CN113296267A - 多深度平视显示方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种多深度平视显示方法和系统，其中，该多深度平视显示系统包括：图像投影模块和光栅组合器，其中，所述光栅组合器包括多组具有不同光焦度的光栅；所述图像投影模块用于生成目标图像；所述光栅组合器用于将所述目标图像成像在不同深度的成像平面上，成像平面的深度与光栅的光焦度一一对应。本申请实施例的多深度平视显示方法和系统，通过图像投影模块生成目标图像，光栅组合器将图像投影模块生成的目标图像成像在不同深度的成像平面上，可有效简化系统结构，减小系统体积，并且可实时显示目标图像，无动态调节范围的限制，显示效果更佳。

Description

多深度平视显示方法和系统

技术领域

本申请涉及显示技术领域，尤其涉及一种多深度平视显示方法和系统。

背景技术

AR HUD(Augmented Reality Head Up Display，增强现实平视显示系统)是一种多深度显示型HUD。区别于传统HUD，这种新型HUD具有多个显示平面，可以在近端平面显示速度、时间、油耗等车辆信息，成像距离约为2m；同时在远端平面显示道路融合信息，成像距离约为5m到10m，从而给驾驶员一种增强现实体验。AR HUD已成为国内外车辆辅助驾驶领域新的研究热点。

现阶段实现的AR HUD，可通过几何光学、动态调节组件、计算全息等方式实现。1、几何光学方式通常采用多个显示器结合多个组合器，每一组显示器和组合器均对应一个成像平面，或者由一个自由曲面光学元件代替多个组合器，但仍存在系统体积笨重的问题；2、动态调节组件方式需要使用变焦透镜或堆叠式聚合物可变液晶等光学元件，基本原理是通过动态变焦的方法实现多平面显示，但这种方法的局限性在于动态调节范围有限，难以应用于平视显示系统中，多用于头戴式显示系统；3、计算全息方式则需要使用SLM(SpatialLight Modulator，液晶空间光调制器)，由于像素尺寸受限而导致分辨率低下，而且计算速度较慢，无法实时动态显示。

发明内容

本申请的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。

为此，本申请的第一个目的在于提出一种多深度平视显示系统，有效简化系统结构，减小系统体积，并且可实时显示目标图像，无动态调节范围的限制，显示效果更佳。

本申请的第二个目的在于提出一种多深度平视显示方法。

为了实现上述目的，本申请第一方面实施例提出一种多深度平视显示系统，包括：

图像投影模块和光栅组合器，

其中，所述光栅组合器包括多组具有不同光焦度的光栅；

所述图像投影模块用于生成目标图像；

所述光栅组合器用于将所述目标图像成像在不同深度的成像平面上，成像平面的深度与光栅的光焦度一一对应。

可选的，所述图像投影模块为投影组件或显示器。

可选的，所述投影组件包括投影仪和散射屏，

所述投影仪用于发射目标图像；

所述散射屏用于承接所述目标图像，并作为物面显示所述目标图像。

可选的，所述散射屏为磨砂玻璃、磨砂纸片、全息散射屏中的任意一种。

可选的，所述显示器为CRT显示器、LCD显示器、LED显示器、OLED显示器、等离子显示器、场致显示器、发光聚合体显示器中的任意一种。

可选的，所述光栅组合器为全息光栅、微纳光栅、衍射光栅中的任意一种。

可选的，所述光栅的记录材料为银盐干板、光致聚合物、重铬酸明胶、光折变材料、光致变色材料、光致各向异性材料、刻蚀剂、液晶、超表面中的任意一种。

可选的，多组具有不同光焦度的光栅为单层复用方式或多层堆叠方式。

可选的，当所述目标图像为多色图像时，所述光栅组合器用于将所述多色图像分离成多个单色图像，其中，所述单色图像的波长与成像平面的深度一一对应。

可选的，所述投影组件还包括可旋转偏振片，所述投影仪为偏振投影仪，所述光栅为偏振光栅，

所述偏振投影仪用于发射偏振目标图像；

所述可旋转偏振片用于通过旋转预设角度以产生具有不同偏振态的偏振目标图像；

多组偏振光栅用于接收具有不同偏振态的偏振目标图像，并在不同深度的成像平面上显示所述具有不同偏振态的偏振目标图像，其中，不同偏振光栅选择具有对应偏振态的偏振目标图像，且不同偏振光栅对应的成像平面的深度不同。

可选的，所述偏振目标图像连续刷新，且刷新频率大于人眼分辨频率。

本申请实施例的多深度平视显示系统，通过图像投影模块生成目标图像，光栅组合器将图像投影模块生成的目标图像成像在不同深度的成像平面上，可有效简化系统结构，减小系统体积，并且可实时显示目标图像，无动态调节范围的限制，显示效果更佳。

为了实现上述目的，本申请第二方面实施例提出一种多深度平视显示方法，包括：

光栅组合器中多组具有不同光焦度的光栅接收图像投影模块生成的目标图像；

所述光栅将所述目标图像成像在不同深度的成像平面上，其中，成像平面的深度与光栅的光焦度一一对应。

可选的，方法包括：

当所述目标图像为多色图像时，所述光栅将所述多色图像分离成多个单色图像，其中，所述单色图像的波长与成像平面的深度一一对应。

可选的，方法包括：

当所述目标图像为偏振目标图像时，所述光栅将具有不同偏振态的偏振目标图像显示在不同深度的成像平面上，其中，不同光栅选择具有对应偏振态的偏振目标图像，且不同光栅对应的成像平面的深度不同。

本申请实施例的多深度平视显示方法，可有效简化系统结构，减小系统体积，并且可实时显示目标图像，无动态调节范围的限制，显示效果更佳。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请一个实施例的多深度平视显示系统的结构示意图；

图2是本申请一个实施例的光栅组合器等效为多焦距透镜的示意图；

图3是本申请另一个实施例的多深度平视显示系统的结构示意图；

图4是本申请又一个实施例的多深度平视显示系统的结构示意图；

图5是本申请一个具体实施例的多深度平视显示系统的结构示意图；

图6是本申请另一个具体实施例的多深度平视显示系统的结构示意图；

图7是本申请一个实施例的第四光栅211的结构示意图；

图8是本申请一个实施例的第五光栅212的结构示意图；

图9是本申请一个实施例的第六光栅213的结构示意图；

图10是本申请一个实施例的多深度平视显示方法的流程图。

具体实施方式

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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。

下面参考附图描述本申请实施例的多深度平视显示方法和系统。

图1是本申请一个实施例的多深度平视显示系统的结构示意图。

如图1所示，多深度平视显示系统包括图像投影模块1和光栅组合器2。

其中，光栅组合器2包括多组具有不同光焦度的光栅。光栅组合器2可以为全息光栅、微纳光栅、衍射光栅中的任意一种。所述光栅记录材料可以是银盐干板、光致聚合物、重铬酸明胶、光折变材料、光致变色材料、光致各向异性材料、刻蚀剂、液晶、超表面中的任意一种。应当理解的是，多组具有不同光焦度的光栅可以采用单层复用方式，也可以采用多层堆叠方式。单层复用方式可以保证系统体积不增加，但会导致衍射效率下降；分层堆叠可保证衍射效率不受损失，但会增加系统重量。

光栅组合器2兼具图像放大和光束偏转的功能。图像放大功能可以将目标图像进行放大，并将虚拟放大的目标图像成像于人眼。光束偏转功能可以满足衍射规律而非传统的反射定律，因此通过光束偏转的功能可有效地区分衍射像和反射像。玻璃基底反射的干扰像满足反射定律，而光栅组合器2实际衍射图像的衍射角度可自由设计，因而可避免反射像对目标衍射像的干扰，有效解决了图像重影问题。

图1中以3组光栅为例，分别为第一光栅201、第二光栅202和第三光栅203。

所述图像投影模块1生成目标图像，然后所述光栅组合器2将该目标图像成像在不同深度的成像平面上，成像平面的深度与光栅的光焦度一一对应。

具体原理如下：首先由图像投影模块1生成目标图像，该目标图像通过光束发射到光栅组合器2上。随后光栅组合器2对该目标图像进行放大成像，同时光栅组合器2作为光束偏转器将放大后的目标图像以特定角度进行衍射，最后人眼观看到虚拟放大的目标图像。由于光栅组合器2由第一光栅201、第二光栅202和第三光栅203组成，且每组光栅具有不同的光焦度。如图2所示，第一光栅201可以等效为焦距为f1的透镜，其对应的成像平面为401；第二光栅202可以等效为焦距为f2的透镜，其对应的成像平面为402；第三光栅203可以等效为焦距为f3的透镜，其对应的成像平面为403。也就是说，光束301通过第一光栅201，在成像平面401上成像；光束302通过第一光栅202，在成像平面402上成像；光束303通过第一光栅203，在成像平面403上成像，从而实现在三个不同深度的平面上显示。应当理解的是，实际应用中，不仅限于三个深度，多深度平视显示系统的深度数量可以大于等于二。并且在进行多深度显示时，可以是离散型的多个深度平面显示，也可以是连续型的三维立体显示。

在本申请的一个实施例中，图像投影模块1可以是投影组件，也可以是单独的显示器。

当图像投影模块1为投影组件时，如图3所示，投影组件可包括投影仪101和散射屏102。

具体地，投影仪101用于发射目标图像，散射屏102用于承接所述目标图像，并作为物面显示所述目标图像。其中，散射屏102可以是磨砂玻璃、磨砂纸片、全息散射屏中的任意一种。

当图像投影模块1为显示器时，无需投影仪和散射屏。显示器100可以单独发射目标图像。该显示器100可以是CRT显示器、LCD显示器、LED显示器、OLED显示器、等离子显示器、场致显示器、发光聚合体显示器中的任意一种。

在本申请的一个实施例中，当所述目标图像为多色图像时，所述光栅组合器2可以将所述多色图像分离成多个单色图像。其中，所述单色图像的波长与成像平面的深度一一对应。

在本申请的另一个实施例中，如图4所示，所述投影组件1还包括可旋转偏振片104，所述投影仪101为偏振投影仪，所述光栅201、202、203为偏振光栅。

所述偏振投影仪101用于发射偏振目标图像，所述可旋转偏振片104用于通过旋转预设角度以产生具有不同偏振态的偏振目标图像。多组偏振光栅用于接收具有不同偏振态的偏振目标图像，并在不同深度的成像平面上显示所述具有不同偏振态的偏振目标图像(图4中为三组偏振光栅)。其中，不同偏振光栅选择具有对应偏振态的偏振目标图像，且不同偏振光栅对应的成像平面的深度不同。所述偏振目标图像连续刷新，且刷新频率大于人眼分辨频率。

下面以两个具体的实施例对多深度平视显示系统进行详细描述。

实施例1：多深度的单色显示

对于多深度的单色显示而言，系统中的图像投影模块1无需具有偏振选择性，但其投影的目标图像为多色图像。

基本原理：如图3所示，投影仪101发出的多色图像首先投影到散射屏102上，散射屏102承接到多色图像后作为物面进行后续成像。之后，光栅组合器2对散射屏102上的多色图像进行选择性衍射。光栅组合器2包括具有不同波长选择性和不同光焦度的多组光栅，因此多组光栅可以对散射屏102上的多色图像进行波长分离并分别成像。每一个光栅仅选择性地衍射多色图像中的对应其波长选择性的图像，最终的显示效果是投影仪101发出的多色图像被分为多个单色图像并成像在不同深度。

以三个深度为例：光栅组合器2具有三个不同波长选择性的第一光栅201、第二光栅202和第三光栅203，且三个光栅具有不同的光焦度。第一光栅201、第二光栅202和第三光栅203对应的光束分别为301、302和303。投影仪101和散射屏102作为图像投影模块1，生成包含三种不同颜色且不同信息的多色图像。第一光栅201、第二光栅202和第三光栅203可以选择性地将投影仪101发出的多色图像分离成三个不同波长的单色图像，然后成像在不同深度的成像平面。第一光栅201对应成像平面401；第二光栅202对应成像平面402；第三光栅203对应深度平面403。

实施例2：多深度的彩色显示

对于多深度的彩色显示而言，系统中的图像投影模块1需要具有偏振特性，且其投影的目标图像为连续刷新的彩色偏振图像，而且刷新频率应大于人眼识别频率。

如图5所示，图像投影模块1包括具有偏振特性的投影仪103、可连续旋转改变图像偏振态的可旋转偏振片104以及散射屏102。散射屏102与多平面的单色显示时的散射屏一样，可以是磨砂玻璃、磨砂纸片、全息散射屏等中的任意一种。具有偏振特性的投影仪103应具有彩色显示、偏振成像、连续刷新的特性。可旋转偏振片104用于改变偏振图像的偏振态，每旋转一定的角度，其产生的偏振态图像对应光栅组合器2中的不同光栅。

图像投影模块1中的具有偏振特性的投影仪103和散射屏102可以由如图6所示的偏振显示器110代替。偏振显示器110应具有彩色显示、偏振成像、连续刷新的特性。

光栅组合器2包括具有三个不同偏振选择性的第四光栅211、第五光栅212和第六光栅213。第四光栅211对偏振图像的偏振态311具有选择性；第五光栅212对偏振图像的偏振态312具有选择性；第六光栅213对偏振图像的偏振态313具有选择性。

为显示彩色图像，第四光栅211、第五光栅212和第六光栅213均包含红绿蓝三个偏振子光栅。如图7所示，第四光栅211由具有红色波段选择性的偏振子光栅211a、具有绿色波段选择性的偏振子光栅211b、具有蓝色波段选择性的偏振子光栅211c构成，且211a、211b和211c具有相同的偏振选择性，即仅衍射偏振态311的光束。如图8所示，第五光栅212由具有红色波段选择性的偏振子光栅212a、具有绿色波段选择性的偏振子光栅212b、具有蓝色波段选择性的偏振子光栅212c构成，且212a、212b和212c具有相同的偏振选择性，即仅衍射偏振态312的光束。如图9所示，第六光栅213由具有红色波段选择性的偏振子光栅213a、具有绿色波段选择性的偏振子光栅213b、具有蓝色波段选择性的偏振子光栅213c构成，且213a、213b和213c具有相同的偏振选择性，即仅衍射偏振态313的光束。

第四光栅211、第五光栅212和第六光栅213除了具有偏振选择性之外，还具有不同的光焦度，因此可将不同偏振态的图像，分别成像在不同的深度平面411、412和413上。

光栅组合器2中的第四光栅211、第五光栅212和第六光栅213可采用单层复用的方式，也可采用多层堆叠的方式。并且上述光栅中的红色、绿色、蓝色的偏振子光栅同样可采用单层复用的方式，也可采用多层堆叠的方式。

应当理解的是，成像平面的深度个数包括但不限于三个。具有偏振特性的投影仪103和可旋转偏振片104组合后可连续刷新产生不同偏振态的彩色图像，因此只要光栅组合器2中具有足够多的偏振特性光栅即可在更多个深度的成像平面显示彩色图像。

本申请实施例的多深度平视显示系统，通过图像投影模块生成目标图像，光栅组合器将图像投影模块生成的目标图像成像在不同深度的成像平面上，可有效简化系统结构，减小系统体积，并且可实时显示目标图像，无动态调节范围的限制，显示效果更佳。

为实现上述目的，本申请提出一种多深度平视显示方法。

图10是本申请一个实施例的多深度平视显示方法的流程图。

如图10所示，多深度平视显示方法包括以下步骤：

S1，光栅组合器中多组具有不同光焦度的光栅接收图像投影模块生成的目标图像；

S2，所述光栅将所述目标图像成像在不同深度的成像平面上，其中，成像平面的深度与光栅的光焦度一一对应。

在本申请的一个实施例中，当所述目标图像为多色图像时，所述光栅将所述多色图像分离成多个单色图像，其中，所述单色图像的波长与成像平面的深度一一对应。

在本申请的另一个实施例中，当所述目标图像为偏振目标图像时，所述光栅将具有不同偏振态的偏振目标图像显示在不同深度的成像平面上，其中，不同光栅选择具有对应偏振态的偏振目标图像，且不同光栅对应的成像平面的深度不同。

应当理解的是，本申请的多深度平视显示方法的实现原理与上一方面实施例的多深度平视显示系统的原理一致，在此不再赘述。

本申请实施例的多深度平视显示方法，可有效简化系统结构，减小系统体积，并且可实时显示目标图像，无动态调节范围的限制，显示效果更佳。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

需要说明的是，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

Claims (14)

1.一种多深度平视显示系统，其特征在于，包括：图像投影模块和光栅组合器，

其中，所述光栅组合器包括多组具有不同光焦度的光栅；

所述图像投影模块用于生成目标图像；

所述光栅组合器用于将所述目标图像成像在不同深度的成像平面上，成像平面的深度与光栅的光焦度一一对应。

2.如权利要求1所述的多深度平视显示系统，其特征在于，所述图像投影模块为投影组件或显示器。

3.如权利要求2所述的多深度平视显示系统，其特征在于，所述投影组件包括投影仪和散射屏，

所述投影仪用于发射目标图像；

所述散射屏用于承接所述目标图像，并作为物面显示所述目标图像。

4.如权利要求3所述的多深度平视显示系统，其特征在于，所述散射屏为磨砂玻璃、磨砂纸片、全息散射屏中的任意一种。

5.如权利要求2所述的多深度平视显示系统，其特征在于，所述显示器为CRT显示器、LCD显示器、LED显示器、OLED显示器、等离子显示器、场致显示器、发光聚合体显示器中的任意一种。

6.如权利要求1所述的多深度平视显示系统，其特征在于，所述光栅组合器为全息光栅、微纳光栅、衍射光栅中的任意一种。

7.如权利要求1所述的多深度平视显示系统，其特征在于，所述光栅的记录材料为银盐干板、光致聚合物、重铬酸明胶、光折变材料、光致变色材料、光致各向异性材料、刻蚀剂、液晶、超表面中的任意一种。

8.如权利要求1所述的多深度平视显示系统，其特征在于，包括：

多组具有不同光焦度的光栅为单层复用方式或多层堆叠方式。

9.如权利要求1所述的多深度平视显示系统，其特征在于，包括：

当所述目标图像为多色图像时，所述光栅组合器用于将所述多色图像分离成多个单色图像，其中，所述单色图像的波长与成像平面的深度一一对应。

10.如权利要求3所述的多深度平视显示系统，其特征在于，包括：

所述投影组件还包括可旋转偏振片，所述投影仪为偏振投影仪，所述光栅为偏振光栅，

所述偏振投影仪用于发射偏振目标图像；

所述可旋转偏振片用于通过旋转预设角度以产生具有不同偏振态的偏振目标图像；

多组偏振光栅用于接收具有不同偏振态的偏振目标图像，并在不同深度的成像平面上显示所述具有不同偏振态的偏振目标图像，其中，不同偏振光栅选择具有对应偏振态的偏振目标图像，且不同偏振光栅对应的成像平面的深度不同。

11.如权利要求10所述的多深度平视显示系统，其特征在于，所述偏振目标图像连续刷新，且刷新频率大于人眼分辨频率。

12.一种多深度平视显示方法，其特征在于，包括以下步骤：

光栅组合器中多组具有不同光焦度的光栅接收图像投影模块生成的目标图像；

所述光栅将所述目标图像成像在不同深度的成像平面上，其中，成像平面的深度与光栅的光焦度一一对应。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，包括：

当所述目标图像为多色图像时，所述光栅将所述多色图像分离成多个单色图像，其中，所述单色图像的波长与成像平面的深度一一对应。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，包括：

当所述目标图像为偏振目标图像时，所述光栅将具有不同偏振态的偏振目标图像显示在不同深度的成像平面上，其中，不同光栅选择具有对应偏振态的偏振目标图像，且不同光栅对应的成像平面的深度不同。

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