CN114326118A - 一种多焦图像生成装置、抬头显示装置、相关方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种多焦图像生成装置、抬头显示装置、相关方法及设备，其中，该多焦图像生成装置包括图像生成单元、分光器和焦距调节器。其中，所述图像生成单元，用于产生所述多焦图像生成装置的第一焦面；所述分光器，用于对所述图像生成单元进行分光，并将分光得到的光束照射至所述焦距调节器表面；所述焦距调节器，用于对照射至所述焦距调节器表面的光束进行焦距调节，以产生所述多焦图像生成装置的第二焦面。本申请的技术方案，通过焦距调节器灵活调节焦距，可以实现任意焦距连续可调，并且实现任意数量、任意位置的焦面(或成像面)。

Description

一种多焦图像生成装置、抬头显示装置、相关方法及设备
技术领域
本申请涉及图像显示技术领域，尤其涉及一种多焦图像生成装置、抬头显示装置及相关方法。
背景技术
抬头显示(Head up display，HUD)，又称为平行显示系统，是指以驾驶员为中心的多功能仪表盘。它的作用是把时速、导航等重要的行车信息，投影到驾驶员前面的风挡玻璃上，让驾驶员尽量做到不低头、不转头就能看到时速、导航等重要的驾驶信息。图1为一种HUD的显示界面示意图，如图1所示，HUD显示的图像包括时速“4km/h”，导航“20m右转箭头”等信息。
但是，由于普通HUD显示的图像和实际道路上的物体并不是在同一个焦平面，导致驾驶员的人眼需要在道路物体和HUD成像面之间来回切换，调整眼睛的焦点。当前的HUD虽然解决了低头的问题，但频繁调整焦点也会导致视觉疲劳，降低了用户体验。为了实现真正意义上的基于增强显示(Augmented reality，AR)的HUD，需要解决图像生成装置多焦面成像的技术问题。
发明内容
本申请提供一种多焦图像生成装置、抬头显示装置及相关方法，主要目的是解决图像生成装置多焦面成像的技术问题，实现任意焦距连续可调。
第一方面，本申请提供了一种多焦图像生成装置，该装置包括：图像生成单元、分光器和焦距调节器。其中，图像生成单元用于产生所述多焦图像生成装置的第一焦面；分光器，用于对所述图像生成单元进行分光，并将分光得到的光束照射至所述焦距调节器表面；焦距调节器，用于对照射至所述焦距调节器表面的光束进行焦距调节，以产生所述多焦图像生成装置的第二焦面。
本申请的技术方案中，通过焦距调节器灵活调节焦距位置，可以实现任意焦距连续可调，并且实现任意数量、任意位置的焦面(或成像面)。
在一种可能的实现方式中，所述焦距调节器通过加载不同的相位信息，使得所述多焦图像生成装置产生多个第二焦面，其中，不同的相位信息对应不同的第二焦面。
本申请的技术方案中，焦距调节器通过加载相位信息调节焦距，从而控制焦面的数量和位置，具有较高的灵活性。
在一种可能的实现方式中，所述焦距调节器包括多个成像区域，不同的成像区域对应不同的第二焦面。焦距调节器的成像区域可以通过软件划分，支持任意边界形状，灵活性高。
在一种可能的实现方式中，所述不同的成像区域加载的相位信息不同。在不同的成像区域加载不同的相位信息，可以实现不同焦面的图像分区显示。
在一种可能的实现方式中，图像生成单元包括光源，分光器用于对所述光源产生的光束进行分光。可以基于图像生成单元的光路升级改造，实现简单。
在一种可能的实现方式中，所述第二焦面包括两个焦面时，其中一个第二焦面的位置固定，另一个第二焦面的位置可调。当第二焦面包括多个焦面时，可以任意调节任意一个或多个焦面的位置，从而构造可调的双焦面或多焦面。
在一种可能的实现方式中，所述焦距调节器加载的相位信息包括菲涅尔透镜的相位分布或泽尼克透镜的相位分布。通过改变焦距调节器上加载的菲涅尔透镜或泽尼克透镜的相位分布图案，可以改变等效透镜的焦距，从而控制多焦图像生成装置产生连续的多个焦面。
在一种可能的实现方式中，所述焦距调节器为空间光调制器。该空间光调制器可以为相位型空间光调制器，可以基于液晶或微机电系统实现。
第二方面，本申请提供了一种多焦图像生成的方法，该方法可以应用于多焦图像生成装置中，其中，多焦图像生成装置包括图像生成单元、分光器和焦距调节器。该方法包括：通过图像生成单元产生第一焦面；通过分光器对所述图像生成单元进行分光，并将分光得到的光束照射至焦距调节器表面；通过焦距调节器对照射至所述焦距调节器表面的光束进行焦距调节，以产生第二焦面。
本申请的技术方案中，通过焦距调节器灵活调节焦距位置，可以实现任意焦距连续可调，并且实现任意数量、任意位置的焦面(或成像面)。
在一种可能的实施方式中，所述对照射至所述焦距调节器表面的光束进行焦距调节，以产生第二焦面包括：在焦距调节器上加载不同的相位信息，产生多个第二焦面，其中，不同的相位信息对应不同的第二焦面。
本申请的技术方案中，焦距调节器通过加载相位信息调节焦距，从而控制焦面的数量和位置，具有较高的灵活性。
在一种可能的实现方式中，所述方法包括：将所述焦距调节器划分为多个成像区域，不同的成像区域对应不同的第二焦面。焦距调节器的成像区域可以通过软件划分，支持任意边界形状，灵活性高。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：在所述不同的成像区域加载不同的相位信息。在不同的成像区域加载不同的相位信息，可以实现不同焦面的图像分区显示。
在一种可能的实现方式中，图像生成单元包括光源，分光器用于对所述光源产生的光束进行分光。可以基于图像生成单元的光路升级改造，实现简单。
在一种可能的实现方式中，所述第二焦面包括两个焦面时，所述方法包括：将其中一个第二焦面的位置固定，调节另一个第二焦面的位置。当第二焦面包括多个焦面时，可以任意调节任意一个或多个焦面的位置，从而构造可调的双焦面或多焦面。
在一种可能的实现方式中，所述焦距调节器加载的相位信息包括菲涅尔透镜的相位分布或泽尼克透镜的相位分布。通过改变焦距调节器上加载的菲涅尔透镜或泽尼克透镜的相位分布图案，可以改变等效透镜的焦距，从而控制多焦图像生成装置产生连续的多个焦面。
在一种可能的实现方式中，所述焦距调节器为空间光调制器。该空间光调制器可以为相位型空间光调制器，可以基于液晶或微机电系统实现。
第三方面，本申请提供了一种抬头显示装置，其特征在于，所述抬头显示装置包括如第一方面或第一方面中任意一种可能的实现方式中的所述的多焦图像生成装置和成像组件，所述多焦图像生成装置，用于生成多个第一图像，所述多焦图像生成装置具有多个焦面，其中，不同的焦面对应所述多个第一图像中的不同图像；所述成像组件，用于对所述多个第一图像进行成像，生成第二图像，以供人眼接收。
本申请的技术方案，除了用于抬头显示装置外，还可以应用于平板玻璃显示、投影仪等显示装置中。通过多焦图像单元产生连续可调的焦面，可以使不同的信息在不同的成像面呈现，提升了用户体验。
第四方面，本申请提供了一种驾驶设备，包括：驾驶室、安装在驾驶室上的风挡玻璃、如第三方面所述的抬头显示装置，所述抬头显示装置安装在所述驾驶室内，所述风挡玻璃将所述抬头显示装置产生的第二图像进行反射成像。
本申请的技术方案，可以解决车载抬头显示的多焦面成像技术问题，用户在驾驶过程中不需要频繁调整焦点，提高了用户体验。
附图说明
图1为一种HUD的显示界面示意图；
图2为本申请提供的一种多焦图像生成装置的结构示意图；
图3a-3c为本申请提供的三种多焦图像生成装置的结构示意图；
图4a为本申请提供的一种多焦面图像生成装置的结构示意图；
图4b为本申请提供的另一种多焦面图像生成装置的结构示意图；
图5a、5b为本申请提供的菲涅尔透镜相位分布图；
图6a、6b为本申请提供的双焦面成像示意图；
图7a-7d为本申请提供的四种空间光调制器成像区域的划分方式示意图；
图8为本申请提供的一种成像面区域划分方式示意图；
图9为本申请提供的一种HUD的结构示意图。
具体实施方式
本申请实施例涉及一种多焦图像生成装置、抬头显示装置及相关方法，下面结合附图进行详细描述。
图2为本申请提供的一种多焦图像生成装置的结构示意图。如图2所示，多焦成像装置包括光源201、成像组件202，分光器203以及焦距调节器204。其中，光源201用于产生带有图像信号的光束。成像组件202可以包括透镜、透镜组等，对光源201产生的光束进行成像，产生多焦图像生成装置的焦面1。分光器203从光源201分出部分光束，分出的光束经过焦距调节器203进行焦距调节，使得多焦图像生成装置具有不同的焦面(焦面2，焦面3，…，焦面N)，并且该多个焦面可以连续可调。焦距调节器203可以为空间光调制器(Spatiallight modulator，SLM)，通过SLM加载任意相位分布的全息相位图，可以改变焦面的位置。此外，还可以改变SLM的光场振幅、偏振态等改变焦面的位置。本申请的多焦图像生成装置，在无需改变光路中成像组件的物理位置的情况下可以实现任意焦距的连续可调，从而产生连续可变的成像面。本申请所说的“焦面”和“成像面”可以指代同一空间位置，即光束成像的位置。SLM的焦距变化时，焦面或成像面也会随之变化。
图3a-3c为本申请提供的三种多焦图像生成装置的结构示意图。如图3a所示，基于图2的例子，光源可以采用单色光源301，成像组件可以为透镜或透镜组302，焦距调节器可以采用相位型空间光调制器304。透镜或透镜组302对单色光源301产生的光束进行成像，产生焦面1。通过相位型空间光调制器304对分光器303从光源分出的光束进行焦距调节，可以产生连续的多个焦面(焦面2，焦面3，…,焦面N)。
如图3b所示，和图3a的区别在于，光源可以采用R、G、B三色光源301。如果焦距调节器为单个相位型空间光调制器304，该相位型空间光调制器304可以和R、G、B三色光源301进行分时复用，例如，相位型空间光调制器304在第1秒对R光源进行焦距调节，在第2秒对G光源进行焦距调节，在第3秒对B光源进行焦距调节。相位型空间光调制器304同一个时刻对R、G、B的任一单色光源进行焦距调节，产生连续的多个焦面(焦面2，焦面3，…,焦面N)。
如图3c所示，和图3a的区别在于，光源可以采用R、G、B三色光源301。如果焦距调节器采用三个相位型空间光调制器304，每个相位型空间光调制器304可以分别对R、G、B中的一个光源进行焦距调节。相位型空间光调制器1对R光源控进行焦距调节，相位型空间光调制器2对G光源进行焦距调节，相位型空间光调制器3对B光源进行焦距调节。R、G、B光源发出的光束经过相位型空间光调制器304处理后，可以通过合束器305进行合束，形成连续的多个焦面(焦面2，焦面3，…,焦面N)。
本申请的实施例，可以基于图像生成单元(pattern generation unit，PGU)光路改造升级，实现简单。空间光调制器通过焦距调节控制焦面的数量和位置，具有较高的灵活性。
图4a为本申请提供的一种多焦面图像生成装置的结构示意图。如图4a所示，该多焦面图像生成装置可以包括PGU模组410、空间光调制器420和分光器430。可选的，多焦图像生成装置的不同焦面处可以设置成像屏440、成像屏450，比如，成像屏440位于焦面1，成像屏450位于焦面2。其中，PGU模组410可以包括振幅成像单元411和成像组件412，振幅成像单元411可以包括单色或复色光源，例如，图4a中示出了R、G、B三色光源。成像组件412可以包括透镜或透镜组。空间光调制器420可以基于微机电系统(Microelectromechanicalsystems，MEMS)或基于液晶实现，例如，硅基液晶(liquid crystal on silicon，LCoS)是一种基于液晶实现的空间光调制器。一个光路上，成像组件412用于对振幅成像单元411产生的光束成像于成像屏440。另一光路上，分光器430将R、G、B光源的任意一个或多个光源进行分光，图4a中示出了对G光源进行分光。此外，还可以采用分时复用的方式对R、G、B三色光源进行分光。可选的，为了降低分光器430分出的光束的扩散损耗，可以通过成像组件460对分光器430分出的光束准直后照射至空间光调制器420的表面。还可以在空间光调制器420的前方设置偏振片(图中未示出)，以使入射到空间光调制器表面的光束的偏振态对齐空间光调制器的配向层方向。成像组件460可以为透镜或透镜组。空间光调制器420可以采用透射或反射式，并且在空间光调制器420的表面加载相位分布，实现等效透镜的功能以汇聚光束，从而成像于成像屏450。通过调节空间光调制器420等效的透镜焦距，可以改变成像屏450的位置，从而使成像屏450的位置可以任意调节。成像屏450可以采用扩散屏、幕布、白纸等实现，设置于焦面(或成像面)的位置，用于接收焦面上的图像。
图4b为本申请提供的另一种多焦面图像生成装置的结构示意图。如图4b所示，和图4a的差别在于，空间光调制器420后面增加了成像屏470，成像屏450和成像屏470可以为两个独立的元件，也可以集成一体，但它们位于不同的空间位置。和成像屏450类似，成像屏470的位置也可以通过空间光调制器420等效的透镜焦距来调节。
本申请的实施例，通过空间光调制器灵活调节焦距位置，可以实现任意焦距连续可调，并且实现任意数量、任意位置的焦面(或成像面)。
下面结合具体的例子介绍空间光调制器调节成像屏的位置的原理。图5a、5b为本申请提供的菲涅尔透镜相位分布图。当空间光调制器的表面分别加载如图5a、5b所示的两个不同焦距的菲涅尔透镜的相位分布时，即可形成两个不同焦面，即成像屏的位置可以调节到两个不同的焦面处。在空间光调制器的表面加载菲涅尔透镜的相位分布来控制光场，从而等效于透镜的功能。其中，菲涅尔相位的第m个环的半径rm＝(2mfλ)1/2，其中λ为入射光的波长，f为第m个环的相位下等效的透镜焦距。可见，空间光调制器通过加载不同的相位分布，可以实现不同焦距的透镜功能，从而调节焦面及成像屏的位置。
图6a、6b为本申请提供的双焦面成像示意图。在实际应用中，可以固定其中一个焦面，任意调节菲涅尔透镜的焦距以构造可调的双焦面。图6a示出了字母A和字母B在不同焦面时产生的图像，字母A相对于字母B较为清晰，此时，想要同时清晰地观察到字母A和字母B，可以将它们分别成像于不同的成像屏(如成像屏450和470)上。图6b示出了字母A和字母B在相同焦面时的图像，字母A和字母B的清晰度大致相同，此时，可以在同一个成像屏(如成像屏450)同时清晰地观察到字母A和字母B。
空间光调制器的表面还可以划分为若干个成像区域，在不同的成像区域上加载不同相位分布，从而形成不同的焦面。图7a-7d为本申请提供的四种空间光调制器成像区域的划分方式示意图。可以通过软件配置的方式，将空间光调制器的成像区域划分为任意数量、任意形状、任意焦距的多个成像区域。成像区域的数量、形状、焦距可以由汽车行驶过程中的环境因素(如汽车、行人、道路状况等)来确定，从而实现不同的信息在不同的焦面成像。如图7a所示，空间调制器的表面划分为两个矩形区域。如图7b所示，空间光调制器的表面划分为三个矩形区域。如图7c所示，空间光调制器的表面划分为两个不规则的区域。如图7d所示，空间光调制器的表面划分为三个不规则的区域。除了图7a-7d所示的划分方式，还可也划分为方形、扇形、三角形、圆形、多边形等N个成像区域。空间光调制器的表面加载灰度0-255(对应0-2π相位深度)的图案，每个成像区域可以加载不同焦距的透镜的相位分布。例如，在空间光调制器的各个成像区域加载泽尼克透镜的相位分布或菲涅尔透镜的相位分布，这些相位分布可以通过泽尼克函数、菲涅尔透镜函数等全息成像函数(实现。不同的区域产生不同的焦面，每个焦面的成像可以为2D图像。空间光调制器的区域可以通过软件划分，支持任意边界形状，灵活性高。
图8为本申请提供的一种成像面区域划分方式示意图。如图8所示，在人眼前方的空间位置上，可以划分为多个成像面区域，不同的成像面区域可以位于不同的空间位置。通过类似图7a-7d所示对空间光调制器表面区域进行划分，并在不同的区域加载不同的相位分布，从而使产生不同的成像面(或焦面)。例如，仪表盘801、802成像于人眼前方30-40cm处，导航信息803成像于人眼前方2-3米处，地图804成像成像于人眼前方3-5米处，提示信息(如天气、周边的建筑物等)805成像于人眼前方5-10米处。通过对空间光调制器表面进行区域划分，并在不同的区域加载不同的相位分布，从而实现不同焦面的图像分区显示。
本申请的实施例中，空间光调制器通过分区的方式加载不同的相位信息从而控制焦面的数量和位置，具有较高的灵活性，实现任意数量、任意位置的焦面(或成像面)。
本申请实施例图中的多焦成像装置可以应用于HUD、投影仪、平板玻璃显示等显示设备中。以HUD为例进行说明，图9为本申请提供的一种HUD的结构示意图。如图9所示，HUD可以包括前述任一实施例中的多焦图像生成装置901和成像屏902。其中，多焦图像生成装置901具有多个焦面，用于生成多幅图像，并且不同的图像成像于不同的焦面上。成像屏902可以包括扩散屏、幕布、白纸等。成像屏902设置于焦面的位置处，用于接收图像生成装置901生成的不同焦面上的图像。可以通过一个成像屏接收不同焦面上的图像，还可以通过多个成像屏分别接收多个焦面上的图像(一个成像屏对应一个焦面)。可选的，成像屏902之后还可以设置光路折叠镜、反射镜等光学元件，用于将成像屏上成像面反射的光束投射至挡风玻璃903上，从而使挡风玻璃上形成的虚像(或图像)904、905被人眼906接收。其中，多焦图像生成装置901的焦距的可以连续调节，从而在同一个成像屏的不同位置或不同位置处的多个成像屏上产生不同的成像面，最后人眼观察到不同距离的图像。
本申请的提供的HUD可以用于汽车、公交车、飞机等驾驶设备中，还可以应用于多种AR显示场景。其中，当HUD应用于驾驶设备时，HUD可以安装于驾驶设备的驾驶室内，通过驾驶设备的风挡玻璃将HUD产生的图像反射至人眼处。
将本申请实施例的多焦图像装置应用于HUD，可以使HUD的焦距连续可调，不同的信息在不同的成像面上呈现，用户在驾驶过程中不需要频繁调整焦点，提高了用户体验。
在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上，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以权利要求的保护范围为准。

Claims (27)

1.一种图像生成装置，其特征在于，所述装置包括图像生成单元、分光器和焦距调节器，
所述图像生成单元，用于产生所述图像生成装置的第一焦面；
所述分光器，用于对所述图像生成单元进行分光，并将分光得到的光束照射至所述焦距调节器表面；
所述焦距调节器，用于对照射至所述焦距调节器表面的光束进行焦距调节。
2.如权利要求1所述的图像生成装置，其特征在于，所述焦距调节器用于产生所述图像生成装置的第二焦面。
3.如权利要求2所述的图像生成装置，其特征在于，所述焦距调节器通过加载不同的相位信息，使得所述图像生成装置产生多个第二焦面，其中，不同的相位信息对应不同的第二焦面。
4.如权利要求3所述的图像生成装置，其特征在于，所述多个第二焦面为连续的多个焦面。
5.如权利要求3或4所述的图像生成装置，其特征在于，所述焦距调节器包括多个成像区域，不同的成像区域对应不同的第二焦面。
6.如权利要求5所述的图像生成装置，其特征在于，所述不同的成像区域加载的相位信息不同。
7.如权利要求5或6所述的图像生成装置，其特征在于，所述多个成像区域的数量、形状、焦距中的至少一种可动态配置。
8.如权要求1-7任一所述的图像生成装置，其特征在于，所述图像生成单元包括光源，所述分光器用于对所述光源产生的光束进行分光。
9.如权要求8所述的图像生成装置，其特征在于，所述光源为复色光源，所述焦距调节器通过时分复用的方式对所述复色光源中的不同颜色的光源进行焦距调节。
10.如权利要求2-7任一所述的图像生成装置，其特征在于，所述第二焦面包括两个焦面时，其中一个第二焦面的位置固定，另一个第二焦面的位置可调。
11.如权利要求3-7任一所述的图像生成装置，其特征在于，所述焦距调节器加载的相位信息包括菲涅尔透镜的相位分布或泽尼克透镜的相位分布。
12.如权利要求1-11任一所述的图像生成装置，其特征在于，所述焦距调节器为空间光调制器。
13.一种图像生成的方法，其特征在于，所述方法包括：
通过图像生成单元产生第一焦面；
通过分光器对所述图像生成单元进行分光，并将分光得到的光束照射至焦距调节器表面；
通过所述焦距调节器对照射至所述焦距调节器表面的光束进行焦距调节。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，通过所述焦距调节器产生所述图像生成装置的第二焦面。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述通过所述焦距调节器产生所述图像生成装置的第二焦面包括：
在所述焦距调节器上加载不同的相位信息，产生多个第二焦面，其中，不同的相位信息对应不同的第二焦面。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述多个第二焦面为连续的多个焦面。
17.如权利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
将所述焦距调节器划分为多个成像区域，不同的成像区域对应不同的第二焦面。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述不同的成像区域加载不同的相位信息。
19.如权利要求17或18所述的方法，其特征在于，所述多个成像区域的数量、形状、焦距中的至少一种可动态配置。
20.如权利要求13-19任一所述的方法，其特征在于，所述图像生成单元包括光源，通过所述分光器对所述光源产生的光束进行分光。
21.如权要求20所述的方法，其特征在于，所述光源为复色光源，通过所述焦距调节器以时分复用的方式对所述复色光源中的不同颜色的光源进行焦距调节。
22.如权利要求14-19任一所述的方法，其特征在于，所述第二焦面包括两个焦面时，所述方法包括：
将其中一个第二焦面的位置固定，调节另一个第二焦面的位置。
23.如权利要求15-19任一所述的方法，其特征在于，所述焦距调节器加载的相位信息包括菲涅尔透镜的相位分布或泽尼克透镜的相位分布。
24.如权利要求13-23任一所述的方法，其特征在于，所述焦距调节器为空间光调制器。
25.一种显示装置，其特征在于，所述显示装置包括如权利要求1-12任一所述的图像生成装置和成像组件，
所述图像生成装置，用于生成第一图像；
所述成像组件，用于对所述第一图像进行成像，生成第二图像。
26.如权利要求25所述的显示装置，其特征在于，所述显示装置还包括成像屏，所述成像屏设置于所述图像生成装置的焦面处。
27.一种驾驶设备，包括：驾驶室、安装在驾驶室上的风挡玻璃、如权利要求25或26所述的显示装置，所述显示装置安装在所述驾驶室内，所述风挡玻璃将所述显示装置产生的第二图像进行反射成像。
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