CN112824968B - 投影设备和方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种投影设备和方法。所述投影设备包括：光源；空间光调制器，所述空间光调制器接收从所述光源发出的光，并且将图像加载到从所述光源接收的光上以出射图像光；全息膜，所述全息膜接收所述图像光并将所接收到的图像光衍射为目标图像。

Description

投影设备和方法

技术领域

本申请涉及图像数据处理和产生领域，更具体地，涉及一种投影设备和投影方法。

背景技术

图像投影在诸多领域有着广泛应用。例如，在车载显示领域，利用图像投影实现的抬头显示器(HUD)逐渐引起市场的关注。HUD的应用可以使驾驶员在视线不从当前驾驶环境中移开的前提下，获取到车辆相关信息(诸如，车速、档位、发动机转速等)。当与虚拟现实(VR)技术或增强现实(AR)技术相结合时，还可实现VR-HUD和AR-HUD，从而为驾驶提供便利。传统的图像投影设备大多利用数字微镜设备(DMD)生成图像，并通过透镜组后直接投影到挡风玻璃上。这样的图像投影设备在视场角等方面存在一些不足。

发明内容

本申请一方面提供了一种投影设备。所述投影设备包括：光源；空间光调制器，所述空间光调制器接收从所述光源发出的光，并且将图像加载到从所述光源接收的光上以出射图像光；全息膜，所述全息膜接收所述图像光并将所接收到的图像光衍射为目标图像。

根据本申请实施方式，所述空间光调制器将图像的深度信息加载到从所述光源接收的光上。

根据本申请实施方式，所述投影设备包括切换控制器，所述切换控制器控制所述空间光调制器是否加载所述深度信息。

根据本申请实施方式，所述光源是点光源。

根据本申请实施方式，所述光源是光纤激光器。

根据本申请实施方式，所述全息膜所衍射出的图像的视点位置基于所述图像光入射至所述全息膜的角度确定。

根据本申请实施方式，所述全息膜是复用体全息膜，所述复用体全息膜具有至少两个预定光入射角，所述空间光调制器至少出射具有不同角度的第一图像光和第二图像光，所述投影设备还包括设置在所述空间光调制器与所述全息膜之间的反射镜，所述反射镜将所述第二图像光反射到所述全息膜上，使得所述第一图像光和经反射的第二图像光入射至所述全息膜的角度不同。

根据本申请实施方式，第一图像光和第二图像光可以加载有不同的图像。

根据本申请实施方式，所述空间光调制器包括声光调制器、数字微镜器件或液晶空间光调制器。

根据本申请实施方式，所述全息膜包括反射式全息膜或透射式全息膜。当空间光调制器与观察点在全息膜的同一侧时，所述全息膜为反射式全息膜(即，反射式全息元件)；而当空间光调制器与观察点分别在全息膜两侧时，所述全息膜为透射式全息膜(即，透射式全息元件)。

根据本申请实施方式，所述复用体全息膜包括振幅式复用体全息膜或相位型复用体全息膜。

本申请另一方面提供了一种投影方法。所述投影方法包括：利用光源发射光；利用空间光调制器从所述光源接收光，并且将图像加载到从所述光源接收的光上以出射图像光；利用全息膜接收所述图像光并将所接收到的图像光衍射为目标图像。

根据本申请实施方式，将图像加载到从所述光源接收的光上包括：将图像的深度信息加载到从所述光源接收的光上。

根据本申请实施方式，所述投影方法还包括控制所述空间光调制器是否加载所述深度信息。

根据本申请实施方式，利用光源发射光包括：利用点光源发射球面光。

根据本申请实施方式，所述光源发射的光是激光。

根据本申请实施方式，将所接收到的图像光衍射为目标图像包括：基于所述图像光入射至所述全息膜的角度确定所述全息膜所衍射出的图像的视点位置。

根据本申请实施方式，所述全息膜具有至少两个预定光入射角，所述空间光调制器至少出射具有不同角度的第一图像光和第二图像光，所述投影方法还包括：利用设置在所述空间光调制器与所述全息膜之间的反射镜将所述第二图像光反射到所述全息膜上，使得所述第一图像光和经反射的第二图像光入射至所述全息膜的角度不同。

根据本申请实施方式，第一图像光和第二图像光可以加载有不同的图像。

根据本申请实施方式，将图像加载到从所述光源接收的光上包括：通过声光调制、数字微镜成像或空间光调制将所述图像加载到从所述光源接收的光上。

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投影设备的示意图；

图2是根据本申请实施方式的制备全息膜的方法的示意图；

图3是根据本申请实施方式的投影设备的示意图；

图4是根据本申请实施方式的制备全息膜的方法的示意图；以及

图5是根据本申请实施方式的投影方法的流程图。

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，下文中讨论的第一图像光也可被称作第二图像光。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投影设备的示意图。

投影设备1000包括光源1100、空间光调制器1200和全息膜1300。光源1100发出用于成像的光。光源1100可以是点光源。在这种情况下，光源1100可发出具有球面波前的光波。光源1100可以是激光光源。例如，光源1100可以是光纤激光器。虽然图1中仅示出了一个光源，然而光源的数量可不受限制。例如，可分别设置红色激光器、绿色激光器和蓝色激光器以利用其颜色组合实现彩色显示。

空间光调制器1200接收从光源1100发出的光，并且将图像加载到从光源1100接收的光上以出射图像光1400。例如，设置在空间光调制器1200内部或外部的数据处理设备可对图像信息进行处理，并且将图像信息加载到从光源1100接收的光上。图像光1400也可以是球面光。当光源1100是点光源时，空间调制器1200可以产生放大的图像。空间调制器1200可以是声光调制器、数字微镜器件或液晶空间光调制器(例如，硅基液晶空间光调制器)。相应地，空间调制器1200可通过声光调制、微镜控制调节(数字微镜成像)或空间光调制将图像的信号加载到从光源1100接收的光上。

全息膜1300接收图像光1400并将所接收到的图像光1400衍射为目标图像1500。投影设备1000的视场角取决于全息膜1300能够进行衍射的区域的面积。由于全息膜1300能够进行衍射的区域的面积相对可观，因此能够实现大视场角的投影设备1000。全息膜1300可以是透射式全息膜或反射式全息膜。当空间光调制器与观察点在全息膜1300的同一侧时，全息膜1300为反射式全息膜(即，反射式全息元件)；而当空间光调制器与观察点分别在全息膜1300两侧时，全息膜1300为透射式全息膜(即，透射式全息元件)。当投影设备用作车载HUD时，全息膜1300可贴附于风挡玻璃表面。虽然图1中仅示出了一层全息膜，然而全息膜的层数可不受限制。例如，可分别设置针对红色激光、绿色激光和蓝色激光的全息膜以利用其颜色组合实现彩色显示。

根据本申请实施方式，空间光调制器1200可将图像的深度信息加载到从光源接收的光上。例如，设置在空间光调制器1200内部或外部的数据处理设备可计算目标图像中每个像素的成像距离。在本申请中，该成像距离也称作图像的深度信息。空间光调制器1200可将图像的深度信息通过调制加载到从光源接收的光上，从而能够实现三维成像。

在此基础上，投影设备1000可包括切换控制器。该切换控制器可控制空间光调制器1200是否加载深度信息。当空间光调制器1200不加载深度信息时，例如，当空间光调制器1200为每个像素点加载相同的深度时，投影设备1000所成的像即为二维图像。而当空间光调制器1200加载深度信息时，投影设备1000所成的像即为三维图像。因此，可通过切换控制器的控制来实现二维图像和三维图像的切换控制。

在这种情况下，当需要显示诸如车速、档位、发动机转速等简单的指示信息时，空间光调制器1200可不加载深度信息，从而以二维图像形式进行投影显示；而当需要显示车辆周边环境(例如，车辆周边的全景图像)时，空间光调制器1200可加载深度信息，从而以三维图像形式进行投影显示。三维成像功能以及二维成像和三维成像的便捷切换功能能够为用户提供更好的成像体验。

图2是根据本申请实施方式的制备全息膜的方法的示意图。参照图2，可预先准备光敏薄膜2100。然后，利用物光2300和参考光2400同时照射光敏薄膜2100。物光2300和参考光2400可由同一光源(例如，激光光源)产生，因此可具有相同的波长和偏振角。物光2300和参考光2400在干涉区域2200发生干涉。光膜薄膜2100在经过物光2300和参考光2400共同照射曝光后形成全息膜。

干涉区域2200即全息膜的有效区域。这一有效区域可用于以后的图像光衍射。可以通过控制这一有效区域的面积大小来控制由其形成的投影设备的视场角的大小。有效区域的面积越大，对应的视场角就越大。根据本申请实施方式实现的投影设备可具有40度以上的视场角。

此外，可基于期望成像的图像的视点位置来选择物光2300和参考光2400的入射角度。在这种情况下，成型后的全息膜所衍射出的图像的视点位置可基于图像光入射至全息膜的角度确定。在利用该全息膜制备的投影设备应用于车载HUD的场景时，可基于主驾驶的座椅位置来设计制备全息膜时的物光2300和参考光2400的入射角度，使得图像的视点落在主驾驶座椅上的用户的眼睛上，从而保证驾驶员能够看到清晰的投影图像。

图3是根据本申请实施方式的投影设备的示意图。

投影设备3000包括光源3100、空间光调制器3200、全息膜3300和反射镜3400。光源1100发出用于成像的光。光源3100可以是点光源。在这种情况下，光源3100可发出具有球面波前的光波。光源3100可以是激光光源。例如，光源3100可以是光纤激光器。虽然图3中仅示出了一个光源，然而光源的数量可不受限制。例如，可分别设置红色激光器、绿色激光器和蓝色激光器以利用其颜色组合实现彩色显示。

空间光调制器3200接收从光源3100发出的光，并且将图像加载到从光源3100接收的光上以出射图像光。空间光调制器3200至少出射具有不同角度的第一图像光3510和第二图像光3520。根据需要，空间光调制器3200还可出射第三图像光或更多图像光。空间光调制器3200可以为第一图像光3510和第二图像光3520加载不同的图像信息。在这种情况下，可针对不同观看位置的用户提供不同的图像内容。

空间调制器3200可以是声光调制器、数字微镜器件或液晶空间光调制器(例如，硅基液晶空间光调制器)。相应地，空间调制器3200可通过声光调制、微镜控制调节(数字微镜成像)或空间光调制将图像的信号加载到从光源3100接收的光上。

反射镜3400设置在空间光调制器3200与全息膜3300之间并且将第二图像光3520反射到全息膜3300上。第一图像光3510和经反射的第二图像光3520入射至全息膜3300的角度并不相同。

全息膜3300是复用体全息膜。该复用体全息膜可包括振幅式复用体全息膜或相位型复用体全息膜。全息膜3300所衍射出的图像的视点位置可基于图像光入射至全息膜3300的角度而确定。例如，具有第一入射角的第一图像光3510经过全息膜3300衍射后具有第一视点3610；而具有第二入射角的经反射镜3400反射后的第二图像光3520经过全息膜3300衍射后具有第二视点3620。在第一视点3610处可以观察到第一目标图像3710；而在第二视点3620处可以观察到第二目标图像3720。如图3所示，全息膜3300具有至少两个预定光入射角。根据需要，全息膜3300还可具有与其它图像光对应的其它光入射角。

根据本实施方式，在至少两个视点处均可以观察到目标图像。当投影设备3000应用于车载HUD时，可以为至少两个位置(例如，主驾驶和副驾驶)处的用户提供图像投影。根据全息膜3300的复用制备工艺，可以为这至少两个位置处的用户提供不同的图像投影。例如，第一目标图像3710可不同于第二目标图像3720。

根据本申请实施方式，空间光调制器3200可将图像的深度信息加载到从光源接收的光上。例如，设置在空间光调制器3200内部或外部的数据处理设备可计算目标图像中每个像素的成像距离。在本申请中，该成像距离也称作图像的深度信息。空间光调制器3200可将图像的深度信息通过调制加载到从光源接收的光上，从而能够实现三维成像。

在此基础上，投影设备3000可包括切换控制器。该切换控制器可控制空间光调制器3200是否加载深度信息。当空间光调制器3200不加载深度信息时，投影设备3000所成的像即为二维图像。而当空间光调制器3200加载深度信息时，投影设备3000所成的像即为三维图像。因此，可通过切换控制器的控制来实现二维图像和三维图像的切换控制。基于此，第一目标图像3710和第二目标图像3720均可实现二维图像和三维图像的切换。

全息膜3300可以是透射式全息膜或反射式全息膜。当投影设备用作车载HUD时，全息膜3300可贴附于风挡玻璃表面。虽然图3中仅示出了一层全息膜，然而全息膜的层数可不受限制。例如，可分别设置针对红色激光、绿色激光和蓝色激光的全息膜以利用其颜色组合实现彩色显示

图4是根据本申请实施方式的制备复用体全息膜的方法的示意图。

参照图4，可预先准备光敏薄膜4100。然后，利用物光和参考光同时照射光敏薄膜4100。具体地，由同一光源(例如，激光光源)产生的第一物光4310和第一参考光4410在干涉区域4200处发生干涉。第一物光4310和第一参考光4410可具有相同的偏振角和波长。此外，由同一光源(例如，激光光源)产生的第二物光4320和第二参考光4420在干涉区域4200处发生干涉。第二物光4320和第二参考光4420可具有相同的偏振角和波长。光膜薄膜4100在经过物光和参考光共同照射曝光后形成全息膜。

由第一物光4310和第一参考光4410曝光形成的衍射模式可具有第一视点4510；而由第二物光4320和第二参考光4420曝光形成的衍射模式可具有第二视点4520。

在利用该全息膜制备的投影设备应用于车载HUD的场景时，可基于主驾驶的座椅位置来设计制备全息膜时的第一物光4310和第一参考光4410的入射角度，使得第一视点4510落在主驾驶座椅上的用户的眼睛上，从而保证驾驶员能够看到清晰的第一投影图像。此外，可基于副驾驶的座椅位置来设计制备全息膜时的第二物光4320和第二参考光4420的入射角度，使得第二视点4520落在副驾驶座椅上的用户的眼睛上，从而保证副驾驶员能够看到清晰的第二投影图像。第一投影图像和第二投影图像可以是不同的投影图像。

图5是根据本申请实施方式的投影方法的流程图。参照图5，投影方法5000包括：在操作S5100中，利用光源发射光；在操作S5200中，利用空间光调制器从所述光源接收光，并且将图像加载到从所述光源接收的光上以出射图像光；以及在操作S5300中，利用全息膜接收所述图像光并将所接收到的图像光衍射为目标图像。投影方法5000中所使用的光源、空间光调制器和全息膜可以是图1所示的光源1100、空间光调制器1200和全息膜1300，也可以是图3所示的光源3100、空间光调制器3200和全息膜3300。

根据本申请实施方式，将图像加载到从所述光源接收的光上可包括：将图像的深度信息加载到从所述光源接收的光上。

根据本申请实施方式，所述投影方法还可包括控制所述空间光调制器是否加载所述深度信息。

根据本申请实施方式，利用光源发射光可包括：利用点光源发射球面光。

根据本申请实施方式，所述光源发射的光可以是激光。

根据本申请实施方式，将所接收到的图像光衍射为目标图像可包括：基于所述图像光入射至所述全息膜的角度确定所述全息膜所衍射出的图像的视点位置。

根据本申请实施方式，所述全息膜可具有至少两个预定光入射角，所述空间光调制器可至少出射具有不同角度的第一图像光和第二图像光，所述投影方法还可包括：利用设置在所述空间光调制器与所述全息膜之间的反射镜将所述第二图像光反射到所述全息膜上，使得所述第一图像光和经反射的第二图像光入射至所述全息膜的角度不同。

根据本申请实施方式，将图像加载到从所述光源接收的光上可包括：通过声光调制、数字微镜成像或空间光调制将所述图像加载到从所述光源接收的光上。

根据本申请提供的投影设备和投影方法，可以实现大视场角、多视点、二维/三维图像自由切换等至少一种有益效果。

以上描述仅为本申请的较佳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，本申请中所涉及的发明范围，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发明构思的情况下，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 (18)

1.一种投影设备，其特征在于，所述投影设备包括：

光源；

空间光调制器，所述空间光调制器接收从所述光源发出的光，并且将图像加载到从所述光源接收的光上以出射图像光；

全息膜，所述全息膜接收所述图像光并将所接收到的图像光衍射为目标图像；

其中，所述全息膜所衍射出的图像的视点位置基于所述图像光入射至所述全息膜的角度确定；所述空间光调制器至少出射具有不同角度的第一图像光和第二图像光，所述第一图像光和所述第二图像光入射至所述全息膜的角度不同；具有第一入射角的第一图像光经过所述全息膜衍射后具有第一视点，具有第二入射角的第二图像光经过所述全息膜衍射后具有第二视点；所述第一视点落在主驾驶座椅上的用户的眼睛上，所述第二视点落在副驾驶座椅上的用户的眼睛上。

2.根据权利要求1所述的投影设备，其特征在于，所述空间光调制器将图像的深度信息加载到从所述光源接收的光上。

3.根据权利要求2所述的投影设备，其特征在于，所述投影设备包括切换控制器，所述切换控制器控制所述空间光调制器是否加载所述深度信息。

4.根据权利要求1所述的投影设备，其特征在于，所述光源是点光源。

5.根据权利要求1所述的投影设备，其特征在于，所述光源是光纤激光器。

6.根据权利要求1所述的投影设备，其特征在于，所述全息膜是复用体全息膜，所述复用体全息膜具有至少两个预定光入射角，所述投影设备还包括设置在所述空间光调制器与所述全息膜之间的反射镜，所述反射镜将所述第二图像光反射到所述全息膜上，使得所述第一图像光和经反射的第二图像光入射至所述全息膜的角度不同。

7.根据权利要求1所述的投影设备，其特征在于，所述第一图像光和所述第二图像光加载有不同的图像。

8.根据权利要求1所述的投影设备，其特征在于，所述空间光调制器包括声光调制器、数字微镜器件或液晶空间光调制器。

9.根据权利要求1所述的投影设备，其特征在于，所述全息膜包括反射式全息膜或透射式全息膜。

10.根据权利要求6所述的投影设备，其特征在于，所述复用体全息膜包括振幅式复用体全息膜或相位型复用体全息膜。

11.一种投影方法，其特征在于，所述投影方法包括：

利用光源发射光；

利用空间光调制器从所述光源接收光，并且将图像加载到从所述光源接收的光上以出射图像光；以及

利用全息膜接收所述图像光并将所接收到的图像光衍射为目标图像；

其中，将所接收到的图像光衍射为目标图像包括：基于所述图像光入射至所述全息膜的角度确定所述全息膜所衍射出的图像的视点位置；

其中，所述空间光调制器至少出射具有不同角度的第一图像光和第二图像光，所述第一图像光和所述第二图像光入射至所述全息膜的角度不同；具有第一入射角的第一图像光经过所述全息膜衍射后具有第一视点，具有第二入射角的第二图像光经过所述全息膜衍射后具有第二视点；所述第一视点落在主驾驶座椅上的用户的眼睛上，所述第二视点落在副驾驶座椅上的用户的眼睛上。

12.根据权利要求11所述的投影方法，其特征在于，将图像加载到从所述光源接收的光上包括：

将图像的深度信息加载到从所述光源接收的光上。

13.根据权利要求12所述的投影方法，其特征在于，所述投影方法还包括控制所述空间光调制器是否加载所述深度信息。

14.根据权利要求11所述的投影方法，其特征在于，利用光源发射光包括：利用点光源发射球面光。

15.根据权利要求11所述的投影方法，其特征在于，所述光源发射的光是激光。

16.根据权利要求11所述的投影方法，其特征在于，所述全息膜具有至少两个预定光入射角，所述投影方法还包括：

利用设置在所述空间光调制器与所述全息膜之间的反射镜将所述第二图像光反射到所述全息膜上，使得所述第一图像光和经反射的第二图像光入射至所述全息膜的角度不同。

17.根据权利要求11所述的投影方法，其特征在于，所述第一图像光和所述第二图像光加载有不同的图像。

18.根据权利要求11所述的投影方法，其特征在于，将图像加载到从所述光源接收的光上包括：

通过声光调制、数字微镜成像或空间光调制将所述图像加载到从所述光源接收的光上。

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