CN114706220A - 一种车载全息显示装置 - Google Patents

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吕国强
张旭
庞煜剑
王梓
陈涛
屠科锋
冯奇斌
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Abstract

本发明提供一种车载全息显示装置，图像投射装置，其用于产生实像，并生成激光光束；至少一个处理模块，是位于所述图像投射装置一侧，其包括分光单元，所述分光单元用于将所述激光光束进行分光处理，并生成第一光路以及第二光路；反射单元，是位于所述处理模块一侧，并接收所述第一光路；以及成像透镜，是位于所述第一光路和所述第二光路的传播路径上，且所述成像透镜将实像转换为放大虚像；其中所述第一光路和所述第二光路的光程的长度相同，且所述第一光路和所述第二光路包含相同的波前信息。本发明可有效改善现有的抬头显示器可视范围小的问题。

Description

一种车载全息显示装置
技术领域
本发明涉及一种显示装置，具体涉及一种车载全息显示装置。
背景技术
车载抬头显示器一般是利用显示屏幕或投影到散射屏幕上的方式产生图像源，图像源安装在仪表台上，其图像出射的光线方向向上，通过上方一块倾斜的半透明反射镜反射至人眼，形成虚像，达到汽车信息漂浮在驾驶员眼前的显示效果。在实际驾驶过程中，不同路况情况下，驾驶员观察道路距离通常随着车速增加而增加。此时由于虚像距离与外界环境物体距离通常不一致，驾驶员在驾驶过程中双眼需要来回变焦才能看清虚像与道路情况。
发明内容
鉴于以上现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种车载全息显示装置，以改善抬头显示器显示范围较小的问题。
为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供一种车载全息显示装置，包括：
图像投射装置，其用于产生实像，并生成激光光束；
至少一个处理模块，是位于所述图像投射装置一侧，其包括分光单元，所述分光单元用于将所述激光光束进行分光处理，并生成第一光路以及第二光路；
反射单元，是位于所述处理模块一侧，并接收所述第一光路；以及
成像透镜，是位于所述第一光路和所述第二光路的传播路径上，且所述成像透镜将实像转换为放大虚像；
其中，所述第一光路和所述第二光路的光程的长度相同，以及所述第一光路和所述第二光路包含相同的波前信息。
在本发明一实施例中，所述图像投射装置包括：光源、散斑衰减器、准直器以及空间光调制器，其中所述光源、所述散斑衰减器、所述准直器以及所述空间光调制器之间是依次排列。
在本发明一实施例中，所述分光单元包括多个分光镜，且所述分光镜为半透镜。
在本发明一实施例中，所述分光镜包括：
第一分光镜，是位于所述激光光束的传播路径上，以及
第二分光镜，是位于所述激光光束的传播路径上，且所述第二分光镜与所述第一分光镜之间的夹角呈45度。
在本发明一实施例中，所述反射单元包括反光镜，其位于所述第一分光镜的一侧，以及所述反光镜与所述第二分光镜沿着所述第一分光镜对称设置。
在本发明一实施例中，还包括散射片，所述散射片是位于所述成像透镜的一侧，且所述光路从所述散射片中穿过。
在本发明一实施例中，所述成像透镜形成的放大虚像成像于挡风玻璃外侧。
在本发明一实施例中，所述挡风玻璃上成像的放大虚像的区域为眼盒区域，所述眼盒区域的大小为Ed，表示为
Figure BDA0003557198510000021
其中，k表征放大系数，f表征所述成像透镜的焦距，p表征所述空间光调制器的像素间距，N表征所述空间光调制器在一维方向像的素数。
在本发明一实施例中，所述成像透镜、空间光调制器以及眼盒区域之间的位置关系为
Figure BDA0003557198510000022
其中，f表征所述成像透镜的焦距，u表征所述空间光调制器与所述成像透镜之间的距离，v表征所述眼盒区域与所述成像透镜之间的距离。
在本发明一实施例中，所述处理模块还包括延长单元，所述延长单元包括多个反射镜，且所述反射镜是位于所述第二光路的传播路径上。
综上所述，本发明公开了一种车载全息显示装置，其可以在任意深度重建图像，以及通过处理模块使得波前信息被分为相同的两路，由于两个分路之间的间距与眼盒范围相同，因此在分光后可以在相邻位置产生两个相同的眼盒范围，使得总的眼盒范围被放大为原来的两倍，进而提高实际的观测效果。同时，通过增加所述处理模块的数量实现对眼盒范围的拓展，进而扩大人眼的可视范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种车载全息显示装置于一实施例中的结构示意图；
图2为本发明一种车载全息显示装置于一实施例中的多个处理模块的结构示意图；
图3为本发明一种车载全息显示装置于一实施例中延长单元的结构示意图；
图4为本发明一种车载全息显示装置于一实施例中延长单元的结构示意图。
元件标号说明
100、图像投射装置；101、光源；102、散斑衰减器；103、准直器；104、空间光调制器；
200、处理模块；201、第一分光镜；202、第二分光镜；203、第一光路；204、第二光路；
300、反光镜；301、第一平面镜；302、第二平面镜；
400、散射片；
500、成像透镜；
600、挡风玻璃；
700、眼盒范围；
800、实像、801、放大虚像；
901、第一反射镜；902、第二反射镜；903、第三反射镜；904、第四反射镜。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
请参阅图1至图4。须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
请参阅图1，本发明提供一种车载全息显示装置，其可以记录实现重建的完整的光场信息，以提供人眼所需求的全部深度的图像信息。所述车载全息显示装置可以在任意深度重建图像，即车载全息显示装置所产生的虚像与外界环境物体之间距离可进行任意深度的调节。其中，所述车载全息显示装置是设置在车辆的仪表台中，其产生的全息再现图像通过挡风玻璃反射至人眼，并形成虚像。需要注意的是，这里所述的“车辆”是指设置有所述车载全息显示装置的车辆。所述全息再现图像是利用全息技术对物体进行再现而得到的物体的三维立体图像，且在眼盒区域能够看到所述三维立体图像，而在其他区域均不能看到所述三维立体图像或看到的所述三维立体图像比较模糊。因此，当人眼位于眼盒区域时，所述全息增强实现平视显示器所产生的图像信息可进入人眼内，即可观测到所述车载全息显示装置产生的图像信息。其中，所述眼盒区域表征一个可视范围，即眼盒范围700。进而可允许通过增大所述眼盒范围700，以提高对于所述车载全息显示装置产生的图像信息的可视化效果。
请参阅图1所示，在一实施例中，所述车载全息显示装置可以包括图像投射装置100、处理模块200、反射模块以及成像透镜500。其中，所述图像投射装置100用于产生图像信息，以及所述处理模块200、反射模块以及成像透镜500是依次位于所述图像信息的光路传播的路径上。
请参阅图1所示，在一实施例中，所述图像投射装置100是位于所述图像投射装置100的一侧，以便于所述图像投射装置100所产生的图像信息进入所述处理模块200内。其中，所述图像投射装置100可以包括光源101、散斑衰减器102、准直器103和空间光调制器104，且所述光源101、散斑衰减器102、准直器103和空间光调制器104是依次排列。具体的，所述光源101可以是RGB三色激光光源或RGB三色LED光源，并需要具有相干性或者部分相干性。因此，通过所述光源101可用于产生激光光束。所述散斑衰减器102是位于所述光源101一侧，且所述激光光束可进入所述散斑衰减器102内。当所述激光光束进入所述散斑衰减器102以后，所述散斑衰减器102可允许通过动态扩散激光光束，以消除激光系统中的本地干扰和大幅减少散斑噪声。其中，所述准直器103是位于所述空间光调制器104以及所述散斑衰减器102之间，因此所述准直器103可用于将经过所述散斑衰减器102处理后的发散光束准直，并入射到空间光调制器104上。需要注意的，所述空间光调制器104是一种用于调制光束振幅或者相位或者复振幅的装置，以在空间中任意深度生成全息图像的装置。其中，所述的空间光调制器104可以包括数字微镜器件、液晶显示器、振幅型硅基液晶和相位型硅基液晶中的一种，或者是其器件之间的组合，然不限于此，可允许根据实际情况进行确定。因此，通过所述空间光调制器104，可实现所述全息增强实现平视显示器所产生的虚像进行位置的调节。
请参阅图1所示，在一实施例中，所述处理模块200是位于所述图像投射装置100的一侧，以及所述图像投射装置所产生的激光光束可允许进入所述处理模块200。因此，当所述激光光束进入所述处理模块200以后，所述处理模块200对所述激光光束进行处理。具体来说，所述处理模块200可允许将所述激光光束进行分路处理和延长处理，其中所述分路处理表征将所述激光光束分为多条光路，且多条所述光路中包含的波前信息相同，以及所述延长处理表征对某些光路进行延长处理，以保证多条所述光路的路径长度相同。
请参阅图1所示，在一实施例中，所述处理模块200可允许将所述激光光束分为两条光路，两条所述光路可以包括第一光路203和第二光路204，以及所述第一光路203和所述第二光路204中所包含相同的波前信息。其中，所述眼盒区域表征一个可视范围，即眼盒范围700。所述处理模块200包括多个分光镜，其中所述分光镜可以包括第一分光镜201以及第二分光镜202。其中，需要注意的是，所述分光镜是允许采用半透镜，以及所述第一分光镜201与所述空间光调制器104平行，且所述第二分光镜202是与所述空间光调制器104呈45°夹角。其中，所述第二分光镜202是位于所述第一分光镜201与所述空间光调制器104之间。因此，当所述激光光束从所述空间光调制器104中射出后，所述激光光束穿过所述第二分光镜202，然后垂直照射在所述第一分光镜201上。由于所述第一分光镜201是半透镜，因此部分所述激光光束穿过所述第一分光镜201，以构成第一光路203，以及部分所述激光光束沿着所述激光光束的原路方向返回，并照射在所述第二分光镜202上。其中，由于所述第二分光镜202是与所述空间光调制器104呈45°夹角，因此部分所述激光光束与所述第二分光镜202镜面的法向方向呈45°，并照射在所述第二分光镜202上，且所述第二分光镜202将所述激光管光束反射后，以构成第二光路204。其中，通过将所述激光光束分光成第一光路203以及第二光路204，以实现对所述激光光束的分光处理。所述激光光束在所述第一分光镜201以及所述第二分光镜202之间反射过程中，可实现对部分激光光束的光路进行延长处理。因此，通过对所述第二光路204进行延长处理，可保证所述第一光路203以及所述第二光路204达到人眼时候的光程一致，并使得不同分路的全息再现图像可以重建在与人眼相同距离的同一平面上。因此，在本实施例中，通过对所述激光光束进行延长，以及对所述激光光路进行分光处理，可简化其光路结构。
请参阅图1所示，在一实施例中，所述反射模块是位于所述处理模块200的一侧，且所述反射模块是用于对所述第一光路203进行反射处理，以改变所述第一光路203的方向。其中，所述反射模块可以包括反光镜300，且所述反光镜300是位于所述处理模块200的一侧。具体来说，所述第一分光镜201是位于所述反光镜300和所述第二分光镜202之间，且所述反光镜300和所述第二分光镜202可允许相对所述第一分光镜201呈对称设置。因此，所述第一光路203与所述反光镜300镜面的法向方向呈45°，并照射在所述反光镜300上，且所述反光镜300将所述第一光路203反射后，使得所述第一光路203和所述第二光路204处于平行状态。
请参阅图1所示，在一实施例中，所述车载全息显示装置还包括成像透镜500，以及所述成像透镜500是位于所述第一光路203和所述第二光路204的传播路径上。其中，所述成像透镜500可允许采用菲涅尔透镜，或者全息光学元件透镜，然不限于此，所述成像透镜500可根据实际需求进行确定。具体的，当所述成像透镜500为全息光学元件透镜时候，所述全息光学元件透镜是依附在挡光板上。因此，通过所述成像透镜500，将所述空间光调制器104所产生的全息实像成像为再现像，即放大虚像801。
需要注意的是，请参阅图1所示，所述第一分光镜201与所述第二分光镜202之间的距离，以及所述第一分光镜201与反光镜300之间的距离相同，且可定义为u2。所述第一分光镜201与所述空间光调制器104之间的距离可以定义为u1，所述反光镜300与所述成像透镜500之间的距离可以定义为u3，以及所述激光光束在所述空间光调制器104与所述成像透镜500之间平均的光路距离可以定义为u。在一实施例中，u＝u1+u2+u3。
请参阅图1所示，在一实施例中，所述车载全息显示装置还包括多个散射片400，所述散射片400是位于成像透镜500的一侧。其中，所述散射片400的实际数量与所述光路的数量保持一致，且所述散射片400是位于所述光路传播路径上。在一实施例中，所述散射片400可以设置有两组，一组所述散射片400是位于所述反光镜300与所述成像透镜500之间，以及另一组所述散射片400是位于所述成像透镜500与所述处理模块200之间，其中两组所述散射片400与所述成像透镜500之间的距离相同。因此，通过所述散射片400可用于扩展眼盒范围700的大小，并提升全息图像的再现像的显示质量。其中，所述散射片400通常采用全息散射屏、聚合物分散液晶、随机相位散射片400、超表面、以及光子筛等，然不限于此，可根据实际需求进行确定。
具体的，所述成像透镜500所产生的虚像可允许成像在挡风玻璃600的外侧，以及所述虚像相较于所述挡风玻璃600，其深度位置可允许进行调解。因此，当所述成像透镜500所产生的虚像进入眼盒区域后，人眼可对所述图像现实装置所产生的虚像进行观测。
请参阅图1所示，在一实施例中，所述图像投射装置100用于重建全息波前，以生成任意深度的重建图像。其中，所述图像投射装置100产生的波前被处理模块200分为具有相同信息的两束波前。其中所述处理模块200还允许对波前进行延长，以保证两路波前在同一深度平面重建图像，进而使得所述图像投射装置100产生图像在两个光路中距离所述成像透镜500的位置相同。
具体来说，在一实施例中，对于每一路的光路而言，其衍射角大小为
Figure BDA0003557198510000061
其中，所述p表征所述空间光调制器104的像素间距，所述λ表征激光光束波长。所述成像透镜500、空间光调制器104以及眼盒范围700之间的位置关系满足
Figure BDA0003557198510000071
其中，f表征所述成像透镜500的焦距，u表征空间光调制器104与所述成像透镜500之间的距离，v表征所述眼盒范围700与所述成像透镜500之间的距离。
需要注意的是，在定义u>f时，所述空间光调制器104在所述成像透镜500的后方形成实像800。因此，当所述空间光调制器104与透镜之间的距离u，以及所述成像透镜500焦距f确定时，可确定所述眼盒区域700与所述成像透镜500之间的距离
Figure BDA0003557198510000072
此时v>0,因此所述眼盒与所述空间光调制器104是分别位于所述成像透镜500的两侧。其中，所述眼盒范围700为
Figure BDA0003557198510000073
所述N表征所述空间光调制器104在一维方向像的素数。
具体的，当所述图像投射装置100所产生的全息图像是位于所述成像透镜500一侧d处时候，则重建图像的位置是处于u-d处，且所述图像投射装置100所产生的实像800大小为
Figure BDA0003557198510000074
其中，当所述实像800与所述成像透镜500之间满足条件d<f时，则所述实像800呈放大虚像801，且所述放大虚像801是位于
Figure BDA0003557198510000075
处。由于所述
Figure BDA0003557198510000076
为负值，则所述放大虚像801是与所述实像800位于透镜的同一侧，且所述放大虚像801的尺寸为
Figure BDA0003557198510000077
因此，可允许通过设置所述散射片400，以扩展眼盒范围700的大小。具体的，扩展后的眼盒范围700包括
Figure BDA0003557198510000078
其中，k表征放大系数，然而需要注意的是，所述散射片400的散射角度应当大于衍射角，以增加整体的光学拓展量。
综上所述，在所述处理模块200的作用下，可允许将波前信息被分为相同两路，即第一光路203和第二光路204。其中，所述第一光路203和所述第二光路204之间的间距为Ed，以及在一实施例中可允许所述间距Ed与散射片400扩展后的眼盒范围700相同。因此，通过所述处理模块200，使得所述第一光路203和所述第二光路204可以在相邻位置产生两个相同的眼盒范围700。进而眼盒范围700被放大为原来的两倍大小，以及最终的眼盒范围700为
Figure BDA0003557198510000079
需要注意的是，请参阅图2所示，在一实施例中，所述全息增强实现平视显示器还允许具备一定拓展性能，可以通过所述拓展性能以提高所述眼盒范围700的大小。具体来说，所述拓展性能表征在所述车载全息显示装置内，可允许设置有多个处理模块200，并且通过所述处理模块200对光路进行分光和延长处理，进而形成多条光路。因此，每条光路中所涵盖的信息相同，且每条光路可形成一个显示图像。作为示例，从所述空间光调制器104中射出的光束，经过多个处理模块200以后，所述光束被分为m路。因此，最终的眼盒范围700相较于初始的眼盒范围700，扩展了m倍，即
Figure BDA0003557198510000081
请参阅图3所示，在一实施例中，所述处理模块200还可以包括分光单元以及延长单元，且所述分光单元和所述延长单元是分体式结构，即所述延长单元是位于某一光路上，以实现对该路所述光路的延长。具体来说，所述分光单元包括分光镜，且所述分光镜是位于所述空间光调制器104的一侧，以用于将所述的空间光调制器104中发射的激光光束进行分光处理，进而得到至少两条光路。其中，所述延长单元可以包括多组反射镜，且所述反射镜是位于所述第二光路的传播路径上。通过所述第二光路在多组反射镜之间折返，以实现所述第二光路的延长。需要注意的是，对于多组所述反射镜之间具体排列方式，可根据实际需求进行确定。作为示例，在一实施例中，所述反射镜可以设置四组，包括第一反射镜901、第二反射镜902、第三反射镜903以及第四反射镜904。其中，所述第一反射镜901与所述第二反射镜902之间是平行设置，且所述第一反射镜901的反射面与所述第二反射镜902的反射面之间是对立设置。所述第三反射镜903与所述第四反射镜904之间是平行设置，且所述第三反射镜903的反射面与所述第四反射镜904的反射面之间是对立设置。其中，所述第二反射镜902与所述第三反射镜903之间是垂直设置，因此光路依次穿过所述第一反射镜901、第二反射镜902、第三反射镜903以及第四反射镜904，以提高所述光程。
或者，请参阅图4所示，所述延长单元可以包括分光镜以及多组平面镜。在一实施例中，所述平面镜设置有两组，且所述平面镜可以包括第一平面镜301和第二平面镜302。所述第一平面镜301和所述第二平面镜302之间是垂直设置，以及所述分光镜是位于所述第一平面镜301和所述第二平面镜302之间。因此，当光束经过所述分光镜以后，其中一部分光束被反射后，传播至所述第一平面镜301。所述第一平面镜301将所述光束反射，并透过所述分光镜继续传播。另一部分所述光束透过分光镜，被所述第二平面镜302反射后，被分光镜反射，并继续传播。因此，两束光在折返的过程中，进一步增加光程。
综上所述，本发明公开了一种车载全息显示装置，全息显示可以记录实现重建的完整光场信息，并且在任意深度重建图像。以及通过处理模块使得波前信息被分为相同的两路，由于两个分路之间的间距与眼盒范围相同，因此在分光后可以在相邻位置产生两个相同的眼盒范围，使得总的眼盒范围被放大为原来的两倍，进而提高实际的观测效果。同时，通过增加所述处理模块的数量实现对眼盒范围的拓展，进而扩大人眼的可视范围。所以，本发明有效克服了现有技术中的一些实际问题从而有很高的利用价值和使用意义。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种车载全息显示装置，其特征在于，包括：
图像投射装置，其用于产生实像，并生成激光光束；
至少一个处理模块，是位于所述图像投射装置一侧，其包括分光单元，所述分光单元用于将所述激光光束进行分光处理，并生成第一光路以及第二光路；
反射单元，是位于所述处理模块一侧，并接收所述第一光路；以及
成像透镜，是位于所述第一光路和所述第二光路的传播路径上，且所述成像透镜将实像转换为放大虚像；
其中，所述第一光路和所述第二光路的光程的长度相同，且所述第一光路和所述第二光路包含相同的波前信息。
2.根据权利要求1所述的车载全息显示装置，其特征在于，所述图像投射装置包括：光源、散斑衰减器、准直器以及空间光调制器，其中所述光源、所述散斑衰减器、所述准直器以及所述空间光调制器之间是依次排列。
3.根据权利要求1所述的车载全息显示装置，其特征在于，所述分光单元包括多个分光镜，且所述分光镜为半透镜。
4.根据权利要求3所述的车载全息显示装置，其特征在于，所述分光镜包括：
第一分光镜，是位于所述激光光束的传播路径上，以及
第二分光镜，是位于所述激光光束的传播路径上，且所述第二分光镜与所述第一分光镜之间的夹角呈45度。
5.根据权利要求4所述的车载全息显示装置，其特征在于，所述反射单元包括反光镜，其位于所述第一分光镜的一侧，且所述反光镜与所述第二分光镜沿着所述第一分光镜对称设置。
6.根据权利要求1所述的车载全息显示装置，其特征在于，还包括散射片，所述散射片是位于所述成像透镜的一侧，且所述光路从所述散射片中穿过。
7.根据权利要求2所述的车载全息显示装置，其特征在于，所述成像透镜形成的放大虚像成像于挡风玻璃外侧。
8.根据权利要求7所述的车载全息显示装置，其特征在于，所述挡风玻璃上成像的放大虚像的区域为眼盒区域，所述眼盒区域的大小为Ed，表示为：
Figure FDA0003557198500000021
其中，k表征放大系数，f表征所述成像透镜的焦距，p表征所述空间光调制器的像素间距，N表征所述空间光调制器在一维方向像的素数。
9.根据权利要求8所述的车载全息显示装置，其特征在于，所述成像透镜、空间光调制器以及眼盒区域之间的位置关系为
Figure FDA0003557198500000022
其中，f表征所述成像透镜的焦距，u表征所述空间光调制器与所述成像透镜之间的距离，v表征所述眼盒区域与所述成像透镜之间的距离。
10.根据权利要求1所述的车载全息显示装置，其特征在于，所述处理模块还包括延长单元，所述延长单元包括多个反射镜，且所述反射镜是位于所述第二光路的传播路径上。
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