CN113424094A - 利用挡风玻璃反射方式使虚拟影像位于地面的三维增强现实平视显示器 - Google Patents

利用挡风玻璃反射方式使虚拟影像位于地面的三维增强现实平视显示器 Download PDF

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Abstract

公开了一种三维增强现实平视显示器，利用挡风玻璃反射方式使虚拟影像位于地面。三维增强现实平视显示器包括：发挥光源的作用的显示器装置；以及自由曲面反射镜(freeform surface mirror)，使所述光源的光向车辆的挡风玻璃(windshield)反射，并具有如下结构：通过由所述自由曲面反射镜将所述光源的光向所述挡风玻璃反射的反射方式，将由所述光源的光形成的影像以三维视点(perspective)的虚像聚焦在所述车辆的前方的地面。

Description

利用挡风玻璃反射方式使虚拟影像位于地面的三维增强现实 平视显示器
技术领域
以下说明涉及三维平视显示器(Head-Up Display)。
背景技术
图1是用于说明一般的平视显示器装置的用于信息确认的焦点调节的图。
参照图1，一般的车辆用平视显示器(Head-Up Display，HUD)装置是如下所述的车辆显示器装置，即，从显示器10输出车辆的当前速度、燃料剩余量、导航(Navigation)路径引导信息等的影像并通过光学系统11、12将该影像作为图形图像14投影到驾驶员正前方的挡风玻璃(WindShield)13，以使驾驶员向其他地方没必要地转移视线的情况最小化。这里，为了变更从显示器10输出的影像的光路径，光学系统11、12可以由多个反射镜构成。这种车辆用平视显示器装置的优点在于，引导驾驶员即时反应的同时提供便利性。
在一般的车辆用平视显示器(HUD)装置中，影像的位置固定于用户的前方约2～3m处。而在驾驶时，驾驶员的注视距离为近距离即约300m处。由此，驾驶员会一边注视远距离处一边进行驾驶，而在驾驶过程中为了确认平视显示器(HUD)装置的信息，需要大幅调整眼睛的焦点，因此存在不便之处。即，在主视野所在的远距离处和形成影像的3m处之间反复进行驾驶员的焦点调节。
因此，需要开发一种三维平视显示器(3D Head-Up Display)装置，以在驾驶环境下实现增强现实来消除影像呈现距离的限制，使得在驾驶过程中不在所注视的视点下改变眼睛的焦点就能获取到驾驶员所期望的信息。
例如，韩国授权专利10-1409846号涉及一种基于三维增强现实的平视显示器装置，记载有有关平视显示器装置的如下技术，即，基于实际距离信息以立体方式表示以三维图像增强的图像信息，由此能够向驾驶员提供现实信息。
发明内容
提供一种利用挡风玻璃反射方式使虚像与地面一致，而能够生成以驾驶员的视点为基准的增强现实的三维虚像的三维增强现实平视显示器。
提供一种通过包括挡风玻璃的结构使生成与地面一致的虚拟的3D影像的光学系统的光效率最大化的结构。
提供一种三维增强现实平视显示器，其特征在于，包括：显示器装置，发挥光源的作用；以及自由曲面反射镜(freeform surface mirror)，使所述光源的光向车辆的挡风玻璃(windshield)反射，所述三维增强现实平视显示器包括如下结构：通过由所述自由曲面反射镜使所述光源的光向所述挡风玻璃反射的反射方式，使由所述光源的光形成的影像以三维视点(perspective)的虚像聚焦在所述车辆的前方的地面。
根据一方面，所述挡风玻璃可以包括使被所述自由曲面反射镜反射的所述光源的光朝向适眼区(Eye-box)反射的同时使外部的光透过的作用。
根据另一方面，作为所述显示器装置位于在为了将所述虚像聚焦到所述地面上而向所述地面延伸的光线中的近距离光线侧的结构，可以包括所述光源的光在比所述自由曲面反射镜更靠下部的位置向所述自由曲面反射镜传递的结构。
根据另一方面，所述三维增强现实平视显示器还可以包括用于缩小光路径的整体大小的折叠反射镜(fold mirror)，所述三维增强现实平视显示器可以包括所述光源的光按照所述显示器装置、所述折叠反射镜、所述自由曲面反射镜、所述挡风玻璃的顺序，或者所述光源的光按照所述显示器装置、所述自由曲面反射镜、所述折叠反射镜、所述挡风玻璃的顺序传递的结构。
根据又一方面，与所述显示器装置对应的显示器平面可以通过所述自由曲面反射镜而与虚像平面满足成像条件(imaging condition)，所述虚像平面是与所述地面对应的平面。
根据又一方面，可以基于与所述显示器装置对应的显示器平面、与所述自由曲面反射镜对应的反射镜平面和与所述地面对应的虚像平面之间的成像条件，来生成所述虚像。
根据又一方面，可以基于满足所述成像条件的所述显示器平面的角度，来确定所述显示器装置的角度。
根据又一方面，可以基于满足所述成像条件的所述显示器平面的角度、所述挡风玻璃的角度以及折叠反射镜的角度，来确定所述显示器装置的角度。
根据又一方面，可以基于满足所述成像条件的所述反射镜平面的角度和所述挡风玻璃的角度，来确定所述自由曲面反射镜的角度。
根据又一方面，可以利用如下所述的角度来确定所述虚像的开始位置及大小：以经过所述自由曲面反射镜的法线与所述虚像平面交叉的点、和所述自由曲面反射镜的光学中心的直线为基准，在所述显示器平面和所述虚像平面上满足成像条件的角度。
根据又一方面，可以通过所述角度、所述显示器平面的以所述虚像平面为基准的角度、所述显示器平面与所述反射镜平面的角度、以及从所述虚像平面到所述自由曲面反射镜的光学中心为止的高度中的至少一种，来调节所述虚像的开始位置及大小。
根据又一方面，在从所述虚像平面到所述自由曲面反射镜为止的高度处的所述显示器装置与所述自由曲面反射镜之间的分隔距离，可以通过在从所述虚像平面到所述自由曲面反射镜的光学中心为止的高度加上该高度方向上的偏移值而得的高度值、所述显示器平面的以所述虚像平面为基准的角度、所述反射镜平面的以所述虚像平面为基准的角度、以及所述显示器平面与所述反射镜平面的角度来导出。
根据又一方面，所述自由曲面反射镜的位置可以通过包含由所要求的的适眼区(Eye-box)的位置带来的偏移值在内的高度来确定。
根据本发明的实施例，能够提供利用挡风玻璃反射方式使虚像与地面一致来生成以驾驶员的视点为基准的增强现实的三维虚像的三维增强现实平视显示器。
根据本发明的实施例，能够提供通过包括挡风玻璃的结构使生成与地面一致的虚拟的3D影像的光学系统的光效率最大化的结构。
附图说明
图1是用于说明一般的平视显示器装置的用于信息确认的焦点调节的图。
图2是示出本发明的一实施例中三维增强现实平视显示器的影像位置的图。
图3是示出本发明的一实施例中在与路面之类的地面对应的虚拟平面上提供影像的示例的图。
图4是示出本发明的一实施例中挡风玻璃反射方式的三维增强现实平视显示器的示例的图。
图5是示出本发明的一实施例中挡风玻璃反射方式的三维增强现实平视显示器的光学设计结构的一例的图。
图6至图8是示出本发明的一实施例中用于导出图5的光学设计结构的理论关系式的等效表现的图。
图9是示出本发明的一实施例中挡风玻璃反射方式的三维增强现实平视显示器的光学设计结构的另一例的图。
图10是示出本发明的一实施例中挡风玻璃反射方式的三维增强现实平视显示器的光学设计结构的又一例的图。
图11至图13是示出本发明的一实施例中用于导出图9的光学设计结构的理论关系式的等效表现的图。
图14至图17是用于说明本发明的一实施例中三维增强现实平视显示器的光学设计结构所涉及的光效率的图。
图18是示出本发明的一实施例中导出三维增强现实平视显示器的显示器装置和自由反射镜的关系式时所需的变量的图。
图19是用于说明本发明的一实施例中根据适眼区(Eye-box，瞳孔的位置)确定的自由反射镜的位置的示意图。
图20是示出本发明的一实施例中显示器平面、自由反射镜平面以及虚像平面之间的成像条件的图。
图21是示出本发明的一实施例中导出挡风玻璃反射方式的三维增强现实平视显示器的显示器装置和自由反射镜的角度时所需的变量的图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施例进行详细说明。
下文中描述的实施例可以以其他各种方式变形，本发明的范围并不被以下说明的实施例所限定。另外，这些实施例是为了向本领域技术人员更完整地说明本发明而提供的。为了进行更明确的说明，附图中构成要素的形状以及大小等，可以简化、缩小或放大表示。
除了通过图1说明的现有平视显示器之外，诸如TV、监视器、投影屏幕、VR/AR眼镜等大部分显示器都相对于用户的视线垂直放置。
本发明的实施例提供使影像的位置与地面对应的形式的具有三维实现方式的三维增强现实平视显示器。尤其能够提供通过将虚拟屏幕呈现为以与地面对应的方式横躺的三维视点，来使得在驾驶环境下最适合于驾驶员视点的三维增强现实平视显示器。
图2是示出本发明的一实施例中三维增强现实平视显示器的影像位置的图。
参照图2，本发明所涉及的三维增强现实平视显示器，能够将用户眼睛所能看到的虚拟影像、即虚像24的位置，呈现为以与驾驶员的前方底面、即地面25对应的方式横躺的三维视点。
一般的车辆用平视显示器的通过光学系统形成的影像，位于驾驶员前方2～3m的固定距离处，且大致与地面25垂直。不同于此，本发明所涉及的三维增强现实平视显示器，旨在使虚像24位于与驾驶员所注视的前方的地面25对应的虚拟平面上。
本发明所涉及的三维增强现实平视显示器所采用的方式，并非是像一般的投影仪那样直接投射在屏幕来生成实像，而是通过平视显示器的光学系统进行反射来生成能够用眼睛看到的虚像24。
车辆用导航所提供的主要信息对应于行驶中的道路上的路径信息、车道信息、与前方车辆之间的距离信息等。另外，ADAS(advanced driver-assistance system：先进驾驶辅助系统)则向驾驶员提供涉及安全的信息，此时，对应信息主要为车道信息、与前方/侧方车辆之间的距离信息、突发信息等。同样，在自主行驶时，需要将与驾驶主体车辆即将要发生的状况有关的信息、例如道路上的转弯或车道变更等信息提供给乘坐人员。路径信息作为用于引导路径的信息可以包括引导直行、转弯等的TBT(turn-by-turn：逐向导航)信息。
参照图3，将上述的信息例如车道信息31、与前方车辆之间的距离信息32等信息，以虚拟的图像表示在驾驶员所注视的视点处的实际道路面上是非常重要且有效的。车道信息31作为与行驶中的车道相关的信息，可以指要在车道上表示的行驶信息或导航信息。
本发明所涉及的三维增强现实平视显示器，通过将虚拟的屏幕呈现为以与地面对应的方式横躺的三维视点，能够在多种驾驶环境下将想要向用户传递的信息以增强现实呈现在用户驾驶过程中实际注视的路面上，而无需用户从驾驶过程中所注视的视点向其他地方移动眼睛的焦点。
售后市场(aftermarket)产品的平视显示器产品主要通过组合(combiner)方式来实现，但是对于内置产品而言，一般通过将影像光直接反射到车辆的挡风玻璃上的挡风玻璃反射方式来实现而不存在附加零件(组合)。
本发明所涉及的三维增强现实平视显示器包括结合功能和光学功能(3D功能)，其中，结合功能是指将光源的光与外部(全景)的光结合而传递给驾驶员的眼睛的作用，光学功能(3D功能)是指使虚像与驾驶员的前方地面一致而以驾驶员的视点为基准生成三维增强现实影像的作用。
本发明所涉及的三维增强现实平视显示器利用的是挡风玻璃反射方式，此时挡风玻璃发挥结合功能的作用，而为了发挥3D功能，可以利用包括具有光功率(optical power)的自由曲面反射镜(freeform surface mirror)(下称“自由反射镜”)在内的光学部件。
参照图4，本发明所涉及的三维增强现实平视显示器400为包括挡风玻璃40在内的通过反射方式来生成虚拟的3D影像的结构，可以包括：显示器装置401，发挥光源的作用；以及自由反射镜402，用于使光源的光反射到挡风玻璃40上而将虚拟影像聚焦到驾驶员的前方地面上。挡风玻璃40可以包括如下作用：将被自由反射镜402反射的光源的光朝向适眼区(Eye-box)(驾驶员眼睛的位置)反射，同时使外部(前方)光透过。
换言之，三维增强现实平视显示器400包括使光源的光经过自由反射镜402和挡风玻璃40而投射(projection)到地面上的结构，由此能够使虚拟影像位于驾驶员的前方地面。
考虑挡风玻璃40的角度在内，通过导出显示器装置401和自由反射镜402相对于地面的位置及角度，能够实现使虚拟的3D影像位于地面的挡风玻璃反射方式的三维增强现实平视显示器400。
图5是示出本发明的一实施例中挡风玻璃反射方式的三维增强现实平视显示器的光学设计结构的一例的图。
参照图5，本发明所涉及的挡风玻璃反射方式的三维增强现实平视显示器400，还可以包括用于缩小光路径的整体大小的折叠反射镜(fold mirror)403，该折叠反射镜403具有在从显示器装置401输出的影像的光路径上从显示器装置401辐射的光位于远距离光线侧而向自由反射镜402传递的结构。这里，假定挡风玻璃40和折叠反射镜403没有光功率。
远距离光线可以是指：在为了将虚像聚焦到地面上而从显示器装置401辐射并向地面延伸的光线中，在距驾驶员最远的地面上形成虚像的光线。反之，可以将在为了将虚像聚焦到地面上而从显示器装置401辐射并向地面延伸的光线中，在距驾驶员最近的地面上形成虚像的光线称为近距离光线。
缩小光路径的整体大小是指：缩小光从显示器装置401辐射后最终到达挡风玻璃为止所经过的路径所占的区域的整体大小。在使用折叠反射镜403时，虽然光路径的整体长度(length)相同，但能够缩小光路径所占的区域的整体大小(size)。
从显示器装置401辐射的光既可以从显示器装置401直接传递到自由反射镜402，或者也可以在经过折叠反射镜403反射后传递到自由反射镜402，此时，可以以光源的光在离远距离光线近的位置传递到自由反射镜402的结构来实现。
为了便于说明用于将虚像聚焦到地面上的显示器装置401和自由反射镜402的理论关系式的导出过程，首先如图6所示，以简化的等效结构来表示被折叠反射镜403以及挡风玻璃40变更的光的路径，即，省略除了变换光路径的作用之外无光学作用的折叠反射镜403以及挡风玻璃40的图示，并将显示器装置401的位置表示在以折叠反射镜403为基准对称的位置。接下来，如图7所示，添加与显示器装置401对应的显示器平面(display plane)71、与自由反射镜402对应的自由反射镜平面(freeformmirror plane)72、与地面对应的虚像平面(image plane)73，之后如图8所示，旋转虚像平面73使其与地面平行且以Y轴(图中垂直方向的轴)为基准左右翻转的状态来表示。
参照图8，挡风玻璃反射方式的三维增强现实平视显示器400可以包括如下结构：从显示器装置401辐射的光在比自由反射镜402更靠上部的位置向自由反射镜402传递的结构，换言之，在为了将虚像聚焦到地面而向地面辐射的光线中，相比于离驾驶员的位置近的近距离光线，显示器装置401位于离驾驶员的位置远的远距离光线侧。
图9是示出本发明的一实施例中挡风玻璃反射方式的三维增强现实平视显示器的光学设计结构的另一例的图，图10是示出本发明的一实施例中挡风玻璃反射方式的三维增强现实平视显示器的光学设计结构的又一例的图。
参照图9和图10，本发明所涉及的挡风玻璃反射方式的三维增强现实平视显示器400还可以包括用于缩小光路径的整体大小的折叠反射镜403，该折叠反射镜403具有在从显示器装置401输出的影像的光路径上从显示器装置401辐射的光位于近距离光线侧而向自由反射镜402传递的结构。同样，假定挡风玻璃40和折叠反射镜403没有光功率。
从显示器装置401辐射的光既可以从显示器装置401直接传递到自由反射镜402，或者也可以在经过折叠反射镜403反射后传递到自由反射镜402，此时，可以以光源的光在离近距离光线近的位置传递到自由反射镜402的结构来实现。
图9示出光所移动的路径按照显示器装置401、折叠反射镜403、自由反射镜402、挡风玻璃40、驾驶员的顺序构成的结构，另一方面，如图10所示，还可以以光按照显示器装置401、自由反射镜402、折叠反射镜403、挡风玻璃40的顺序传递的结构来实现。
针对图9所示的光学设计结构，为了便于说明用于将虚像聚焦到地面上的显示器装置401和自由反射镜402的理论关系式的导出过程，首先如图11所示，以简化的等效结构来表示被折叠反射镜403以及挡风玻璃40变更的光的路径，即，省略除了变换光路径的作用之外无光学作用的折叠反射镜403以及挡风玻璃40的图示，并将显示器装置401的位置表示在以折叠反射镜403为基准对称的位置。接下来，如图12所示，添加与显示器装置401对应的显示器平面71、与自由反射镜402对应的自由反射镜平面72、与地面对应的虚像平面73，之后如图13所示，旋转虚像平面73使其与地面平行且以Y轴(图中的垂直方向上的轴)为基准左右翻转的状态来表示。
参照图13，挡风玻璃反射方式的三维增强现实平视显示器400可以包括如下结构：从显示器装置401辐射的光在比自由反射镜402更靠下部的位置传递到自由反射镜402的结构，换言之，在为了将虚像聚焦到地面而向地面辐射的光线中，显示器装置401位于离驾驶员的位置近的近距离光线侧。
当对从显示器装置401辐射的光的各角度下的输出进行比较可以发现，垂直成分的输出最高，并且随着远离垂直，输出变低，因此可以说从光效率方面来看，使用垂直角度的光或接近垂直角度的光是优选的。
根据表示图5的光学设计结构的图8的等效结构，如图14所示，显示器装置401位于比自由反射镜402更靠上方的位置，从而位于驾驶员前方的远距离光线侧。
如图15所示，将体现图5的光学设计结构的图8的等效结构旋转为使自由反射镜平面72垂直后可以发现，从显示器装置401辐射的光中输出强的垂直成分的光大部分被丢弃，而主要使用离垂直较远而输出相对低的成分的光，因此光效率有可能降低。
为了对挡风玻璃反射方式的三维增强现实平视显示器400应用显示器装置401位于比自由反射镜402更靠上部的位置的光学设计结构，可以通过利用能够调整光的辐射角度的显示器装置、也就是包括衍射元件、微透镜阵列(Micro-Lens Array)、数字微镜元件(Digital Micromirror Device)之类的另外的光学元件在内的显示器装置来确保光效率。
另一方面，根据体现图9的光学设计结构的图13的等效结构，如图16所示，显示器装置401位于比自由反射镜402更靠下侧的位置，从而位于驾驶员前方的近距离光线侧。
如图17所示，将体现图9的光学设计结构的图13的等效结构旋转为使自由反射镜平面72垂直后可以发现，主要使用从显示器装置401辐射的光中输出强的垂直成分的光，因此可以说光效率高。
光所移动的实际路径为，从显示器装置401出发后被自由反射镜402和挡风玻璃40反射，此时被反射的光到达驾驶员的眼睛处而被晶状体(透镜)而聚焦在视网膜焦点上。然而，用户所看到的影像并非是生成实际影像的显示器平面71位置的实像而是虚像24，此时虚像24位于与地面对应的虚拟的平面即虚像平面73上。即，显示器平面71通过自由反射镜402而与虚像平面73满足成像条件(imaging condition)。
用于将虚像生成在地面位置的显示器装置401和自由反射镜402的理论关系式，可以基于除用户的眼睛之外的与显示器装置401对应的显示器平面71、与自由反射镜402对应的自由反射镜平面72、与地面对应的虚像平面73之间的成像条件来导出。另外，自由反射镜平面72的焦点距离可以是成像条件的变量之一。
图18是示出导出显示器装置401和自由反射镜402的关系式时所需的变量的图。
参照图18，显示器平面71和自由反射镜平面72的交点I可以位于地面上。换言之，显示器平面71、自由反射镜平面72和虚像平面73可以在规定的位置I同时交叉。在这种条件下，能够将光学系统设定为使显示器平面71、自由反射镜平面72和虚像平面73满足成像条件。
DP是指与显示器装置401对应的显示器平面71、FMP是指与自由反射镜402对应的自由反射镜平面72、IP是指表示与地面对应的平面本身的虚像平面73。
C是指自由反射镜402相对于显示器装置401的光学中心。但C实际上并非一定需要位于自由反射镜402上，可以根据用户视线的位置对自由反射镜402的位置应用偏移值。用户视线的位置设定得越高，可以将偏移值设定得越大，用户视线的位置设定得越低，可以将偏移值设定得越小。据此，用户视线的位置设定得越高，可以将自由反射镜402也设置得越高，用户视线的位置设定得越低，可以将自由反射镜402也设置得越低。但整个光学系统和内部构成要素之间的数学关系式可以保持相同而与这种变化无关。
下文中，为便于表达数学式，假设C位于自由反射镜402上来推导关系式。
I是DP71、FMP72和IP73相交叉的交叉点，J是与DP71平行且经过中心点C的直线与IP73交叉的点，K作为IP73上的与自由反射镜402的法线交叉的交叉点，是指与FMP72垂直且经过中心点C的直线与IP73交叉的点。
α(αE，αS)作为以经过中心点C和交叉点K的直线为基准的、在DP71和IP73上满足成像条件的位置的角度，由于相应位置满足成像条件，所以DP71方向角度和IP73方向角度始终保持一致。这里，成像条件是指从光源以全方位的立体角释放出的光通过自由反射镜而到达虚像VI的同一地点的条件。在图18中满足成像条件是指：随着显示器装置401、自由反射镜和形成虚像VI的IP73的位置和角度、以及自由反射镜的焦点距离f满足透镜公式(lensformula)，从显示器装置401释放出的光通过自由反射镜收敛到IP73上，由此在IP73上生成虚像VI。但本发明的实施例由于是对形成虚像VI而非实像的例子进行说明，所以光并非实际上到达IP73，而是放射出的光线的延伸线收敛在IP73上而形成虚像VI，这对本领域技术人员而言是清楚的。
β是指DP71以IP73或者地面为基准的角度，γ是指FMP72以IP73或者地面为基准的角度，θ是指DP71与FMP72之间的角度。
h是指从IP73或者地面到中心点C为止的距离，h'(参照图19)是指在h上加上h方向上的偏移值(正数或者负数)后得到的值(实际的自由反射镜402的高度)。此时，h'相当于对自由反射镜402的位置应用由用户视线的位置带来的偏移值的情况。
S是指交叉点I与交叉点J之间的长度、即在与地面平行的轴方向上在高度h处的DP71与FMP72的分隔距离(separation distance)。
S'(参照图19)是指在与地面平行的轴方向上在高度h'(参照图19)处的DP71与FMP72的分隔距离。
dS是指在与IP73或者地面对应的平面上从自由反射镜402的中心点C与IP73或者地面的正交位置C'到虚像VI开始的位置为止的距离。
dE是指在与IP73或者地面对应的平面上从自由反射镜402的中心点C与IP73或者地面的正交位置C'到虚像VI结束的位置为止的距离。
dI是指虚像VI的大小(size)，f是指自由反射镜402的焦点距离(focal length)。
首先，β、γ和θ的关系式如下。
当应用DP71和IP73之间的成像条件时，下述数学式1成立。
[数学式1]
Figure BDA0002936357000000111
(γ、θ、h、f都假定为是正数)
这里，h是指在一般的车辆上从地面到仪表板上的三维增强现实平视显示器400位置为止的高度(准确而言是到自由反射镜402的光学中心C为止的高度)。并且，f是指具有一般大小和曲率的三维增强现实平视显示器400的自由反射镜402的焦点距离。
在数学式1中代入h和f的值时，能够导出θ和γ之间的数值关系，在此基础上通过β、γ和θ的关系式β＝γ+θ，能够导出β。
接下来，通过数学式2并利用h、β、γ和θ，能够导出S。
[数学式2]
Figure BDA0002936357000000121
最后，能够通过数学式3来导出dS、dE和dI。
[数学式3]
dS＝htan(γ+αS)
dE＝htan(γ+αE)
dI＝h(tan(γ+αE)-tan(γ+αS))
(α(αE，αS)是以经过中心点C和交叉点K的直线为基准的正数或负数)
通过数学式3能够计算dS和dI，此时，若需要对表示虚像VI的开始位置的dS以及表示虚像VI的大小的dI进行调节，则可以通过调节α(αE，αS)、β和θ中的至少一个，来实现光学结构的最优化。
通过上述的关系式能够导出DP71和FMP72相对于地面的角度以及虚像VI的位置及大小。
图19是用于说明在三维增强现实平视显示器400中根据适眼区(Eye-box，瞳孔的位置)确定的自由反射镜402的位置的示例的图。
参照图19，所要求的适眼区(Eye-box，瞳孔的位置)的高度，一般可以用驾驶员坐在车辆的驾驶席上时眼睛所处的高度来确定，而适眼区与自由反射镜402之间的距离，则用眼睛到三维增强现实平视显示器400的自由反射镜402为止的距离来确定。
对于自由反射镜402的位置，根据所要求的适眼区的位置而包括偏移值来确定高度h'，其位置并非一定需要包括自由反射镜402的光学中心C。根据h'能够确定DP71和FMP72的分隔距离即s'，此时，s'可以被视为显示器装置401和自由反射镜402之间的距离。
将体现图9的光学设计结构的的图13的等效结构旋转为使自由反射镜平面72垂直后可以发现，如图20所示，对于在DP71和IP73上满足成像条件的位置的角度α(αE，αS)，DP71方向角度与IP73方向角度一致。
显示器装置401位于离近距离光线近的位置的结构自不必言，即便是显示器装置401位于离远距离光线近的位置的结构，也同样在满足成像条件的情况下光源与虚像的位置角度(αE，αS)始终统一。
图21中示出了将挡风玻璃40和折叠反射镜403考虑在内的显示器装置401和自由反射镜402的角度导出时所需的变量。图21中示出了显示器装置401位于离近距离光线近的位置的结构的光学设计结构。
参照图21，δ是指显示器装置401以地面为基准的角度，ε是指自由反射镜402以地面为基准的角度，σ是指折叠反射镜403以地面为基准的角度，τ是指挡风玻璃40以地面为基准的角度。
基于通过图18说明的显示器装置401和自由反射镜402的理论关系式，来导出显示器装置401和自由反射镜402的角度时如下。
显示器装置401的角度可以利用满足成像条件的DP71的角度β来导出，作为一例可以通过数学式4或数学式5来导出。
[数学式4]
δ＝β+2×(τ-σ)(ifσ≠τ)
[数学式5]
δ＝β(ifσ＝τ)
自由反射镜402的角度可以利用满足成像条件的FMP72的角度γ来导出，作为一例可以通过数学式6来导出。
[数学式6]
ε＝γ+2τ
因此，本发明所涉及的三维增强现实平视显示器400，可以通过基于上述关系式的显示器装置401和自由反射镜402并利用挡风玻璃反射方式来实现横躺在驾驶员所注视的前方的地面上的三维视点的虚像VI。
在满足DP71和IP73之间的成像条件的位置，利用DP71的角度β来导出显示器装置401的以地面为基准的角度，并利用FMP72的角度γ来导出自由反射镜402的以地面为基准的角度，由此能够实现使虚拟的3D影像位于地面的挡风玻璃反射方式的三维增强现实平视显示器400。
如上所述，根据本发明的实施例，能够提供利用挡风玻璃反射方式使虚像与地面一致而以驾驶员的视点为基准来生成增强现实的三维虚像的三维增强现实平视显示器，尤其能够提供利用包括挡风玻璃的结构使用于生成与地面一致的虚拟的3D影像的光学系统的光效率最大化的结构。
上文中说明的装置可以利用硬件构成要素、软件构成要素和/或硬件构成要素与软件构成要素的结合来实现。例如，实施例中说明的装置以及构成要素可以利用处理器、控制器、ALU(arithmetic logic unit：算术逻辑单元)、数字信号处理器(digital signalprocessor)、微型计算机、FPGA(field programmable gate array：现场可编程门阵列)、PLU(programmable logic unit：可编程序逻辑部件)、微处理器、或者能够执行指令(instruction)并进行响应的其他任何装置之类的一个以上的通用计算机或者特定目标计算机来实现。处理装置可以执行操作系统(OS)以及在该操作系统上执行的一个以上的软件应用程序。另外，处理装置可以响应于软件的执行而对数据进行访问、储存、操作、处理及生成。为便于理解，有时会以使用一个处理装置的情况进行说明，但本领域技术人员应当可以理解处理装置可以包括多个处理要素(processing element)和/或多种类型的处理要素。例如，处理装置可以包括多个处理器或者一个处理器以及一个控制器。另外，还可以采用并行处理器(parallel processor)之类的其他处理结构(processing configuration)。
软件可以包括计算机程序(computer program)、代码(code)、指令(instruction)或这些中的一个以上的组合，可以以执行所期望动作的方式构成处理装置或者按照独立方式或结合(collectively)方式来命令处理装置。软件和/或数据为了被处理装置解析或者向处理装置提供指令或数据，可以在某种类型的设备、构成要素(component)、物理装置、计算机存储介质或者装置中具体化(embody)。软件可以分散在通过网络连接的计算机系统上，也可以分散的方式被储存或执行。软件以及数据可以储存于一个以上的计算机可读介质中。
实施例所涉及的方法可以以能够通过多种计算机单元来执行的程序指令方式实现而记录到计算机可读介质中。此时，介质可以将能够用计算机执行的程序一直储存或者为了执行或下载而暂时储存。另外，介质可以是单个或多个硬件结合而成的形式的多种记录单元或储存单元，但不限定于与某种计算机系统直接连接的介质，也可以在网络上分散存在。作为介质的示例，可以将硬盘、软盘和磁带之类的磁性介质，CD-ROM以及DVD之类的光记录介质，光软盘(floptical disk)之类的磁光介质(magneto-optical medium)，ROM、RAM、闪存等包括在内而构成为储存程序指令语。另外，作为其他介质的示例，也可以列举售卖应用程序的应用程序商场或供应或售卖其他多种软件的网页、服务器等所管理的记录介质至储存介质。
用于实施发明的方式
如上所述，虽然通过有限的实施例和附图对实施例进行了说明，但本领域技术人员能够根据上述描述进行多种修改及变形。例如，能够用与说明的方法不同的顺序执行说明的技术，和/或用与说明的方法不同的形式来结合或组合说明的系统、结构、装置、回路等构成要素，即使被其他构成要素或等同要素替代或取代，也能够实现适当的结果。
因此，其他实施方式、其他实施例以及与权利请求范围等同的等同物也包含在随附的权利请求范围内。

Claims (13)

1.一种三维增强现实平视显示器，其特征在于，
包括：
显示器装置，发挥光源的作用；以及
自由曲面反射镜，使所述光源的光向车辆的挡风玻璃反射，
所述三维增强现实平视显示器包括如下结构：通过由所述自由曲面反射镜使所述光源的光向所述挡风玻璃反射的反射方式，使由所述光源的光形成的影像以三维视点的虚像聚焦在所述车辆的前方的地面。
2.根据权利要求1所述的三维增强现实平视显示器，其特征在于，
所述挡风玻璃包括使被所述自由曲面反射镜反射的所述光源的光朝向适眼区反射的同时使外部的光透过的作用。
3.根据权利要求1所述的三维增强现实平视显示器，其特征在于，
作为所述显示器装置位于在为了将所述虚像聚焦到所述地面上而向所述地面延伸的光线中的近距离光线侧的结构，包括所述光源的光在比所述自由曲面反射镜更靠下部的位置向所述自由曲面反射镜传递的结构。
4.根据权利要求1所述的三维增强现实平视显示器，其特征在于，
所述三维增强现实平视显示器还包括用于缩小光路径的整体大小的折叠反射镜，
所述三维增强现实平视显示器包括所述光源的光按照所述显示器装置、所述折叠反射镜、所述自由曲面反射镜、所述挡风玻璃的顺序，或者所述光源的光按照所述显示器装置、所述自由曲面反射镜、所述折叠反射镜、所述挡风玻璃的顺序传递的结构。
5.根据权利要求1所述的三维增强现实平视显示器，其特征在于，
与所述显示器装置对应的显示器平面通过所述自由曲面反射镜而与虚像平面满足成像条件，所述虚像平面是与所述地面对应的平面。
6.根据权利要求1所述的三维增强现实平视显示器，其特征在于，
基于与所述显示器装置对应的显示器平面、与所述自由曲面反射镜对应的反射镜平面和与所述地面对应的虚像平面之间的成像条件，来生成所述虚像。
7.根据权利要求6所述的三维增强现实平视显示器，其特征在于，
基于满足所述成像条件的所述显示器平面的角度，来确定所述显示器装置的角度。
8.根据权利要求6所述的三维增强现实平视显示器，其特征在于，
基于满足所述成像条件的所述显示器平面的角度、所述挡风玻璃的角度以及折叠反射镜的角度，来确定所述显示器装置的角度。
9.根据权利要求6所述的三维增强现实平视显示器，其特征在于，
基于满足所述成像条件的所述反射镜平面的角度和所述挡风玻璃的角度，来确定所述自由曲面反射镜的角度。
10.根据权利要求6所述的三维增强现实平视显示器，其特征在于，
利用如下所述的角度来确定所述虚像的开始位置及大小：以经过所述自由曲面反射镜的法线与所述虚像平面交叉的点、和所述自由曲面反射镜的光学中心的直线为基准，在所述显示器平面和所述虚像平面上满足成像条件的角度。
11.根据权利要求9所述的三维增强现实平视显示器，其特征在于，
通过所述角度、所述显示器平面的以所述虚像平面为基准的角度、所述显示器平面与所述反射镜平面的角度、以及从所述虚像平面到所述自由曲面反射镜的光学中心为止的高度中的至少一种，来调节所述虚像的开始位置及大小。
12.根据权利要求6所述的三维增强现实平视显示器，其特征在于，
在从所述虚像平面到所述自由曲面反射镜为止的高度处的所述显示器装置与所述自由曲面反射镜之间的分隔距离，通过在从所述虚像平面到所述自由曲面反射镜的光学中心为止的高度加上该高度方向的偏移值而得的高度值、所述显示器平面的以所述虚像平面为基准的角度、所述反射镜平面的以所述虚像平面为基准的角度、以及所述显示器平面与所述反射镜平面的角度来导出。
13.根据权利要求1所述的三维增强现实平视显示器，其特征在于，
所述自由曲面反射镜的位置通过包含由所要求的适眼区的位置带来的偏移值在内的高度来确定。
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