CN114815241B - 抬头显示系统、方法及车载系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种抬头显示系统、方法及车载系统，抬头显示系统包括图像投射装置、光栅薄膜和控制器。光栅薄膜贴附于透光平面上。利用控制器控制图像投射装置的像素点的发光状态，以改变图像投射装置生成的投射图像相对于所述光栅薄膜的位置，进而调整投射图像经过光栅薄膜衍射后在所述透光平面外形成的衍射图像的成像深度。本申请有效简化了系统结构，减小了系统整体体积，增加了实用性，而且实现了成像距离深度可调，减少了驾驶员因眼镜聚焦的频繁改变而引起的安全隐患。

Description

抬头显示系统、方法及车载系统

技术领域

本申请实施例涉及显示技术领域，尤其涉及一种抬头显示系统、方法及车载系统。

背景技术

随着人工智能，5G通信的发展和成熟，实现高性能车载抬头显示(head updisplay，HUD)的条件和技术日益成熟。通过车载HUD系统，驾驶员无需低头即可在前方看到提示时间、速度、距离、道路线方位、导航，障碍物等信息，提升驾驶的交互性和安全性，是目前的一个热点技术问题。

当前HUD的主要设计方法为传统的显示系统设计方法，即数字微镜元件(DigitalMicromirror Device，DMD)、液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)等产生图像光，经过曲面反射成像系统，将图像光为人眼成像；或数字微镜元件(Digital MicromirrorDevice，DMD)、液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)等产生图像光，经过将曲面成像系统，将图像光投影于车的前挡风玻璃，通过挡风玻璃反射后进入人眼。使人眼看到前方位于一定深度的图像信息，而环境光可通过前挡风玻璃进入人眼，实现增显示的显示效果。

传统的曲面反射成像系统，要求图像远，自由曲面反射镜等光学器件以一定的方式进行组合，最终实现的光学显示系统体积比较庞大。在车载显示系统中，要装配如此体积大的光学系统，需要对汽车的操作台进行很大的改造，实现的难度很大和安全性问题比较突出，这也是目前车载HUD未能大规模普及的主要原因。

另一种实现车载HUD的方案是基于反射的原理，即，通过一个平板显示器，平放于汽车的前操作台上，其发出的图像光通过前挡风玻璃反射后进入人眼，或独立的通过一个半透半反镜进入人眼，该方案实现的HUD系统的体积小，但是实现较大面积的显示需要较大面积的平板显示器，并且成像距离满足反射条件，非常近，驾驶员在观看提示信息时仍需要额外的眼睛聚焦，增加了安全性的隐患。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种抬头显示系统、方法及车载系统。

本申请提供一种抬头显示系统，包括图像投射装置、光栅薄膜和控制器；

光栅薄膜贴附于透光平面上，图像投射装置用于生成投射图像，投射图像经过光栅薄膜衍射后在透光平面外形成特定成像深度的衍射图像；

控制器通过控制图像投射装置的像素点的发光状态，改变投射图像相对于光栅薄膜的位置，进而调整衍射图像的成像深度。

可选地，图像投射装置包括定向背光的平板显示器和微透镜阵列，平板显示器上的各像素点发出的图像光线通过微透镜阵列后生成投射图像，投射图像经过光栅薄膜衍射后在透光平面外形成特定成像深度的衍射图像；

控制器通过控制平板显示器上像素点的发光状态，改变投射图像相对于光栅薄膜的位置进而调整衍射图像的成像深度。

可选地，控制器通过控制平板显示器上像素点的发光角度，改变投射图像相对于光栅薄膜的位置进而调整衍射图像的成像深度。

可选地，控制器根据获取的投射图像的预设生成位置信息和投射图像的预存视场信息，控制平板显示器上像素点的发光角度。

可选地，图像投射装置的数量为多个，控制器对多个图像投射装置中的平板显示器上像素点的发光状态单独可控。

可选地，光栅薄膜的数量与图像投射装置的数量相对应，每一个图像投射装置生成投射图像对应投射至一个光栅薄膜，经过光栅薄膜衍射后在透光平面外形成特定成像深度的衍射图像。

基于相同的发明构思，本申请还提供一种抬头显示方法，抬头显示方法在上述任一项抬头显示系统中实现，包括：

将光栅薄膜贴附于透光平面上；

利用控制器控制图像投射装置的像素点的发光状态，以改变图像投射装置生成的投射图像相对于光栅薄膜的位置，进而调整投射图像经过光栅薄膜衍射后在透光平面外形成的衍射图像的成像深度。

可选地，图像投射装置包括定向背光的平板显示器和微透镜阵列，平板显示器上的各像素点发出的图像光线通过微透镜阵列后生成投射图像；

利用控制器控制图像投射装置的像素点的发光状态的步骤包括：

获取投射图像的预设生成位置信息；

根据投射图像的预设生成位置信息和预存视场信息，确定平板显示器上的各像素点的发光角度。

可选地，根据投射图像的预设生成位置信息和预存视场信息，确定平板显示器上的各像素点的发光角度的步骤包括：

根据投射图像的预设生成位置信息和预存视场信息，确定参与投射图像中每一个像点成像的微透镜阵列的坐标；

根据参与投射图像中每一个像点成像的微透镜阵列的坐标与相应像点的位置信息，确定平板显示器上的各像素点的发光角度。

基于相同的发明构思，本申请还提供一种车载系统，包括上述任一项抬头显示系统。

本申请实施例提供的一种抬头显示系统、方法及车载系统，抬头显示系统包括图像投射装置、光栅薄膜和控制器。光栅薄膜贴附于透光平面上。利用控制器控制图像投射装置的像素点的发光状态，以改变图像投射装置生成的投射图像相对于所述光栅薄膜的位置，进而调整投射图像经过光栅薄膜衍射后在所述透光平面外形成的衍射图像的成像深度。本申请改变图像投射装置生成的投射图像相对于所述光栅薄膜的位置，相当于改变图像源的位置。根据光栅薄膜的性质决定，图像源的位置改变，会导致经光栅薄膜衍射形成的衍射图像的成像深度发生改变。因此，本申请有效简化了系统结构，减小了系统整体体积，增加了实用性，而且实现了成像距离深度可调，减少了驾驶员因眼镜聚焦的频繁改变而引起的安全隐患。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请实施例提供的一种抬头显示系统的示意图；

图2为本申请实施例提供的一种制作HOE薄膜的曝光光路图；

图3为本申请实施例提供的一种抬头显示系统的结构示意图；

图4本申请实施例提供的一种确定投射图像的预存视场信息示意图；

图5为本申请实施例提供的一种确定平板显示器上的各像素点的发光角度示意图；

图6为本申请实施例提供的一种复现光源距离光栅记录材料的距离与拍摄时物光与光栅记录材料的距离相同时，在人眼中成像的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的一种复现光源距离光栅记录材料的距离小于拍摄时物光与光栅记录材料的距离时，在人眼中成像的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的一种复现光源距离光栅记录材料的距离大于拍摄时物光与光栅记录材料的距离时，在人眼中成像的结构示意图；

图9为本申请实施例提供的一种车载抬头显示系统的示意图。

主要元件附图标记说明

100、抬头显示系统；10、图像投射装置；11、平板显示器；12、微透镜阵列；13、投射图像；20、光栅薄膜；30、控制器；40、挡风玻璃；50操作台。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本申请实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本申请的技术方案。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本申请的保护范围之内。

HUD技术又称平视显示技术，近年来逐步在汽车领域、航空航天领域以及航海领域获得了越来越广泛地应用。例如，可以应用于车辆上，也可以应用于飞机、航天航空飞行器、轮船等其他交通工具上。为便于描述，在本申请中，均以车载HUD为例进行描述。但应理解，这并不能作为对本申请的限定。

请参见图1，本申请提供一种抬头显示系统100。抬头显示系统100包括图像投射装置10、光栅薄膜20和控制器30。

光栅薄膜20贴附于透光平面上。图像投射装置10用于生成投射图像13。投射图像13经过光栅薄膜20衍射后在透光平面外形成特定成像深度的衍射图像。控制器30通过控制图像投射装置10的像素点的发光状态，改变投射图像13相对于光栅薄膜20的位置，进而调整衍射图像的成像深度。

可以理解的是，在汽车中，上述透光平面可以为挡风玻璃40或挡风玻璃40附近的玻璃、反射镜等。又由于下文实施例中均以车载HUD为例，因而为便于描述，在本申请实施例中均将透光平面描述为挡风玻璃40。

可以理解的是，光栅薄膜20可以是全息光学薄膜(HOE膜)。光栅薄膜20也可以是衍射光学薄膜(DOE膜)。光栅薄膜20还可以是微纳光栅。光栅薄膜20可以贴附于挡风玻璃40外侧，也可以贴附于挡风玻璃40内侧，或者还可以作为挡风玻璃40的夹层，本申请对此不做具体限定。

光栅薄膜20通过曝光法、电子束光刻法或纳米压印法中任一种方式制备。请参见图2，激光器发出的光经分束镜分成两路，其中一路光束经第一光学元件组的传播后作为衍射参考光照射在光栅记录材料的一侧，另一路光束经第二光学元件组的传播后作为物光照射在光栅记录材料的另一侧。需要说明的是，可以通过调整空间滤波器1相对于准直透镜的距离，调整衍射参考光的汇聚或发散状态。

可选地，光栅薄膜20的记录材料为银盐干板、重铬酸盐明胶、光致聚合物、光刻胶或者光折变玻璃中的一种或多种。

可以理解的是，图像投射装置10也可以称为HUD光机。图像投射装置10的具体结构不做具体限定，只要可以实现定向投屏即可。实现定向投屏的意思是，图像投射装置10的像素点可以被单独控制其发光状态。发光状态包括发光角度和发光颜色。

可以理解的是，图像投射装置10可以放在挡风玻璃40下方的操作台50上，也可以放在挡风玻璃40附近的其他位置，只要满足其视场角可以覆盖光栅薄膜20，以使得生成的投射图像13可以经光栅薄膜20衍射后在透光平面外形成特定成像深度的衍射图像即可。

可以理解的是，控制器30的位置不做具体限定，只要可以控制投射图像13的生成位置即可。可选地，控制器30集成于图像投射装置10，以便于减小抬头显示系统100的体积。

本申请改变图像投射装置10生成的投射图像13相对于所述光栅薄膜20的位置，相当于改变图像源的位置。根据光栅薄膜20的性质决定，图像源的位置改变，会导致经光栅薄膜20衍射形成的衍射图像的成像深度发生改变。因此，本申请仅利用有效简化了系统结构，减小了系统整体体积，增加了实用性，而且实现了成像距离深度可调，减少了驾驶员因眼镜聚焦的频繁改变而引起的安全隐患。

可选地，请参见图3，图像投射装置10包括定向背光的平板显示器11和微透镜阵列12。平板显示器11上的各像素点发出的图像光线通过微透镜阵列12后生成投射图像13。投射图像13经过光栅薄膜20衍射后在透光平面外形成特定成像深度的衍射图像。控制器30通过控制平板显示器11上像素点的发光状态，改变投射图像13相对于光栅薄膜20的位置进而调整衍射图像的成像深度。

具体的，平板显示器11为定向背光显示屏。微透镜阵列12的焦距为f。投射图像13为平板显示器11发出的图像光线通过微透镜阵列12后再空间中形成的三维实像。

可选地，控制器30通过控制平板显示器11上像素点的发光角度，改变投射图像13相对于光栅薄膜20的位置，进而调整衍射图像的成像深度。

具体的，控制器30通过控制平板显示器11上每一个像素点的发光角度，使得像素点发出的光通过相应的微透镜在空间中汇聚的位置发生改变，进而生成的投射图像13在空间中的位置发生改变。投射图像13在空间中的位置的改变，会使得其通过光栅薄膜20衍射后形成衍射图像的成像深度不同。

可选地，控制器30根据获取的投射图像13的预设生成位置信息和投射图像13的预存视场信息，控制平板显示器11上像素点的发光角度。

具体的，根据设计需要，制备完成光栅薄膜20后，其焦距等光学参数存储于控制器30内。利用光栅薄膜20的光学参数和衍射图像的预设成像深度，可以计算出投射图像13的预设生成位置信息。

投射图像13的预存视场信息与平板显示器11相对于光栅薄膜20的位置有关。具体的，请参见图4，图4中101和102分别为平板显示器11完全覆盖光栅薄膜20时，平板显示器11右边缘的左侧视场边界和平板显示器11左边缘的右侧视场边界，103为平行于101的平板显示器11左侧视场边界，104为平行于102的平板显示器11右侧视场边界。所以，为了满足覆盖照射的光栅薄膜20区域，平板显示器11的两个边缘103和104决定了平板显示器11的发散角为θ，即投射图像13的预存视场信息为θ。

可选地，根据投射图像13的预设生成位置信息和预存视场信息，确定参与投射图像13中每一个像点成像的微透镜阵列12的坐标。根据参与投射图像13中每一个像点成像的微透镜阵列12的坐标与相应像点的位置信息，确定平板显示器11上的各像素点的发光角度。

具体的，请参见图5，建立空间yoz坐标，各举证点坐标如图，13-1(z0，y0)为平板显示器11(定向背光显示屏)生成的投射图像13上的任意一点，此处举例此任意点位置信息可被计算和成像可被实现来证明投射图像13可以被定向背光显示屏实现空间成像。105和106是像点13-1的视场角两边界，由于其被定向背光显示屏投影实现，所以像点13-1的视场角范围也为θ，105和106与定向背光显示屏的交点在定向背光显示屏上的距离即为定向背光显示屏参与像点13-1进行成像的像素范围。举证定向背光显示屏上任意点(z2，y2)和微透镜阵列12任意透镜(z1，y1)在13-1处的成像计算公式：α＝arctan((y0-y1)/(z0-z1))，(y1-y2)＝(z1-z2)*tanα。当然，任意像点13-1的成像还需要定向背光显示屏上其他满足条件的像素点通过其他微透镜成像确定。通过上述两个公式，空间中所成任意像点13-1通过任意微透镜后落在定向背光显示屏上的位置都是唯一且可计算的，所以需要合成空间中的任意三维图像或二维图像，定向背光显示屏上的像素点发光状态都是可被反算出的，也就实现了基于定向背光显示屏和微透镜阵列12技术对空间二维或三维图像的可控成像。在三维空间内设计二维图像或三维图像，二维图像和三维图像的旋转，平移缩放等可随意调整，当调整三维或二维图像关于光栅薄膜20的距离时，投射图像13通过光栅薄膜20后的衍射成像深度发生变化。可实现深度可控的HUD显示。

请参见图6-8，此处通过图6-8说明图像源的位置改变，会导致经光栅薄膜20衍射形成的衍射图像的成像深度发生改变。

图6中，当定向背光显示屏上的一系列经过计算的特定像素点发光，经过微透镜阵列12后，在微透镜阵列12和光栅薄膜20之间的空间中交汇于Z0(z0，y0)点时，形成三维空间实像点，而根据布拉格光栅条件可知，复现光源距离光栅记录材料的距离与拍摄时物光(本申请中指图2中空间滤波器2)与光栅记录材料的距离相同时，复现时的衍射光波前与拍摄时的参考光波前一致，在本申请中都为平行光。而人眼看到平行光的衍射像时，感知为该点处于无穷远处。

图7中，当定向背光显示屏上的一系列经过计算的特定像素点发光，经过微透镜阵列12后，在微透镜阵列12和光栅薄膜20之间的空间中(z0点之前)交汇于Z3(z3，y3)点时，形成距离光栅记录材料更近的三维空间实像点，而根据布拉格光栅条件可知，复现光源距离光栅记录材料的距离小于拍摄时物光(本申请中指图2中空间滤波器2)与光栅记录材料的距离时，复现时的衍射光波前将会变成发散光。而人眼看到发散光的衍射像时，感知为该点处于较近，且实像点距离干板越近，衍射光的发散程度越大，衍射像的虚像汇聚点越近，人眼感知的衍射像距离越近。

图8中，当定向背光显示屏上的一系列经过计算的特定像素点发光，经过微透镜阵列12后，在z0点之后交汇于Z4(z4,y4)点时(此处不说在微透镜阵列12和光栅薄膜20之间是因为也可以形成虚像点位于定向背光显示屏后边)，形成距离光栅记录材料更远的三维空间实像点，而根据布拉格光栅条件可知，复现光源距离光栅记录材料的距离大于拍摄时物光(本发明中指图2中空间滤波器2)与光栅记录材料的距离时，复现时的衍射光波前将会变成汇聚光。而人眼看到汇聚光的衍射像时，会在视网膜成像形成虚像。

可选地，图像投射装置10的数量为多个，控制器30对多个图像投射装置10中的平板显示器11上像素点的发光状态单独可控。

需要说明的是，当图像投射装置10的数量为N个时，光栅薄膜20的数量可以为一个。此时，光栅薄膜20可以包括N个薄膜区域，N个薄膜区域的焦距不同，其中N为大于或等于2的正整数。可以利用现有技术中任意一种制备方法制备具有不同焦距的光栅薄膜20。

本实施例中，设置N个图像投射装置10，其投射图像13分别通过对应的薄膜区域衍射后，形成多个衍射图像。由于N个薄膜区域的焦距不同，因此多个衍射图像可以互不重叠，互不干扰。多个衍射图像可以独立呈现相同或者不同的图像内容。

可选地，请参见图9，光栅薄膜20的数量与图像投射装置10的数量相对应，每一个图像投射装置10生成投射图像13对应投射至一个光栅薄膜20，经过光栅薄膜20衍射后在透光平面外形成特定成像深度的衍射图像。

可以理解的是，图像投射装置10和光栅薄膜20的排布方式不做具体限定，其可以是如图9(a)所示的，图像投射装置10和光栅薄膜20均上下排布，也可以是图像投射装置10左右排布，光栅薄膜20上下排布等其他排布方式。

如图9(b)和图9(c)所示，两个图像投射装置10形成的投射图像13光线分别经过对应的光栅薄膜20衍射后，形成的两个衍射图像光线在yz方向有一定夹角，保证在空间形成的视窗在预设驾驶员眼盒位置存在公共区域，如图9(d)所示，眼盒1和眼盒2分别对应于一个图像投射装置10。

本实施例中，设置N个图像投射装置10，其投射图像13分别通过对应的光栅薄膜20衍射后，形成多个衍射图像。N光栅薄膜20的焦距不同，因此多个衍射图像可以互不重叠，互不干扰。多个衍射图像可以独立呈现相同或者不同的图像内容。

基于相同的发明构思，本申请还提供一种抬头显示方法。抬头显示方法在上述任一项抬头显示系统100中实现。抬头显示方法包括：

将光栅薄膜20贴附于透光平面上；

利用控制器30控制图像投射装置10的像素点的发光状态，以改变图像投射装置10生成的投射图像13相对于光栅薄膜20的位置，进而调整投射图像13经过光栅薄膜20衍射后在透光平面外形成的衍射图像的成像深度。

可选地，图像投射装置10包括定向背光的平板显示器11和微透镜阵列12，平板显示器11上的各像素点发出的图像光线通过微透镜阵列12后生成投射图像13；

利用控制器30控制图像投射装置10的像素点的发光状态的步骤包括：

获取投射图像13的预设生成位置信息；

根据投射图像13的预设生成位置信息和预存视场信息，确定平板显示器11上的各像素点的发光角度。

可选地，根据投射图像13的预设生成位置信息和预存视场信息，确定平板显示器11上的各像素点的发光角度的步骤包括：

根据投射图像13的预设生成位置信息和预存视场信息，确定参与投射图像13中每一个像点成像的微透镜阵列12的坐标；

根据参与投射图像13中每一个像点成像的微透镜阵列12的坐标与相应像点的位置信息，确定平板显示器11上的各像素点的发光角度。

基于相同的发明构思，本申请还提供一种车载系统，包括上述任一项抬头显示系统100。

注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，本申请的各个实施方式的特征可以部分地或者全部地彼此耦合或组合，并且可以以各种方式彼此协作并在技术上被驱动。对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新选择、相互结合和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本申请的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种抬头显示系统，其特征在于，包括图像投射装置、光栅薄膜和控制器；

所述光栅薄膜贴附于透光平面上，所述图像投射装置用于生成投射图像，所述投射图像经过所述光栅薄膜衍射后在所述透光平面外形成特定成像深度的衍射图像；

所述图像投射装置包括定向背光的平板显示器和微透镜阵列，所述平板显示器上的各像素点发出的图像光线通过所述微透镜阵列后生成投射图像，所述投射图像经过所述光栅薄膜衍射后在所述透光平面外形成特定成像深度的衍射图像；

所述控制器通过控制所述平板显示器上像素点的发光角度，改变所述投射图像相对于所述光栅薄膜的位置，进而调整所述衍射图像的成像深度。

2.根据权利要求1所述的抬头显示系统，其特征在于，所述控制器根据获取的所述投射图像的预设生成位置信息和所述投射图像的预存视场信息，控制所述平板显示器上像素点的发光角度。

3.根据权利要求1所述的抬头显示系统，其特征在于，所述图像投射装置的数量为多个，所述控制器对多个所述图像投射装置中的所述平板显示器上像素点的发光状态单独可控。

4.根据权利要求3所述的抬头显示系统，其特征在于，所述光栅薄膜的数量与所述图像投射装置的数量相对应，每一个所述图像投射装置生成投射图像对应投射至一个所述光栅薄膜，经过所述光栅薄膜衍射后在所述透光平面外形成特定成像深度的衍射图像。

5.一种抬头显示方法，其特征在于，所述抬头显示方法在权利要求1-4中任一项所述抬头显示系统中实现，包括：

将所述光栅薄膜贴附于透光平面上；

利用所述控制器控制所述图像投射装置的像素点的发光角度，以改变所述图像投射装置生成的投射图像相对于所述光栅薄膜的位置，进而调整所述投射图像经过所述光栅薄膜衍射后在所述透光平面外形成的衍射图像的成像深度。

6.根据权利要求5所述的抬头显示方法，其特征在于，所述利用所述控制器控制所述图像投射装置的像素点的发光角度的步骤包括：

获取所述投射图像的预设生成位置信息；

根据所述投射图像的所述预设生成位置信息和预存视场信息，确定所述平板显示器上的各像素点的发光角度。

7.根据权利要求6所述的抬头显示方法，其特征在于，所述根据所述投射图像的所述预设生成位置信息和预存视场信息，确定所述平板显示器上的各像素点的发光角度的步骤包括：

根据所述投射图像的所述预设生成位置信息和预存视场信息，确定参与所述投射图像中每一个像点成像的微透镜阵列的坐标；

根据所述参与所述投射图像中每一个像点成像的微透镜阵列的坐标与相应像点的位置信息，确定所述平板显示器上的各像素点的发光角度。

8.一种车载系统，其特征在于，包括权利要求1-4中任一项所述抬头显示系统。

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