CN113703166A - 一种通过衍射全息成像的ar-hud方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过衍射全息成像的AR‑HUD方法及系统，包括以下步骤，采集光学设计的输入参数；根据光学特性，设置衍射光栅和凸透镜的位置，并调整其光学属性；结合所述输入参数，设计光路图，模拟光路并观察实现效果；根据所述实现效果调整衍射光栅和凸透镜的位置及光学属性，重复模拟直至符合设计要求；生产光学器件并验证光学成像效果。本发明的有益效果：本发明通过光学放大器件，弥补衍射光栅在放大成像上的缺陷，使得光学成像满足不同需求，更加清晰。

Description

一种通过衍射全息成像的AR-HUD方法及系统

技术领域

本发明涉及AR-HUD的技术领域，尤其涉及一种通过衍射全息成像的AR-HUD方法及系统。

背景技术

近年来，HUD在汽车行业的发展经历了C-HUD、W-HUD的阶段，目前在向AR-HUD发展。AR-HUD(Augmented Reality HUD)称为增强现实HUD，主要是通过AR技术将显示内容投影到车前，使让驾驶员可以更直观的观察实际路面情况。

目前AR-HUD多为DLP的自由曲面镜方案。DLP自由曲面镜方案属于反射投影成像技术，光学技术本身要求在增大FOV的同时会增大体积大小。当前还未量产的新方案还有一种通过衍射光波导的方式，就是常说的衍射全息体技术。现有的衍射全息体技术，主要通过衍射光栅实现，而衍射光栅本身无法大角度扩散成像，存在较为明显的缺陷。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明解决的一个技术问题是：提出一种通过衍射全息成像的AR-HUD方法，能够弥补衍射光栅在放大成像上的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：采集光学设计的输入参数；根据光学特性，设置衍射光栅和凸透镜的位置，并调整其光学属性；结合所述输入参数，设计光路图，模拟光路并观察实现效果；根据所述实现效果调整衍射光栅和凸透镜的位置及光学属性，重复模拟直至符合设计要求；生产光学器件并验证光学成像效果。

作为本发明所述的通过衍射全息成像的AR-HUD方法的一种优选方案，其中：所述输入参数包括，视场角范围、虚像成像距离和眼盒大小。

作为本发明所述的通过衍射全息成像的AR-HUD方法的一种优选方案，其中：所述获取参数还包括以下步骤，测量人眼相对于车底和相对于方向盘的位置，从而获得眼盒大小；获取车辆前挡风玻璃的曲率；输入产品要求的视场角范围FOV和虚像成像距离VID。

作为本发明所述的通过衍射全息成像的AR-HUD方法的一种优选方案，其中：所述设计光路图包括，设定眼盒大小为l，前挡风玻璃的曲率为K，虚像成像距离VID为L，视场角范围FOV为α，其光学属性为弥散圆直径为δ，则光学成像大小为：

其中：f为镜头焦距，在所述光路图中添加成像放大器，以比例γ对所述光学成像进行放大，确定最终的成像大小。

作为本发明所述的通过衍射全息成像的AR-HUD方法的一种优选方案，其中：所述验证光学成像效果还包括以下步骤，根据所述光路图，设计结构图纸，并生产相应结构部件；根据确定的器件光学属性，生产最接近的光学器件；组装光学器件，验证光学成像效果。

本发明解决的另一个技术问题是：提供一种通过衍射全息成像的AR-HUD方法，使上述方法能够依托于该系统实现。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种通过衍射全息成像的AR-HUD系统，其特征在于：包括，采集模块，所述采集模块用于获取光学设计的输入参数；设计模块，所述设计模块能够根据输入参数设计出光路图；模拟模块，所述模拟模块用于对光路进行模拟从而观察效果。

作为本发明所述的通过衍射全息成像的AR-HUD系统的一种优选方案，其中：所述设计模块包括，计算单元根据所述采集模块中采集到的光学设计以及物体参数进行成像计算；设计单元连接于所述计算单元，并将计算结果传输至所述设计模块，利用成像放大器进行图像方法，并判断成像是否合适，若不合适则重新调整各装置位置，直至成像清晰。

作为本发明所述的通过衍射全息成像的AR-HUD系统的一种优选方案，其中：所述模拟模块包括，为情景模拟装置，与通过无线连接的方式连接在所述设计模块外部，根据所述计算结果进行光路模拟，观察光路状况，并将结果返还至所述设计单元。

本发明的有益效果：本发明通过光学放大器件，弥补衍射光栅在放大成像上的缺陷，使得光学成像满足不同需求，更加清晰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明第一种实施例中所述通过衍射全息成像的AR-HUD方法的整体流程结构示意图；

图2为本发明第一种实施例中所述通过衍射全息成像的AR-HUD方法的传统方法成像图；

图3为本发明第一种实施例中所述通过衍射全息成像的AR-HUD方法的本发明成像图；

图4为本发明第二种实施例中所述通过衍射全息成像的AR-HUD系统的整体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1～3的示意，示意为本实施例提出一种通过衍射全息成像的AR-HUD方法的整体流程示意图。在现有的AR-HUD技术中，由于是通过衍射光栅直接成像到挡风玻璃，因此存在衍射光栅无法大角度扩大成像的问题，为了解决该问题，利用凸透镜的成像放大原理，在前挡风成像前将图像进行一次放大，达到可以满足扩大视场角范围的要求。

具体的，本实施例提出一种通过衍射全息成像的AR-HUD方法，包括以下步骤，

S1：采集光学设计的输入参数。其中需要说明的是，

获取的输入参数包括视场角范围(FOV)、虚像成像距离(VID)和眼盒(EyeBox)，采集参数包括以下步骤，

测量人眼相对于车底和相对于方向盘的位置，从而获得眼盒大小；

获取车辆前挡风玻璃的曲率；

输入产品要求的视场角范围FOV和虚像成像距离VID。

S2：根据光学特性，设置衍射光栅和凸透镜的位置，并调整其光学属性。

S3：结合输入参数，设计光路图，模拟光路并观察实现效果。其中需要说明的是，设计光路图包括，

设定眼盒大小为l，前挡风玻璃的曲率为K，虚像成像距离VID为L，视场角范围FOV为α，其光学属性为弥散圆直径为δ，则光学成像大小为：

其中：f为镜头焦距，在光路图中添加成像放大器，以比例γ对光学成像进行放大，确定最终的成像大小。

S4：根据实现效果调整衍射光栅和凸透镜的位置及光学属性，重复模拟直至符合设计要求；

S5：生产光学器件并验证光学成像效果。其中需要说明的是，

具体的，验证光学成像效果还包括以下步骤，

根据光路图，设计结构图纸，并生产相应结构部件；

根据确定的器件光学属性，生产最接近的光学器件；

组装光学器件，验证光学成像效果。

为了验证本发明的有益效果，选取一个眼盒、衍射光栅、凸透镜以及成像放大器，对光路图的成像进行模拟，选取传统前车窗增强现实抬头显示器(AR-HUD)进行对比实验，AR-HUD利用光学反射原理将重要的行车数据投射到前挡风玻璃上，但是其反射的图像较小，清晰度不高，使用感受较差。

设置一个道路模拟器，进行车辆、路况信息模拟，并将信息传送至两种方法的显示器进行成像，其中使用本发明方法，进行成像时，利用放大器对光路图进行设计，并调整各个仪器位置，便于成像清晰，而传统方法利用光学原理直接成像，用道路模拟器模拟4种不同路况以及车辆行驶情况进行实验，其实验结果如下表1所示：

表1：成像大小显示对比结果。

	1	2	3	4
					本方法	43cm	42cm	44cm	44cm
传统方法	26cm	24cm	27cm	24cm

可以看出本方法所得出的成像大小要明显比传统方法所得的成像结果要大，参照图2和图3可以明显看出，图2为使用传统AR-HUD进行显示的图像，图3为使用本发明的成像，可以看到本申请图像要大得多，由于可成像较大，因此可以承载多个功能组件进行显示，功能性较多，而且由于驾驶员的驾驶位置相差不大，更大的图像可以让驾驶员看的更加清晰，提升使用者的舒适度。

实施例2

参照图4的示意，示意为本实施例提出一种通过衍射全息成像的AR-HUD系统，该系统包括采集模块100、设计模块200和模拟模块300。

其中采集模块100，采集模块100用于获取光学设计的输入参数；设计模块200，设计模块200能够根据输入参数设计出光路图；模拟模块300，模拟模块300用于对光路进行模拟从而观察效果。

进一步的是，设计模块200包括，计算单元201根据采集模块100中采集到的光学设计以及物体参数进行成像计算；设计单元203连接于计算单元201，并将计算结果传输至设计模块200，利用成像放大器M进行图像方法，并判断成像是否合适，若不合适则重新调整各装置位置，直至成像清晰。

模拟模块300包括，为情景模拟装置，与通过无线连接的方式连接在设计模块200外部，根据计算结果进行光路模拟，观察光路状况，并将结果返还至设计单元203。

不难理解的是，不难理解的是，本实施例中所提供的系统，其涉及采集模块100、设计模块200和模拟模块300，例如可以是运行在计算机可读程序，通过提高各模块的程序数据接口实现。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文步骤的指令或程序时，本文的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

如在本申请所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种通过衍射全息成像的AR-HUD方法，其特征在于：包括以下步骤，

采集光学设计的输入参数；

根据光学特性，设置衍射光栅和凸透镜的位置，并调整其光学属性；

结合所述输入参数，设计光路图，模拟光路并观察实现效果；

根据所述实现效果调整衍射光栅和凸透镜的位置及光学属性，重复模拟直至符合设计要求；

生产光学器件并验证光学成像效果。

2.如权利要求1所述的通过衍射全息成像的AR-HUD方法，其特征在于：所述输入参数包括，

视场角范围、虚像成像距离和眼盒大小。

3.如权利要求1或2所述的通过衍射全息成像的AR-HUD方法，其特征在于：所述采集参数包括以下步骤，

测量人眼相对于车底和相对于方向盘的位置，从而获得眼盒大小；

获取车辆前挡风玻璃的曲率；

输入产品要求的视场角范围FOV和虚像成像距离VID。

4.如权利要求3所述的通过衍射全息成像的AR-HUD方法，其特征在于：所述设计光路图包括，

设定眼盒大小为l，前挡风玻璃的曲率为K，虚像成像距离VID为L，视场角范围FOV为α，其光学属性为弥散圆直径为δ，则光学成像大小为：

其中：f为镜头焦距，在所述光路图中添加成像放大器，以比例γ对所述光学成像进行放大，确定最终的成像大小。

5.如权利要求4所述的通过衍射全息成像的AR-HUD方法，其特征在于：所述验证光学成像效果还包括以下步骤，

根据所述光路图，设计结构图纸，并生产相应结构部件；根据确定的器件光学属性，生产最接近的光学器件；组装光学器件，验证光学成像效果。

6.一种通过衍射全息成像的AR-HUD系统，其特征在于：包括，

采集模块(100)，所述采集模块(100)用于获取光学设计的输入参数；

设计模块(200)，连接于所述采集模块(100)根据输入参数设计出光路图；

模拟模块(300)，与所述设计模块(200)相连接用于对光路进行模拟从而观察效果。

7.如权利要求6所述的通过衍射全息成像的AR-HUD系统，其特征在于：所述设计模块(200)包括，

计算单元(201)根据所述采集模块(100)中采集到的光学设计以及物体参数进行成像计算；

设计单元(202)连接于所述计算单元(201)，并将计算结果传输至所述设计模块(200)，利用成像放大器(M)进行图像方法，并判断成像是否合适，若不合适则重新调整各装置位置，直至成像清晰。

8.如权利要求6或7所述的通过衍射全息成像的AR-HUD系统，其特征在于：所述模拟模块(300)包括，

为情景模拟装置，与通过无线连接的方式连接在所述设计模块(200)外部，根据所述计算结果进行光路模拟，观察光路状况，并将结果返还至所述设计单元(202)。

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