安装在车辆内；所述曲面镜102安装在车辆的仪表台的表面上。
所述曲面镜102将像源100发出的光线反射至所述车辆挡风玻璃，使得反射至所述车辆挡风玻璃2500的光线能够形成远距离虚像。
在一个实施方式中，所述像源100可以安装在车辆车顶中驾驶员座椅上方位置处；所述曲面镜102安装在车辆的仪表台上盖板中朝向车辆挡风玻璃2500的表面上。或者，像源100放置在车顶后视镜处，控制台中间或驾驶员前方设置曲面镜102。这样，像源100与曲面镜102之间应该有大概0.5米到0.8米之间的距离，且这个距离无限接近曲率半径为1米到1.6米大小的曲面镜的焦距，从而达到远距离成像的目的。
当然，所述像源100和曲面镜102还可以安装在车辆内的任何可以成像的位置处，这里不再一一赘述。
通过以上的内容可以看出，将像源100安装在车辆车顶中驾驶员座椅上方位置处，并将曲面镜102安装在车辆的仪表盘上盖板中朝向挡风玻璃的表面上，使得像源位于曲面镜的焦平面附近，达到了远距离成像的目的。
为了使像源位于曲面镜的焦平面附近，可以在确定曲面镜和像源的安装位置后，根据曲面镜和像源的距离作为曲面镜的焦距设计曲面镜的曲率，使得曲面镜的焦距满足像源位于曲面镜的焦平面附近这个条件。
通过以上的内容可以看出，将像源设置在靠近所述曲面镜的焦平面的位置或者设置在所述曲面镜的焦平面所在位置，使得所述像源发出的光线能够形成远距离虚像，所述远距离虚像的成像位置应尽可能与真实环境在视觉上融合，与相关技术中成像距离较近导致驾驶员在观察图像时发现左眼看到的图像或者右眼看到的图像与真实环境之间存在水平视差相比，由于成像距离与观察者较远，使得像源投射出的远距离虚像能够与真实环境在视觉上进行完美融合，从而消除驾驶员观察AR-HUD成像时产生的水平视差，提高AR-HUD的使用体验。
为了缩小HUD的体积，参见图2a所示的增加有平面反射镜的HUD的结构示意图，本实施例提出的HUD中，所述HUD还包括：平面反射镜104。所述平面反射镜104将所述像源发出的光线反射到所述曲面镜。
所述平面反射镜104，可以设置在所述像源发出的光线入射到所述曲面镜的光路之间的任何位置上，本实施例不再赘述。
通过以上的内容可以看出，可以在HUD中增加平面反射镜，以增加光线在HUD内的传播路径数量，对HUD内有限空间进行重复利用，从而缩小HUD的体积。
参见图2b所示的使用图2a所示的HUD的形成远距离虚像的原理图，像源100发出的光线经过平面镜104反射至曲面镜102时，相当于在平面镜远离像源的一侧形成有发出光线的等效像源1(即像源100发出的光线经平面镜反射形成的虚像)，所述等效像源1发出的光线经过平面镜后入射到曲面镜，使像源射出的光线在像源与曲面镜之间反射两次，对HUD的内部空间进行了重复利用。因此，通过空间复用的方式增加了HUD内光线传播到曲面镜的传播路径数量，缩小HUD的体积。
上述HUD虽然可以很好的解决观察者观察HUD图像水平视差的问题，但由于将像源设置在靠近所述曲面镜的焦平面的位置或者设置在所述曲面镜的焦平面所在位置，远距离成像时光路近似于平行光，所以在某些角度范围内，根据光路可逆原理，外界环境平行光会在像源位置处汇聚，使像源的光能能量密度很高，导致像源有烧坏的风险。
为了避免像源烧坏，本实施例提出的HUD中，所述像源采用数字光处理(DigitalLight Processing，DLP)像源。从而利用DLP像源自身的成像特性避免像源烧屏的缺陷。
在另一个实现方式中，为了避免像源烧坏，本实施例提出的HUD中，所述曲面镜，还可以包括：曲面光线控制元件。
所述曲面光线控制元件，能够反射所述光线中的特定特性光线，并吸收或者透过所述光线中除特定特性光线之外的其他光线。
所述曲面光线控制元件，可以通过在曲面镜中对所述光线进行反射的表面贴有一层用于反射所述特定特性光线的选择性反射膜得到。
所述用于反射所述特定特性光线的选择性反射膜，可以是但不限于：具有选择性反射功能的带通膜或者偏振反射膜。
具有选择性反射功能的带通膜，包括但不限于：无机电介质材料和有机高分子材料。
具有选择性反射功能的带通膜采用无机电介质材料制造时，所述选择性反射功能的带通膜由至少两种具有不同折射率的膜层堆叠而成，所述膜层的成分选自五氧化二钽、二氧化钛、氧化镁、氧化锌、氧化锆、二氧化硅、氟化镁、氮化硅、氮氧化硅、氟化铝中的一种或多种。
具有选择性反射功能的带通膜采用有机高分子材料制造时，可以使用双轴拉伸高分子膜和单轴拉伸高分子膜。
所述双轴拉伸高分子膜，包括多个膜层；所述膜层包括至少两种热塑性有机聚合物膜层；所述第一热塑性聚合物膜层和第二热塑性聚合物膜层交替排列；所述第一热塑性聚合物膜层和第二热塑性聚合物膜层的折射率不同。
所述热塑性聚合物为不同聚合程度的PET(聚对苯二甲酸乙二酯)及其衍生物、不同聚合程度的PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)及其衍生物、不同聚合程度的PBT(聚对苯二酸丁二酯)及其衍生物、不同聚合程度的PCT(聚对苯二甲酸1,4-环己烷二甲醇酯)及其衍生物、不同聚合程度的PBN(聚萘二酸丁醇酯)及其衍生物、不同聚合程度的PTT(聚对苯二甲酸丙二酯)及其衍生物、不同聚合程度的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)及其衍生物、不同聚合程度的PP(聚丙烯)及其衍生物、不同聚合程度的PS(聚苯乙烯)及其衍生物、不同聚合程度的PVDC(聚偏二氯乙烯)及其衍生物、不同聚合程度的PC(聚碳酸酯)及其衍生物中的至少一种或其中几种的组合共聚物。
所述热塑性聚合物膜层，通过拉伸热塑性聚合物制得。
所述拉伸工艺，通过在第一方向上拉伸所述热塑性聚合物，并在完成第一方向拉伸前，同时在第二方向拉伸所述热塑性聚合物；
所述热塑性聚合物膜层在三个正交方向上具有折射率；且三个方向上的折射率不完全相同。
将按照所述拉伸工艺拉伸后的第一热塑性聚合物膜、第二热塑性聚合物膜堆叠。
所述单轴拉伸高分子膜，包括多个膜层；所述膜层包括至少两种热塑性有机聚合物膜层；所述第一热塑性聚合物膜层和第二热塑性聚合物膜层交替排列；所述第一热塑性聚合物膜层和第二热塑性聚合物膜层的折射率不同。
所述热塑性聚合物为不同聚合程度的PET(聚对苯二甲酸乙二酯)及其衍生物、不同聚合程度的PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)及其衍生物、不同聚合程度的PBT(聚对苯二酸丁二酯)及其衍生物、不同聚合程度的PCT(聚对苯二甲酸1,4-环己烷二甲醇酯)及其衍生物、不同聚合程度的PBN(聚萘二酸丁醇酯)及其衍生物、不同聚合程度的PTT(聚对苯二甲酸丙二酯)及其衍生物、不同聚合程度的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)及其衍生物、不同聚合程度的PP(聚丙烯)及其衍生物、不同聚合程度的PS(聚苯乙烯)及其衍生物、不同聚合程度的PVDC(聚偏二氯乙烯)及其衍生物、不同聚合程度的PC(聚碳酸酯)及其衍生物中的至少一种或其中几种的组合共聚物。
所述热塑性聚合物膜层，通过拉伸热塑性聚合物制得。
所述拉伸工艺，通过在第一方向上拉伸所述第一热塑性聚合物；在第二方向上拉伸所述第二热塑性聚合物；所述第一方向与第二方向不同。
所述热塑性聚合物膜层在至少二个正交方向上具有折射率；且不同方向上的折射率不完全相同。
将按照所述拉伸工艺拉伸后的第一热塑性聚合物膜、第二热塑性聚合物膜堆叠。
所述偏振反射膜，可以是但不限于：反射式偏振镜(Reflective PolarizerMirror，RPM)膜或双层增亮薄膜(Dual Brightness Enhancement Film，DBEF)。
该具有反射特性的膜能够具有反射所述光线中的特定特性光线，并吸收或者透过所述光线中除特定特性光线之外的其他光线的功能。
所述特定特性光线，包括但不限于：具有偏振特性的光线和/或者具有不同波长的三原色光线。
所述具有偏振特性的光线，包括：线偏振光线、左旋圆偏振光线、右旋圆偏振光线、左旋椭圆偏振光线、或者右旋椭圆偏振光线。
所述线偏振光线，包括但不限于：水平线偏振光线、垂直线偏振光线、以及普通线偏振光线。
可选地，为了避免像源烧坏，且不使用上述的曲面光线控制元件的情况下，本实施例提出的HUD中，所述平面反射镜，还可以包括：所述平面光线控制元件。
所述平面光线控制元件，能够反射所述光线中的特定特性光线，并吸收或者透过所述光线中除特定特性光线之外的其他光线。
所述平面光线控制元件，可以通过在平面反射镜中对所述光线进行反射的表面贴有一层用于反射所述特定特性光线的选择性反射膜得到。
所述平面光线控制元件的特性与上述曲面光线控制元件的特性类似，这里不再赘述。
通过以上的内容可以看出，可以通过使用DLP像源、平面光线控制元件、或者曲面光线控制元件，就可以降低外界环境平行光在像源位置处汇聚时像源的光能能量密度，尽可能避免像源出现烧屏的风险。
实施例2
参见图3所示的一种安装有抬头显示设备的车辆驾驶舱的结构示意图，本实施例提出一种抬头显示设备，包括：像源100。
所述像源100安装在车辆内；所述车辆的仪表台4700的至少一个表面具有曲面反射结构4702。
所述像源100设置在车辆内靠近所述曲面反射结构4702的焦平面的位置或者设置在所述曲面反射结构4702的焦平面所在位置。
所述像源100，能够发出光线。
进一步地，所述像源100，能够发出呈现图像的光线。
所述曲面反射结构4702将像源100发出的光线反射至所述车辆挡风玻璃2500，使得反射至所述车辆挡风玻璃2500的光线能够形成远距离虚像。
所述远距离虚像，用于消除观察者观看图像时的水平视差。
所述曲面反射结构4702，具有曲面镜类似的结构，能够实现与所述曲面镜相同或接近的成像功能。所以，将像源100设置在靠近所述曲面反射结构的焦平面的位置或者设置在所述曲面反射结构4702的焦平面所在位置，就可以实现成像功能。
所述远距离虚像的成像位置应该与真实环境相关，所述远距离虚像应尽可能在视觉上与真实环境融合，从而尽量避免驾驶员观察AR-HUD成像时产生的水平视差。
当所述像源100设置在靠近所述曲面反射结构4702的焦平面的位置时，所述像源100可以设置在距离所述曲面反射结构4702一倍焦距的任何位置处，此时像源发出的光线传播到车辆挡风玻璃2500上就可以形成远距离虚像。
除此之外，所述像源100还可以设置在距离所述曲面反射结构4702一倍焦距以外且靠近所述曲面反射结构焦平面的位置，此时像源发出的光线可以在曲面镜与挡风玻璃之间的位置形成倒立的实像。
在一个实施方式中，如图3所示，所述像源100可以安装在车辆车顶中驾驶员座椅上方位置处；所述曲面反射结构4702可以设置在在车辆的仪表台上盖板中朝向车辆挡风玻璃2500的表面上。或者，像源100放置在车顶后视镜处，所述曲面反射结构4702可以设置在在车辆的仪表台上盖板中朝向车辆挡风玻璃2500的表面上。这样，像源100与曲面反射结构4702之间应该有大概0.5米到0.8米之间的距离，且这个距离无限接近曲率半径为1米到1.6米大小的曲面镜的焦距，从而达到远距离成像的目的。
通过以上的内容可以看出，将像源100安装在车辆内，且车辆的仪表台的至少一个表面具有曲面反射结构4702，并使得像源位于曲面反射结构4702的焦平面附近，就可以达到远距离成像的目的。
为了使像源位于曲面反射结构的焦平面附近，可以在确定曲面反射结构和像源的安装位置后，根据曲面反射结构4702和像源100的距离作为曲面反射结构4702的焦距设计曲面反射结构4702的曲率，使得曲面反射结构4702的焦距满足像源100位于曲面反射结构4702的焦平面附近这个条件。
通过以上的内容可以看出，将像源设置在靠近所述曲面反射结构的焦平面的位置或者设置在所述曲面镜的焦平面所在位置，使得所述像源发出的光线能够形成远距离虚像，所述远距离虚像的成像位置能够与真实环境在视觉上融合，与相关技术中成像距离较近导致驾驶员在观察图像时发现左眼看到的图像或者右眼看到的图像与真实环境之间存在水平视差相比，由于成像距离较远，使得像源投射出的远距离虚像能够与真实环境在视觉上进行完美融合，从而消除驾驶员观察AR-HUD成像时产生的水平视差，提高AR-HUD的使用体验。
为了缩小HUD的体积，参见图2a所示的增加有平面反射镜的HUD的结构示意图，本实施例提出的HUD中，所述HUD还包括：平面反射镜104。所述平面反射镜104将所述像源发出的光线反射到所述曲面镜。
所述平面反射镜104，可以设置在所述像源发出的光线入射到所述曲面镜的光路之间的任何位置上，本实施例不再赘述。
通过以上的内容可以看出，可以在HUD中增加平面反射镜，以增加光线在HUD内的传播路径数量，对HUD内有限空间进行重复利用，从而缩小HUD的体积。
上述HUD虽然可以很好的解决观察者观察HUD图像水平视差的问题，但由于将像源设置在靠近所述曲面反射结构的焦平面的位置或者设置在所述曲面反射结构的焦平面所在位置，远距离成像时光路近似于平行光，所以在某些角度范围内，根据光路可逆原理，外界环境平行光会在像源位置处汇聚，使像源的光能能量密度很高，导致像源有烧坏的风险。
为了避免像源烧坏，本实施例提出的HUD中，所述像源采用数字光处理(DigitalLight Processing，DLP)像源。从而利用DLP像源自身的成像特性避免像源烧屏的缺陷。
在另一个实现方式中，为了避免像源烧坏，本实施例提出的HUD中，所述平面反射镜，还可以包括：所述平面光线控制元件。
所述平面光线控制元件，能够反射所述光线中的特定特性光线，并吸收或者透过所述光线中除特定特性光线之外的其他光线。
所述平面光线控制元件，可以通过在平面反射镜中对所述光线进行反射的表面贴有一层用于反射所述特定特性光线的选择性反射膜得到。
所述用于反射所述特定特性光线的选择性反射膜，可以是但不限于：具有选择性反射功能的带通膜或者偏振反射膜。
所述偏振反射膜，可以是但不限于：反射式偏振镜(Reflective PolarizerMirror，RPM)膜或双层增亮薄膜(Dual Brightness Enhancement Film，DBEF)。
该具有反射特性的膜能够具有反射所述光线中的特定特性光线，并吸收或者透过所述光线中除特定特性光线之外的其他光线的功能。
所述特定特性光线，包括但不限于：具有偏振特性的光线和/或者具有不同波长的三原色光线。
所述具有偏振特性的光线，包括：线偏振光线、水平线偏振光线、垂直线偏振光线、左旋圆偏振光线、右旋圆偏振光线、左旋椭圆偏振光线、或者右旋椭圆偏振光线。
所述线偏振光线，包括但不限于：水平线偏振光线、垂直线偏振光线、以及普通线偏振光线。
通过以上的内容可以看出，可以通过使用DLP像源或者使用平面光线控制元件，就可以降低外界环境平行光在像源位置处汇聚时像源的光能能量密度，尽可能避免像源出现烧屏的风险。
实施例3
参见图4和图5所示的不同的车辆驾驶舱的结构示意图，本实施例提出一种成像系统，包括：车辆挡风玻璃2500和实施例1所述的HUD2502。
其中，图4中显示的HUD2502不具有平面反射镜，而图5中显示的HUD2502中是具有平面反射镜。
所述车辆挡风玻璃2500将接收到的所述抬头显示设备2502发出的光线反射到观察者的眼盒区域，使得所述观察者能够观察到所述车辆挡风玻璃在远离所述抬头显示设备2502的一侧呈现的远距离虚像。
所述车辆挡风玻璃2500，可以是但不限于：具有一定倾斜角度的透明或非透明介质，如交通工具的挡风玻璃、镀有不透明反射层的平面镜、透明的树脂板材。
本实施例还提出一种车辆，可以包括上述成像系统。
综上所述，本实施例提出的一种成像系统和车辆，在成像系统的HUD中，将像源设置在靠近所述曲面镜的焦平面的位置或者设置在所述曲面镜的焦平面所在位置，使得所述像源发出的光线能够形成远距离虚像，所述远距离虚像的成像位置应尽可能与真实环境在视觉上融合，与相关技术中成像距离较近导致驾驶员在观察图像时发现左眼看到的图像或者右眼看到的图像与真实环境之间存在水平视差相比，由于成像距离与观察者较远，使得像源投射出的远距离虚像能够与真实环境在视觉上进行完美融合，从而消除驾驶员观察AR-HUD成像时产生的水平视差，提高AR-HUD的使用体验。
实施例4
参见图3所示的车辆驾驶舱的结构示意图，本实施例提出一种成像系统，包括：车辆挡风玻璃2500和实施例2所述的HUD。
所述车辆挡风玻璃2500将接收到的所述抬头显示设备发出的光线反射到观察者的眼盒区域，使得所述观察者能够观察到所述车辆挡风玻璃在远离所述抬头显示设备的一侧呈现的远距离虚像。
所述车辆挡风玻璃2500，可以是但不限于：具有一定倾斜角度的透明或非透明介质，如交通工具的挡风玻璃、镀有不透明反射层的平面镜、透明的树脂板材。
所述眼盒区域，是指观察者可以观察到光线所呈现图像的区域。
本实施例还提出一种车辆，可以包括上述成像系统。
综上所述，本实施例提出的一种成像系统和车辆，在成像系统的HUD中，将像源设置在车辆内靠近仪表台中曲面反射结构的焦平面的位置或者设置在所述曲面镜的焦平面所在位置，使得像源发出的光线能够形成远距离虚像，使得远距离虚像的成像位置应尽可能与真实环境在视觉上融合，与相关技术中成像距离较近导致驾驶员在观察图像时发现左眼看到的图像或者右眼看到的图像与真实环境之间存在水平视差相比，由于成像距离与观察者较远，使得像源投射出的远距离虚像能够与真实环境在视觉上进行完美融合，从而消除驾驶员观察AR-HUD成像时产生的水平视差，提高AR-HUD的使用体验。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (18)
1.一种抬头显示设备，其特征在于，包括：像源和自由曲面镜；
所述像源设置在靠近所述曲面镜的焦平面的位置或者设置在所述曲面镜的焦平面所在位置；
所述像源，能够发出光线；
所述曲面镜将入射的光线反射出所述抬头显示设备，使得反射出抬头显示设备的光线能够形成远距离虚像；
所述远距离虚像，用于消除观察者观看图像时的水平视差。
2.根据权利要求1所述的抬头显示设备，其特征在于，所述像源采用数字光处理DLP像源。
3.根据权利要求1所述的抬头显示设备，其特征在于，还包括：平面反射镜；
所述平面反射镜将所述像源发出的光线反射到所述曲面镜。
4.根据权利要求1所述的抬头显示设备，其特征在于，所述曲面镜，包括：曲面光线控制元件；
所述曲面光线控制元件，能够反射所述光线中的特定特性光线，并吸收或者透过所述光线中除特定特性光线之外的其他光线。
5.根据权利要求3所述的抬头显示设备，其特征在于，所述平面反射镜，包括：平面光线控制元件；
所述平面光线控制元件，能够反射所述光线中的特定特性光线，并吸收或者透过所述光线中除特定特性光线之外的其他光线。
6.根据权利要求4或者5所述的抬头显示设备，其特征在于，所述曲面光线控制元件或者所述平面光线控制元件，包括：用于反射所述特定特性光线的选择性反射膜。
7.根据权利要求4所述的抬头显示设备，其特征在于，所述特定特性光线，包括：具有偏振特性的光线和/或者具有不同波长的三原色光线。
8.根据权利要求1所述的抬头显示设备，其特征在于，所述像源安装在车辆内；所述曲面镜安装在车辆的仪表台的表面上；
所述曲面镜将像源发出的光线反射至所述车辆挡风玻璃，使得反射至所述车辆挡风玻璃的光线能够形成远距离虚像。
9.一种抬头显示设备，其特征在于，包括：像源；
所述像源安装在车辆内；所述车辆的仪表台的至少一个表面具有曲面反射结构；
所述像源设置在车辆内靠近所述曲面反射结构的焦平面的位置或者设置在所述曲面反射结构的焦平面所在位置；
所述像源，能够发出光线；
所述曲面反射结构将像源发出的光线反射至所述车辆挡风玻璃，使得反射至所述车辆挡风玻璃的光线能够形成远距离虚像；
所述远距离虚像，用于消除观察者观看图像时的水平视差。
10.根据权利要求9所述的抬头显示设备，其特征在于，所述像源采用数字光处理DLP像源。
11.根据权利要求9所述的抬头显示设备，其特征在于，还包括：平面反射镜；
所述平面反射镜将所述像源发出的光线反射到所述曲面镜。
12.根据权利要求11所述的抬头显示设备，其特征在于，所述平面反射镜，包括：平面光线控制元件；
所述平面光线控制元件，能够反射所述光线中的特定特性光线，并吸收或者透过所述光线中除特定特性光线之外的其他光线。
13.根据权利要求12所述的抬头显示设备，其特征在于，所述平面光线控制元件，包括：用于反射所述特定特性光线的选择性反射膜。
14.根据权利要求12所述的抬头显示设备，其特征在于，所述特定特性光线，包括：具有偏振特性的光线和/或者具有不同波长的三原色光线。
15.一种成像系统，其特征在于，包括：车辆挡风玻璃和权利要求1至8任一项所述的抬头显示设备；
所述车辆挡风玻璃将接收到的所述抬头显示设备发出的光线反射到观察者的眼盒区域，使得所述观察者能够观察到所述车辆挡风玻璃在远离所述抬头显示设备的一侧呈现的远距离虚像。
16.一种成像系统，其特征在于，包括：车辆挡风玻璃和权利要求9至14任一项所述的抬头显示设备；
所述车辆挡风玻璃将接收到的所述抬头显示设备发出的光线反射到观察者的眼盒区域，使得所述观察者能够观察到所述车辆挡风玻璃在远离所述抬头显示设备的一侧呈现的远距离虚像。
17.一种车辆，其特征在于，包括：权利要求15所述的成像系统。
18.一种车辆，其特征在于，包括：权利要求16所述的成像系统。
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| CN201910823097.9A CN112444978A (zh) | 2019-09-02 | 2019-09-02 | 一种抬头显示设备、成像系统和车辆 |
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| CN115113394A (zh) * | 2021-03-23 | 2022-09-27 | 群创光电股份有限公司 | 抬头显示系统 |
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