CN114868070A - 具有能转向眼动范围的增强现实平视显示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有动态可调节出射光瞳平面的平视显示设备。更具体地，本发明和本文包含的教导以及各种实施例涉及平视显示设备，该平视显示设备包括至少一个图片生成单元和光学转向装置，它们一起形成用于使用诸如风挡的物体的表面来显示2D和/或3D虚拟增强图像的装置。

Description

具有能转向眼动范围的增强现实平视显示器

技术领域

所公开的发明总体上涉及一种具有可动态调节的出射光瞳平面的平视显示设备。更具体地，本发明和本文包含的教导以及各种实施例涉及平视显示设备，该平视显示设备包括至少一个图片生成单元和光学转向装置，它们一起形成用于使用诸如风挡的物体的表面来显示2D和/或3D虚拟增强图像的装置。

背景技术

虚拟平视显示器(HUD)被应用在飞机、陆地车辆、零售商店橱窗中以向个人/用户呈现叠加到周围环境上的信息。许多车辆HUD使用风挡的内表面作为光学组合器，以向用户提供待传输的任何相关信息的2D或3D立体图像。

传统HUD的重要问题是它们缺乏诸如基于软件的像差校正和眼动范围(eyebox)调整的能力。像差校正本身允许在更大的眼动范围上投射更大的视场(FOV)，尽管由于从显示器辐射的信息在从车辆的风挡反射时出现像差，所以无法设计单个光学部件来形成大FOV无像差图像。动态可调的眼动范围HUD设置与常规HUD应用相比具有许多优点。

本发明的技术领域中的现有技术公开文本之一可以被称为WO 2016105285，其教导了与具有宽视场(FOV)的低分辨率外围显示器相结合的清晰的中央凹视觉和能够创建高分辨率能转向图像的能旋转全息模块。在另一文件US 20180003981A1中，公开了一种包括SLM、能旋转反射光学元件和瞳孔跟踪设备的近眼显示设备。瞳孔跟踪设备跟踪用户的眼睛瞳孔位置并基于由所述瞳孔跟踪装置提供的数据，旋转反射光学元件，使得由空间光调制器调制的光被引导至用户的眼睛瞳孔。

DE 102011075884公开了一种包括光发射图像源以及形成光束路径的光学元件的平视显示设备。光学元件包括具有光学成像功能的全息光学元件和反射器。所述反射器和全息光学元件被布置成使得由前者发射到光束路径的第三区段中的光束可以至少部分地透射全息光学元件，其中，光束路径的第三区段中的透射光束的照射角基本偏离全息光学元件的成像功能的一部分变得有效的入射角。

GB 2554575和EP 3146377公开了一种具有可能导致失真的空间变化光焦度的风挡，其中，显示器具有成形的漫射器以补偿风挡的失真和用于在其上投影图像的全息投影仪。全息投影仪具有SLM，其被布置成显示代表图像的全息图，并将相位延迟分布应用于入射光，其中，相位延迟分布被布置成使图像成为漫射器上的非平面焦点。HUD可以具有带有光焦度或抛物线曲率的反射镜，以将来自漫射器的光重新引导到风挡上。在申请的另一方面，使用上述装置提供了一种补偿风挡的空间变化光焦度的方法，其中，使用风挡形成虚拟图像。

WO2018223646公开了一种双图像投影装置，其包括光源和空间光调制器，空间光调制器包括第一调制模块和第二调制模块。另外，装置包括傅里叶透镜，并且空间光调制器位于傅里叶透镜的前焦平面处。第一调制模块通过傅里叶透镜调制来自光源的光以再现第一2D全息图像，并且第二调制模块通过傅里叶透镜调制光以再现多个第二2D全息图像。装置进一步包括第一光漫射膜和多个第二光漫射膜，第一光漫射膜显示第一2D全息图像以产生第一虚拟图像，多个第二光漫射膜分别以一定速率顺序地显示多个第二2D全息图像以产生3D虚拟图像。

US2017329143公开了一种具有可变焦平面的平视显示系统，其包括：投影设备，用于生成表示至少一个虚拟图形的光；成像矩阵，用于将表示至少一个虚拟图形的光投影在至少一个像平面上；显示设备，用于在至少一个像平面上显示至少一个虚拟图片；以及平移设备，用于至少部分地基于预定操作参数来动态地改变成像矩阵相对于显示设备的位置，以动态地改变显示设备和至少一个像平面之间的焦距。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种HUD，其具有跨出射光瞳平面和出射光瞳体积的能转向出射光瞳。

本发明的另一个目的是提供一种HUD设备，其中，形成单独的出射光瞳并且针对每只眼睛独立地转向，其用于调节瞳距、头部尖端、倾斜、旋转；以及在三个轴上的头部运动。

本发明的另一个目的是提供一种HUD，其可以通过利用瞳孔跟踪器和瞳孔跟随器系统，向眼睛传递正确的视差和透视图像。

本发明的另一个目的是提供一种HUD设备，其包括瞳孔跟踪器以检测观看者的瞳孔的坐标及其到HUD的距离。

本发明的又一个目的是提供一种HUD设备，其包括向每只眼睛实时渲染正确的透视图像。

本发明的另一个目的是提供一种HUD设备，该HUD设备由能够提供可聚焦在不同深度处的虚拟图像的至少一个光模块组成。

本发明的另一个目的是提供一种具有至少一个SLM的HUD设备，其中，瞳距和像差的校正在至少一个计算装置上计算并在SLM上实现，以提高图像质量和实现大FOV。

本发明的又一个目的是提供一种HUD设备，其同时利用光束转向来将光线传递到用户的两只眼睛。

本发明的又一个目的是提供一种HUD设备，其在由可调节的瞳距分开的两个出射光瞳上利用光学转向。

附图说明

附图仅用于举例说明对象重建系统的目的，其优于现有技术的优点已在上文概述并将在下文中简要说明。

附图不旨在限定权利要求中确定的保护范围，也不应当单独引用它们以试图解释所述权利要求中确定的范围而不追溯本发明说明书中的技术公开。附图仅是示例性的，它们不一定反映任何系统或子系统的相应组件的实际尺寸和相对比例。

图1a和图1b展示了根据本发明的全息HUD以及与车辆计算机和传感器的接口的一般示意图。

图2a、2b、2c、2d和2e展示了在风挡后面形成虚拟图像的各种PGU和投影系统。

图3展示了具有一个或两个图片生成单元和一个或两个出射光瞳的不同设置。

图4展示了HUD系统中的主要组件的框图。

图5a、5b和5c展示了在水平、垂直和轴向方向上的转向，其具有用于初始校准的示例性顺序。

图6a和6b展示了具有不同瞳距(IPD)的倾斜眼动范围。

图7展示了通过头部体积横截面中的运动图片生成单元生成的不同眼动范围位置。

图8a、8b、8c和8d展示了具有非转向镜、平面转向镜、平面镜和曲面镜的不同HUD开口。

图9展示了根据本发明的具有可移动照明源的HUD设备。

图10展示了根据本发明的使用空间滤光器来消除由SLM产生的不期望的光束的HUD系统架构。

图11展示了根据本发明的响应于转向镜的倾斜运动的眼动范围的移动。

图12a根据本发明以俯视图展示了光学架构，其中，转向镜被放置在成像透镜与出射光瞳平面之间的平面上。

图12b根据本发明以侧视图展示了光学架构，其中，转向镜被放置在形成在成像透镜与出射光瞳平面之间的SLM图像的位置处。

图12c根据本发明，以侧视图展示了光学架构，其中，转向镜被放置在SLM与成像透镜之间。

图13和13b展示了垂直移动一只眼睛的出射光瞳以补偿头部倾斜。

图14a展示了根据本发明的具有集成转向镜的HUD设备。

图14b展示了根据本发明的具有外部转向镜的HUD设备。

图14c展示了根据本发明的具有外部倾斜转向镜的HUD设备。

图15展示了实现恒定俯视角的HUD系统架构。

图16展示了使用风挡上的全息光学元件以实现恒定的俯视角的替代HUD系统架构。

图17展示了由不同折叠镜设置提供的较小HUD结构。

图18展示了具有不同眼动范围大小的标准风挡和楔形风挡的比较。

图19a展示了不同楔形风挡和常规风挡当中的虚拟图像和重影(ghost)图像之间的角分离变化与虚拟图像距离变化的比较。

图19b展示了虚拟图像和重影图像之间的角分离随楔角的变化。

图19c展示了出射光瞳的中心与重影眼动范围之间的距离的变化被示出为楔角的函数。

图20展示了根据本发明的要在HUD上显示的仪表板图像布局的示例。

图21展示了根据本发明的转向镜的顶部透视图。

图22展示了围绕中央显示器的外围显示器的使用。

具体实施方式

在本发明的详细描述中参考以下数字：

10)平视显示设备

101)风挡

101a)标准风挡

101b)楔形风挡

102)头部跟踪器相机

103)车辆计算机

104)头部跟踪控制

105)虚拟图像

106)图片生成单元(PGU)

11)光源

111)照明透镜

12)光模块

13)空间光调制器(SLM)

14)期望的调制光束

14b)不期望的光束

151)空间滤光器

16)出射光瞳

16a)左眼的出射光瞳

16b)右眼的出射光瞳

17)出射光瞳平面

18)光学转向装置

20)处理装置

21)用户的眼睛

21b)用户的瞳孔

22)成像透镜

23)转向镜

23a)平面转向镜

23b)曲面转向镜

24)中间出射光瞳平面

27)跟踪点

29)外围显示器

30)中央显示器

31)中央凹显示器

32)中间图像平面

33)分束器

201)小型IPD，无头部倾斜

202)大型IPD，无头部倾斜

203)小型IPD，倾斜头部

204)虚拟图像平面

205)重影出射光瞳

206)全息光学元件(HOE)

207)HUD开口

208)重影图像

209)运动自由度

210)俯视角

211)折叠镜

212)头部体积

213)虚拟转向镜位置

根据本发明，提出了一种具有可调节眼动范围的增强现实平视显示设备(10)形式的设备和系统以及包括其的系统。在本文中，眼动范围是可以与出射光瞳(16)互换使用的术语。更具体地，一种包括至少一个图片生成单元(106)和光学转向装置(18)的设备和系统，所述至少一个图片生成单元(106)和光学转向装置(18)一起形成用于使用诸如风挡(101)的物体的表面来显示2D和/或3D虚拟增强图像的装置。

参考图1a和图1b，HUD(10)包括旨在在驾驶员眼睛前方创建能转向眼动范围的光学转向装置(18)、用于跟踪驾驶员头部运动、面部和用户瞳孔(21b)的头部跟踪器相机(102)或多个相机，以及头部跟踪控制(104)系统。在车辆计算机(103)处分析来自外部传感器和车辆的传感器的其他输入以及来自头部跟踪控制(104)的输入，并且计算适当的内容以在HUD(10)系统处示出。驾驶员在由HUD(10)确定的距离处看到虚拟图像(105)。

参考图2a，HUD(10)设备光学器件在出射光瞳平面(17)处形成出射光瞳(16)。PGU(106)由以下组件中的每一个中的至少一个组成：微显示器或SLM(13)、光源(11)、用于光束成形的照明透镜(111)和折叠镜(211)。该图示出了横截面视图。一个PGU(106)对于用户的每只眼睛可能是足够的。在该实施例中，转向镜(23)在成像透镜(22)之后，因为可以使瞬时眼动范围或出射光瞳(16)的尺寸更小，这导致光束在转向镜(23)上的占用面积更小。可以测量从出射光瞳平面(17)到风挡(101)上的占用面积的系统的视场(FOV)。对于固定的视场(FOV)，转向镜(23)的旋转移动出射光瞳(16)位置，而不增加成像透镜(22)上的光束的尺寸。PGU(106)之后是成像透镜(22)和风挡(101)。整个系统被设计成使得中间图像平面与虚拟图像平面以及观看者的视网膜光学共轭，并且中间出射光瞳平面与存在用户的眼睛瞳孔的实际出射光瞳平面光学共轭。根据光学设计，PGU的透镜可以放置在中间出射光瞳平面之前、之上或之后。

参考图2b，根据所公开发明的至少一个实施例，在左侧将基于RGB的加色/光模型示出为光源模块。在三个不同的光源之间以空间居中的方式利用X立方体形式的二向色棱镜，所述三个不同的光源分别沿顺时针方向通过短焦距准直透镜发射红色、绿色和蓝色光。组合光束将二向色X立方体射向扩展源。光源可以是基于LED或激光的光源或组合。调节光源的尺寸以限制光源的空间相干性。在图2b的右手侧中，左手侧的光源模块与空间滤光器(151)后面的扩展源一起示出。在这样的实施例中，使用DMD或LCOS作为图像源来实现PGU。由光源模块产生的光成像在中间出射光瞳平面(24)上，并且DMD或LCOS设备可能以如图所示的倾斜方式放置在会聚光束路径上。根据所公开的发明的至少一个实施例，空间滤光器(151)可以放置在中间出射光瞳平面(24)上，之后PGU(106)中的透镜或透镜组合存在于中间图像平面(32)之前。

参考图2c，光源(11)和透镜配置以及扫描器与中间出射光瞳平面(24)重合，使得使用扫描激光投影仪来实现PGU(106)。扫描仪可以是使用MEMS技术制造的两个1D扫描仪或一个2D扫描仪。在该实施例中，扫描激光投影仪的出射孔径成为系统的中间出射光瞳平面(24)，其成像在出射光瞳平面(17)上形成的出射光瞳(16)上。根据所公开发明的至少一个实施例，所述扫描激光投影仪在中间图像平面(32)处创建中间图像，其每个像素由扫描仪的特定角度创建。

参考图2d，全息投影仪包括光源(11)和透镜配置以及放置在近准直的光束路径上的SLM(13)，其经由显示在其上的计算机生成的全息图在中间出射光瞳平面(24)上创建中间出射光瞳。中间出射光瞳平面(24)也填充有不期望的光束(14b)，诸如出射光瞳和未调制光束的高阶复制品等。放置在中间出射光瞳平面(24)上的空间滤光器(151)消除不期望的光束(14b)，并且仅允许信号光束或期望的调制光束(14)通过。

参考图2e，示出了根据所公开的发明的至少一个实施例的具有两个背照光源的LCD面板。在这样的实施例中，使用单个透射LCD面板作为图像源来实现PGU(106)。由光源模块产生的光成像在中间出射光瞳平面(24)上，并且LCD放置在会聚光束路径上。空间滤光器(151)可以放置在中间出射光瞳平面(24)上以控制系统出射光瞳(16)的尺寸。对于更通用的显示实施方式，整个显示系统可以在不需要附加成像透镜(22)的情况下起作用，其中，用户的眼睛(21)可以直接位于中间出射光瞳平面(24)处。

传统的(非跟踪和非转向HUD)具有约13cm×13cm的出射光瞳，以在HUD使用时覆盖驾驶员瞳距变化、驾驶员高度变化以及用户头部的垂直、水平和轴向移动和倾斜。在现有技术中，使用光学漫射器或数值孔径扩展器来放大出射光瞳(16)。所述光学漫射器或数值孔径扩展器仅提供光线的单向通过，因此将更难以根据需要引导和操纵光线。此外，本发明旨在实现更小的出射光瞳(16)，因此中间图像平面没有任何光学漫射器或数值孔径扩展器。图3示出了另一个实施例，其中，在出射光瞳平面(17)上形成和转向较小的出射光瞳(16)和驾驶员的眼睛位置。以这种方式，对于给定的FOV，光学系统的所需体积变得小得多，因为HUD(10)应当在一个时刻提供的光线集合显著减小。此外，即使在标准风挡(101a)的情况下(不需要楔形风挡)，也可以完全避免由来自风挡(101)的后侧(面向外侧)的反射引起的风挡(101)相关的重影图像。这是由于出射光瞳(16)越小，重影出射光瞳(205)和实际出射光瞳(16)就会明显分开的事实。此外，尽管常规HUD中的楔形解决方案有助于避免仅在虚拟图像距离附近(约0.1屈光度的区间)内的重影效应，但是眼睛跟踪HUD配置避免所有虚拟图像距离的重影。眼睛跟踪HUD系统可以进行动态失真校正，其原则上可以在驾驶员的所有可能视点处提供零图像失真。相比之下，非眼睛跟踪的常规解决方案可以仅在大出射光瞳(16)的子集(主要由一个或两个点组成)处提供无失真图像，并且需要特别小心以确保在出射光瞳(16)的剩余部分中失真保持在容差内，这通常使光学设计复杂化，从而增加HUD体积。眼睛跟踪HUD将所生成的光的较大部分提供到驾驶员的眼睛中，并且在驾驶员的面部上浪费较少的光，显然是更加光高效的。

图3上的第一图像示出了具有一个出射光瞳(16)和一个图片生成单元(PGU)(106)的实施例。在实现方面，这种情况是最简单的选择。只有一个出射光瞳(16)和一个PGU(106)。刚好足以覆盖两个用户的瞳孔(21b)，其中，水平方向的典型尺寸为7-8cm，垂直方向的典型尺寸为0.3-1cm。对于标准风挡(101)，当所述出射光瞳(16)的短边小于1cm时，出射光瞳(16)和重影出射光瞳(205)基本上不重叠。如果所述长度小于5mm，则实现甚至进一步的性能。当驾驶员在预定义的头部体积(212)中移动他/她的头部时，可以在水平、垂直和轴向方向上转向眼动范围，以最佳地匹配用户的瞳孔(21b)位置。头部体积在横向平面中大于10cm×10cm，并且在典型的汽车中，在轴向和纵向方向上，距风挡的距离可以分别在80cm至120cm之间变化。这种方法虽然与传统的非眼睛跟踪HUD相比更光高效，但仍然遇到一些光低效，因为两只眼睛之间的光会丢失。动态失真校正是可能的，但是由于公共显示器针对双眼而受到限制。眼动范围的转向由提供三个运动自由度(209)(水平、垂直和轴向运动)的致动器提供。

图3上的第二图像示出了具有两个出射光瞳(16)和一个PGU(106)的实施例。该选项是一个出射光瞳(16)和一个PGU(106)解决方案的光效率更高的版本，其中，仅向用户的瞳孔(21b)提供光——在用户的瞳孔(21b)之间的面部区域处没有浪费光。这可以通过在PGU(106)内使用两个单独的照明模块来实现，每只眼睛一个照明模块。照明模块包括红色、绿色和蓝色光源，诸如LED或激光器。可以进一步包括准直和聚焦透镜，以及彩色光束组合器，诸如二向色镜、薄膜分束器、全息组合器或X立方体组合器。每个眼动范围在垂直方向上约为0.5-1cm，在水平方向上约为1-2cm。

图3上的第三图像示出了具有两个出射光瞳(16)和两个PGU(106)的实施例。两个不同的PGU(106)为每只眼睛提供两个单独的眼动范围。由于具有两个独立的PGU(106)，原则上系统能够针对用户瞳孔(21b)的每个可能位置向双眼传递无失真图像。该系统可以使用致动器独立地转向左眼(16A)的出射光瞳和右眼(16B)的出射光瞳，以控制三个运动自由度(209)。

具有两个出射光瞳(16)和一个PGU(106)的实施例与具有两个出射光瞳(16)和两个PGU(106)的实施例之间的中间选项是具有用于左眼动范围和右眼动范围的公共致动器，以使用三个运动自由度(209)一起转向左眼(16a)的出射光瞳和右眼(16b)的出射光瞳。尽管更容易实现，但是该解决方案在所针对的眼睛位置的范围方面受到限制。

瞬时出射光瞳(16)被限定在作为头部体积(212)的横截面的延伸出射光瞳区域上。出射光瞳(16)在扩展的出射光瞳区域上作为动态目标移动。

在所示的选项中，为每个眼动范围使用单独的致动器，提供控制一组广泛的可能眼睛位置的能力，包括头部倾斜、IPD、运动等。每个眼动范围在垂直方向上约为0.5-1cm，在水平方向上约为1-2cm。

图3上的第四和第五图像类似于第三图像上所示的图像，除了使眼动范围在垂直方向上故意变窄(低至约3mm)的事实。这样，通过将用户的瞳孔(21b)用作滤光器，也可以消除风挡(101)相关的重影出射光瞳(205)。重影出射光瞳(205，左眼和205，右眼)出现在用于左眼的出射光瞳(16a)和用于右眼的出射光瞳(16b)的上方或下方，其中，中间距离由风挡的厚度和楔角以及与驾驶员的距离确定。

图4示出了具有能转向出射光瞳的HUD系统的通用架构。两个PGU(106)(每只眼睛一个PGU)由光源和视觉信息源(诸如LCD、LCoS微显示器、空间光调制器、微OLED显示器、扫描微型投影仪、DMD等)组成。PGU(106)形成出射光瞳(16)的第一复制品，其被命名为中间出射光瞳。中间出射光瞳由成像透镜(22)、转向镜(23)和风挡(101)的组合成像，以在用户的眼睛(21)所处的出射光瞳平面(17)上形成实际出射光瞳。用户的眼睛(21)可以在水平、垂直或轴向方向的任何组合上移动。系统内的致动器用于使出射光瞳与用户的瞳孔(21b)一起转向。在所示实施例中，使用具有总共8个自由度(209)致动的致动方案。两个单独的x/y/z级附接到每个PGU(106)，由转向镜(23)补充，该转向镜(23)使来自两个PGU的光束同时在水平和垂直方向上倾斜。

如果用户的头部被限制为仅在横向(x-y)平面上而不是在轴向(z)方向上移动，并且如果保证用户的头部将不具有任何显著的倾斜(即，左眼和右眼的垂直位置没有显著的差异)，则转向镜(23)本身将是足够的。为了考虑用户头部的轴向运动，可以使用PGU(106)上的z级。在所公开的发明的实施例中，如果用户远离风挡(101)移动，则可以使PGU(106)更靠近成像透镜(22)，使得实际出射光瞳形成得更远离风挡(101)，反之亦然。然而，应当注意，图像的轴向位置的变化通常也伴随着横向放大率的变化，导致左出射光瞳和右出射光瞳之间的距离的变化。PGU(106)中的x级可以用于保持放大率并因此保持IPD恒定。作为示例，当PGU更靠近成像透镜时，可以减小它们之间的水平距离，使得实际出射光瞳之间的距离在用户侧保持相同。PGU上的y级主要需要考虑由倾斜的头部姿势或用户瞳孔(21b)在垂直轴上的非平面定位引起的用户眼睛的位置的垂直差异。成像透镜(22)或透镜系统还可以具有可调节的焦距，以便调节出射光瞳(16)的z位置。

尽管每个致动器的主要责任如上所述，但是应当注意到，在考虑系统像差和与近轴行为的其他偏差的真实光学设计中，用户运动和致动器参数之间的这种简单关联可能不是完全可能的。通常，要同时优化致动器参数，使得出射光瞳以最佳可能的程度与给定的一对左眼和右眼以及瞳孔位置匹配。

图5a和5b示出了可用于驱动致动器的不同实施方式。在一个实施例中；当驾驶员坐在驾驶员座椅上时，可以在开始时调整x、y和z级(3轴)。然后，除非驾驶员在他/她的位置上做出显著改变，否则不修改它们。这种初始校准可以在使用期间间歇地重复。_x,y级被动态调整以在每个时刻将眼动范围与用户的瞳孔(21b)匹配。在另一个实施例中，所有级被动态致动，使得出射光瞳(16)在每个时刻以最佳方式在驾驶员的光瞳上成像。注意，尽管每个致动器主要负责一种类型的用户参数或运动(如所列出的)，但是HUD光学器件的特定细节可能在致动器的效果之间引入一些较小的耦合。因此，完全优化的跟踪通常将需要动态且实时地调整所有致动器。

图5c示出了类似于图5b的示例性序列，其中，在驾驶员的面部上形成两个跟踪点(27)。跟踪点(27)为头部跟踪控制(104)系统提供闭环反馈机制，以确保致动器确实被调节以使出射光瞳(16)与用户的眼睛匹配。可以由照射用户的面部的红外激光形成点，并且其可以由指向用户的面部的红外头部跟踪器相机(102)来识别。

图6示出了出射光瞳(16)被形成为使得它们具有宽的水平尺寸并且倾斜的实施例。以这种方式，可以利用光学转向设备(18)针对各种IPD尺寸以及头部倾斜，但是PGU没有进一步的X或Y运动(仅Z运动)。在不存在头部倾斜的情况下，具有小型IPD(无头部倾斜(201))的驾驶员的眼睛被放置在出射光瞳(16)的内角和底角处，而具有大型IPD(无头部倾斜(202))的驾驶员的眼睛被放置在出射光瞳(16)的外角和顶角处。当存在头部倾斜时，出射光瞳的不同部分可以与眼睛瞳孔匹配，作为示例，图中示出了相对于用户瞳孔(21b)情况，具有小型IPD、倾斜头部(203)出射光瞳放置的驾驶员。这种倾斜的出射光瞳(16)可以通过以下方式形成：调节图2b所示的DMD和LCOS投影仪的光源的照明区域；或者在图2d所示的基于全息投影仪的PGU(106)的情况下通过倾斜SLM(13)；或者通过在中间图像平面(32)处使用出射光瞳扩展器，诸如倾斜的双凸透镜阵列或倾斜的1D漫射器，用于图2c所示的扫描激光投影仪。

图7示出了驾驶员的头部在用户的允许头部体积(212)内的替代轴向位置，以及HUD(10)内的致动器如何被配置成在轴向方向上来回移动出射光瞳(16)，以便使它们与驾驶员的眼瞳匹配。

图8a示出了具有(始终递送的)大出射光瞳(16)的常规HUD，其需要大HUD开口(207)。图8b示出了眼睛跟踪HUD(10)递送小出射光瞳(16)，其利用放置在HUD开口(207)处的转向镜(23)转向。这样，HUD开口(207)的所需尺寸以及位于转向镜(23)下方的HUD的所需体积减小。平面转向镜(23a)在移动眼动范围和减小所需HUD体积方面是有效的。成像透镜(22)的尺寸和HUD的所需体积可以通过使用曲面转向镜(23b)来进一步减小。HUD开口的尺寸公式为：

wH＝wE+dH/dV*(wV-wE)

wV：虚拟图像的尺寸

dV：虚拟图像到出射光瞳平面的距离

wE：眼动范围的尺寸

dH：HUD开口到出射光瞳平面的距离

wH：HUD开口的尺寸

注意：由下式给出显示FOV：

FOV＝2*atan(wV/(2*dV))

参考图8c，示出了根据所公开的发明的实施例的用作光学转向装置(18)的平面镜(23a)。平面转向镜(23a)的使用不影响光会聚的发散程度。

参考图8d，示出了根据所公开的发明的实施例的用作光学转向装置(18)的曲面转向镜(23b)。使用曲面转向镜(23b)使得入射光束更会聚，为反射镜之前的光学系统提供了更紧凑的机会。

参考图9，系统提供具有可移动照明源的HUD(10)，可移动照明源可以与可移动光瞳位置相关。此外，系统提供具有可寻址照明源阵列的HUD(10)，其可以与可移动光瞳位置相关。

图10示出HUD(10)的一般示意图，HUD(10)包括光源(11)、两个光模块(12)(其类似于PGU(106)但被称为用于全息投影仪的光模块(12))、成像透镜(22)和空间滤光器(151)。光源(11)由红色、绿色和蓝色LEDs或激光光源组成，之后是照明透镜(111)，其可以位于SLM(13)之前或之后，并将光线传递到空间滤光器(151)平面。

参考图10，全息HUD基本光学系统架构使用空间滤光器(151)来阻挡不期望的光束(14b)，特别是对于基于全息投影的系统。不期望的光束(14b)通常由SLM(13)生成，并且空间滤光器(151)使期望的调制光束(14)(将在出射光瞳(16)内向观看者提供视觉信息的光束)到达出射光瞳平面(17)。两个光模块(12)(每只眼睛一个光模块)被用来形成出射光瞳(16)的初始副本。视觉信息由PGU(106)生成。计算机生成的全息图在SLM上显示为使用特殊算法计算的仅相位图案，并且可以在不同深度处显示虚拟图像(105)。

为了实现光高效和小出射光瞳HUD(10)系统，每个光模块(12)将至少一个点光源(11)成像到空间滤光器(151)平面上。在另一实施例中，HUD可以具有用于两只眼睛的单个光模块，其具有两个点光源(每只眼睛一个点光源)。不期望的光束(14b)(未调制光束、噪声光束和更高阶复制品)在空间滤光器(151)平面中在空间上分离，并且因此可以利用仅使期望的光束不受影响地通过的孔径滤除。在图10中，光学模块被实现为简单的4-f望远镜。在实际设计中，应当注意到，该模块可以是将源成像到空间滤光器平面(151)的任何成像系统，并且可以包括反射、折射、多部分、常规、衍射、自由形式组件，其中一些可以离轴使用和/或引入折叠。同样地，SLM(13)被示出为透射组件，但是它可以是反射组件。在不同的实施例中，可以使用直接来自光源(11)或波导板的离轴照明来照射SLM(13)。波导板可以被用来将光耦合进和耦合出波导，该波导使用全内反射引导光。

由仅通过左眼和右眼的信号光束的孔径组成的空间滤光器(151)平面被成像到观看者的眼睛所处的实际出射光瞳平面(17)。该成像在图中由成像透镜(22)进行。成像通常可以进行非统一放大。最可能的是，期望驻留在系统的后侧中的光学模块占据最小可能的体积，使得空间滤光器平面(151)上的出射光瞳(16)的副本比典型的人类瞳距更靠近彼此。在这种情况下，成像系统的放大率将大于1倍，并且成像系统可能导致光学失真和像差。在该图中，空间滤光器(151)和出射光瞳平面(17)之间的成像用单个成像透镜(22)完成。在实际设计中，应当注意到，该透镜可以用任意成像系统代替，该成像系统可以包括反射、折射、常规、多部分、衍射、自由形式组件，其中一些可以离轴使用和/或引入折叠。在图中，观看者观察到的虚拟图像(105)首先在中间图像平面(32)上形成为真实或虚拟图像(105)。该图像由成像透镜(22)映射到最终虚拟图像(105)。注意，中间图像平面(32)的位置取决于虚拟对象平面距用户的距离。

如图10所示，至少一个指向激光束，优选红外激光束，可以是光模块(12)的一部分，并且在出射光瞳平面(17)处提供基本上聚焦的跟踪点(27)。跟踪点(27)或多个跟踪点(27)可以容易地被头部跟踪系统检测到，并且提供用于找到用户的瞳孔(21b)的自动校准，以使出射光瞳(16)朝向用户的瞳孔(21b)。图10图示了HUD系统架构，其使用两个PGU(106)(每只眼睛一个PGU)来形成系统出射光瞳的初始副本。这些副本随后通过放大光学器件成像到实际出射光瞳(16)，该放大光学器件在图中以单片透镜为例。在PGU(106)内生成视觉信息。在此假设图像源是诸如LCD、LCoS、DMD等的空间光调制器(13)，其由光源(11)照明。

在一些实施例中，SLM(13)可以被用作进行强度调制的微显示器，在这种情况下，它们被用来显示呈现给用户的虚拟内容的透视图像(可能是其失真版本)。

在其他实施例中，SLM(13)可以被用作相位和/或幅度调制器，在这种情况下，它们可以被用来显示与呈现给用户的虚拟内容相对应的全息图。

在一些实施例中，光源(11)可以不单独存在，而是可以附接到空间光调制器，诸如背光LCD模块。

在一些实施例中，可以根本不利用光源(11)，而是可以是图像源的固有部分，诸如自发射微OLED显示器。

在一些实施例中，PGU(106)可以被实现为扫描激光微型投影仪，在这种情况下，出射光瞳(16)的初始副本与微型投影仪的扫描镜重合。

在图10中，空间滤光器(151)和出射光瞳平面(17)之间的成像用单个成像透镜(22)完成。在另一个实施例中，成像透镜(22)可以用任意成像系统代替，该任意成像系统可以包括反射、折射、常规、多部分、衍射、自由形式组件，其中一些可以离轴使用和/或引入折叠。由用户观察到的虚拟图像首先在中间图像平面(32)上形成为真实图像。该真实图像由成像透镜(22)映射到最终虚拟图像。注意，中间图像平面(32)的位置取决于虚拟图像平面(204)距用户的距离。对于3D虚拟内容，用于每个虚拟图像平面(204)的中间图像平面(32)形成连续体。

参考图11，PGU(106)向光学转向装置提供照明，该光学转向装置在当前实施例中用扫描镜或转向镜(23)示出。当用户的眼睛(21)移动到如21-A、21-B、21-C所示的不同位置时，头部跟踪器相机(102)检测到用户瞳孔(21b)的新位置，并且转向镜(23)根据其偏转到位置23-A、23-B和23-C。

参考图12a，转向镜(23)有效地使位于其后面的虚拟空间围绕其旋转轴旋转。转向镜(23)的旋转也可以引起虚拟对象的旋转。需要根据用户的左眼和右眼(21，左)和(21，右)的位置及其位置来渲染正确的透视图像。在转向镜(23)与物体平面共轭的特定情况下，位于虚拟图像(105)平面上的虚拟对象保持静止，而不管转向镜(23)的旋转如何。转向镜(23)放置在成像透镜(22)和出射光瞳平面(17)之间的平面处。在这种情况下，所需的反射镜通光孔径尺寸会很大，但是所需的倾斜角将很小。成像透镜(22)也将很小。出射光瞳的转向可以经由扫描镜来实现。扫描镜可以放置在HUD系统中的各个位置处。

在图12a中，扫描镜放置在成像透镜(22)和出射光瞳平面(17)之间的平面处。在这种情况下，所需的反射镜孔径尺寸将很大，但是针对不同出射光瞳(16)位置所需的倾斜角将很小。

注意，在图12a中的配置中，对于相同的视场，成像透镜所需的孔径尺寸与图12c中的孔径尺寸相比更小。这在由成像光学器件引起的像差方面提供了额外的优点，并且还可能保持整个光学器件更紧凑。

注意，扫描镜有效地使位于其后面的虚拟空间围绕其旋转轴旋转。通常，如果图像源上的内容未被更新，则扫描镜也将引起虚拟对象的旋转。因此，通常，需要基于根据出射光瞳(16)的位置渲染的正确透视图像，针对每个新扫描位置计算图像源上的内容。

在旋转镜与物体平面共轭的特定情况下(诸如图12c)，放置在该平面上的虚拟物体保持静止，而不管扫描镜的移动如何。

在图12b中，空间滤光器(151)平面是光源(11)和出射光瞳平面(17)的光学共轭。给定图12b中所示的距离并假设成像透镜(22)具有有效焦距f，在当前实施例中满足以下关系：

在图12c中，转向镜(23)放置在空间滤光器(151)平面和成像透镜(22)之间的平面处。在这种情况下，转向镜(23)的所需通光孔径将更小，但是所需的倾斜角将更大。注意，对于相同的视场，与图12c相比，图12a的成像透镜(22)所需的通光孔径尺寸更小。较小的通光孔径提供了重要的附加优点，因为它减小了由成像透镜(22)或多个成像透镜引起的像差，并且减小了HUD(10)光学器件的总体积。

参考图13a，可以通过相对于另一个眼睛光模块(12)移动一个眼睛光模块(12)来补偿头部倾斜。图13b展示了使用两个折叠镜为一只眼睛垂直地移动出射光瞳(16)，其中，反射镜中的一个可以如图所示移动。折叠镜的垂直向上运动导致相应出射光瞳(16)的垂直向下移动。在一些实施例中，PGU(106)本身可以上/下或左/右移动以改变出射光瞳(16)的横向位置。

在一些其他实施例中，放置在PGU(106)之后的组件可以处于运动中以有效地移动PGU(106)，诸如图5(a)中所示的那些PGU。

图14a示出了常规HUD系统的内联等效物，其中，始终存在大的眼动范围。视场由虚拟图像平面(204)的尺寸确定，并且HUD(10)的尺寸随着视场和出射光瞳(16)的尺寸而增加。图14b示出了基于瞳孔跟踪器&转向镜(23)的HUD系统的内联等效物，其中，一次存在小的出射光瞳(16)，并且与用户的眼睛(21)一起转向。由于从虚拟对象点传递到小眼动范围的光线锥的减小，HUD的整体尺寸和体积与常规的非跟踪大眼动范围设计相比在体积上显著更小。图14c示出了通过转向镜(23)在出射光瞳平面(17)上转向的出射光瞳(16)。虚拟图像通过转向镜(23)的旋转而旋转。为了使虚拟对象在其位置处保持静止，PGU(106)上的内容应当通过适当的平移和旋转来更新。

参考图15，HUD(10)系统提供恒定的俯视角(210)(LDA，定义为垂直FOV的中心线)，而不管驾驶员的高度如何。零LDA是指用户注视的中心与水平平齐的情况。在标准风挡(101a)的情况下，这通常需要HUD(10)模块在风挡(101)下方平移，使得垂直FOV以LDA(210)为中心。同样地，整个HUD(10)在垂直方向上的平移使出射光瞳平面(17)在轴向方向上朝向和远离风挡(101)移动。在另一个实施例中，成像透镜(22)或透镜系统可以具有可调节的焦距，以便调节出射光瞳(16)的轴向位置。

参考图16，在替代实施例中，提供固定LDA(210)而不求助于平移运动HUD(10)可以仅围绕其中心位置旋转，这也可以通过将转向镜放置在HUD(10)的出口孔径处避免。全息光学元件(HOE)(206)可以使用激光干涉测量法律和全息术的原理针对三个波长进行记录，并放置在透明基板上，然后将透明基板放置在风挡(101)的内侧上。HOE(206)基本上像抛物面镜一样起作用，其将从HUD(10)开口的中心出射的光线成像到无穷远。以类似的方式，HUD(10)可以放置在方向盘后面、车辆天花板附近、后视镜位置附近的离轴位置或驾驶员后面，并且HOE(206)可以使用针对不同RGB波长光源和风挡倾斜角优化的附加倾斜项来调节LDA。

图17示出HUD(10)光学器件的小体积实现，其中，由PGU(106)产生的光用光束折叠镜(211)引导三次，然后由分束器(33)或优选地由偏振分束器(PBS)朝向以自由形态反射镜形式的成像透镜(22)反射，然后重定向到分束器(33)，使这次通过到达以转向镜(23)形式的光学转向装置(18)。可以通过调节风挡(101)相对于地面的角度并且通过在HUD内部或在风挡表面上添加偏振旋转膜来控制s偏振和p偏振的风挡反射比。这可以使佩戴偏光太阳镜的用户能够看到HUD显示器。

图18示出了当使用标准风挡(具有均匀厚度和平行表面)并且形成大的非跟踪出射光瞳时，显示器通常生成虚拟内容的重影图像(208)副本(左上)。一种解决方案是将虚拟显示器放置在无穷远处，在这种情况下，重影图像(208)和实际虚拟图像(105)彼此合并，消除重影问题(左下)。然而，该选项需要“图像源(LCD)”与成像透镜之间的较大分离，因此需要较大HUD体积。另一种解决方案是使用楔形风挡，在这种情况下，重影图像(208)和实际图像根据楔角(右上)对于比无穷远更近的某个虚拟图像距离彼此合并。然而，重影问题仍然仅针对单个虚拟图像距离解决。当驾驶员高度在头部体积(212)内变化时，楔形风挡(101b)解决方案不能很好地起作用，并且由于风挡(101)的光路和曲率的变化，重影图像问题仍然存在。在本发明中，眼睛跟踪的小出射光瞳HUD、实际出射光瞳和重影出射光瞳(205)在空间上彼此分离(右下)。因此，对于所有可能的虚拟图像距离，同时消除了重影问题，这对于小的和跟踪的出射光瞳HUD解决方案是独特的优点。

图19a示出了虚拟图像(105)和重影图像(208)之间的角分离的变化被示出为虚拟图像平面(204)距离或虚拟图像(105)距离(以屈光度为单位)的函数。当虚拟图像(105)距离被设置为无穷大时，重影图像(208)对于标准风挡(101a)不是问题。当角分离超过人眼的分辨率(1弧分)时，重影图像(208)变得明显，这是当虚拟图像(105)距离小于12米时的情况。具有一定恒定楔角的楔形风挡(101b)仅针对特定虚拟图像(105)距离消除重影图像(208)。图中示出了具有针对7.5米和2.5米优化的楔角的两种不同的楔形风挡(101b)。当风挡(101)平坦并且与地面或水平成35度角时，这种情况是有效的。模拟的假设是：风挡的折射率为1.5，风挡厚度在其中心处为5mm，并且风挡与驾驶员之间的距离为1米。

图19b示出了虚拟图像(105)和重影图像(208)之间的角分离的变化被示出为楔角的函数。当虚拟图像距离被设置为50米或更大时，楔角应当为0以避免重影图像。最佳楔角对于不同的虚拟图像(105)距离是不同的，如图所示。最佳楔角随着虚拟图像距离的减小而增加，并且对于所有虚拟图像距离，最佳楔角都为正。当风挡(101)为平坦并且与地面成35度角时，这种情况有效。风挡的折射率为1.5，并且在其中心处具有5mm的厚度。假设风挡与驾驶员之间的距离为1米。正楔角对应于风挡的外表面与地面形成更陡的角度。

图19c示出了眼动范围(出射光瞳(16))的中心与重影出射光瞳(205)或重影眼动范围之间的距离的变化被示出为楔角的函数。小于3mm的重影眼动范围分离(由虚线指示)导致眼动范围和重影眼动范围的重叠。然而，对于楔角的所有正值，分离大于3mm。当风挡(101)为平坦并且与地面成35度角时，这种情况是有效的。风挡的折射率为1.5，并且在其中心处具有5mm的厚度。假设风挡与驾驶员之间的距离为1米。正楔角对应于风挡的外表面与地面形成更陡的角度。假设出射光瞳(16)尺寸或眼动范围尺寸为3mm。

图20图示了要在HUD(10)上显示的典型仪表板图像。仪表板数据的一部分由速度计、发动机RPM、温度、时间读数和徽标组成。

图21示出了使用附接在反射镜背面的两个电磁致动电机的2轴能旋转转向镜(23)结构。配置被设计成使转向镜(23)结构的惯性最小化。在替代实施例中，可以使用双万向节结构。致动器电机及其控制器应当被设计成提供抗振性。安装在转向镜上的反射镜可以是具有光焦度的平面转向镜(23a)或曲面转向镜(23b)，或者是诸如分束器的半透明光学组件。光学转向装置(18)包括所述转向镜(23)、能够移动它们的致动器和控制它们的驱动器。

参考图22，中央凹显示器(31)组合了具有小FOV的中央显示器(30)和具有大FOV的外围显示器(29)。外围显示器(29)可以使用投影仪形成，该投影仪照射附接到风挡(101)的透明全息屏幕。由于外围显示器(29)图像出现在风挡(101)上，因此用户的眼睛(21)需要聚焦在风挡(101)上，以便看到外围显示器(29)内容的清晰图像。当用户的眼睛(21)聚焦在由中央显示器(30)(全息投影模块或LCoS、DMD或扫描激光投影仪)提供的虚拟图像(105)上时，外围显示器(29)图像看起来模糊，如图所示。

在本发明的实施例中，所述转向镜(23)放置在成像透镜(22)和风挡(101)之间，从而使转向镜(23)通光孔径小于成像透镜(22)的通光孔径。

在本发明的实施例中，空间光调制器图像出现在朝向风挡(101)远离出射光瞳平面(17)的25cm和100cm之间的距离处。

在本发明的实施例中，空间光调制器图像出现在朝向风挡(101)远离出射光瞳平面(17)的100cm和500cm之间的距离处。

在本发明的实施例中，空间光调制器图像出现在远离风挡(101)的出射光瞳平面(17)后面。

在本发明的实施例中，所述空间光调制器(13)是仅相位设备。

在本发明的实施例中，所述空间光调制器(13)是光学地组合的空间光调制器(13)的平铺阵列。

在本发明的实施例中，所述空间光调制器(13)在空间上调制来自光源(11)的入射光的相位、强度或组合。

在本发明的实施例中，所述空间光调制器(13)进一步包括包含滤色器的至少两个部分。

在本发明的实施例中，所述光源(11)是耦合到光纤的LED、超发光LED、激光二极管或激光光源。

在本发明的实施例中，所述光源(11)使用离轴照射或波导板入射在空间光调制器(13)上。

在本发明的一个方面，一种平视显示设备(10)包括至少一个图片生成单元(106)，其中，至少一个图片生成单元(106)中的每一个被配置为生成携带视觉信息的光束并创建虚拟图像(105)。

在本发明的另一方面，至少一个图片生成单元(106)中的每一个被配置为在出射光瞳平面(17)上形成出射光瞳(16)，以用于观看平视显示内容。

在本发明的另一方面，平视显示设备(10)进一步包括光学转向装置(18)，所述光学转向装置(18)被放置在至少一个图片生成单元(106)和出射光瞳平面(17)之间，使得由至少一个图片生成单元(106)创建的出射光瞳(16)在头部体积(212)的延伸的光瞳区域上跨出射光瞳平面(17)是能转向的，由此获得光高效且更小体积的平视显示设备(10)。

在本发明的另一方面，使用光学转向装置(18)动态地转向所述出射光瞳(16)，以与用户的瞳孔(21b)的位置对准。

在本发明的另一方面，至少一个图片生成单元(106)中的每一个被配置为形成中间出射光瞳平面(24)。

在本发明的另一方面，在虚拟图像(105)的光学共轭处形成中间图像平面(32)。

在本发明的另一方面，根据用户的瞳孔(21b)的位置来更新来自至少一个图片生成单元(106)中的每一个的视觉信息。

在本发明的另一方面，平视显示设备(10)是增强现实平视显示器，其中，通过风挡(101)或光学组合器看见图像。

在本发明的另一方面，出射光瞳(16)的尺寸被设计成沿着一个或两个轴延伸小于15mm。

在本发明的另一方面，两个单独的图片生成单元(106)被配置为生成携带视觉信息的两个光束，以针对每个虚拟图像形成两个不同的出射光瞳(16)。

在本发明的另一方面，一个图片生成单元(106)被配置为生成携带视觉信息的光束以针对一个虚拟图像形成覆盖用户的一只或两只眼睛(21)的一个出射光瞳(16)。

在本发明的另一方面，一个图片生成单元(106)被配置为生成携带用于一个中间图像平面(32)的视觉信息的光束，并且形成两个中间出射光瞳(24)。

在本发明的另一方面，形成中间图像平面(32)，使得无需光学漫射器或数值孔径(NA)扩展器。

在本发明的另一方面，所述出射光瞳(16)的短边小于1cm，使得出射光瞳(16)和重影(ghost)出射光瞳(205)基本上不重叠。

在本发明的另一方面，所述出射光瞳(16)的短边小于5mm，使得出射光瞳(16)和重影出射光瞳(205)基本上不重叠。

在本发明的另一方面，所述出射光瞳(16)的短边小于3mm，使得出射光瞳(16)和重影出射光瞳(205)基本上不重叠。

在本发明的另一方面，设备包括面向用户的头部跟踪器相机(102)，使得用户的瞳孔(21b)位置被检测。

在本发明的另一方面，头部跟踪器相机(102)和所述光学转向装置(18)同步操作。

在本发明的另一方面，图片生成单元(106)包括被配置为形成中间图像平面的投影仪、扫描激光器、微显示器、LCOS、DLP、OLED或全息投影仪。

在本发明的另一方面，图片生成单元(106)形成中间出射光瞳平面(24)，其中，使用空间滤光器(151)来控制出射光瞳(16)的尺寸。

在本发明的另一方面，光学转向装置(18)包括能旋转转向镜(23)。

在本发明的另一方面，所述光学转向装置(18)包括以EM致动电机、万向节电机、步进电机或3轴致动器形式的致动装置。

在本发明的另一方面，所述平视显示设备(10)包括具有用于左眼动范围和右眼动范围的公共致动器的两个图片生成单元(106)。

在本发明的另一方面，使用成像透镜(22)形成所述出射光瞳(16)，所述成像透镜(22)将中间出射光瞳平面(24)成像到出射光瞳(16)。

在本发明的另一方面，所述成像透镜(22)包括具有光焦度的至少一个表面，由反射透镜、衍射透镜、折射透镜、自由形态光学元件、全息光学元件或其组合组成。

在本发明的另一方面，所述图片生成单元(106)本身能够垂直地移动以改变出射光瞳(16)的横向位置。

在本发明的另一方面，所述图片生成单元(106)本身能够水平地移动以改变出射光瞳(16)的横向位置。

在本发明的另一方面，所述图片生成单元(106)本身能够在出射光瞳(16)的三个轴上移动。

在本发明的另一方面，所述平视显示设备(10)被配置为进行像差和失真校正算法。

在本发明的另一方面，所述转向镜(23)跨出射光瞳平面(17)对左眼出射光瞳(16)和右眼出射光瞳(16)两者一起执行转向。

在本发明的另一方面，由与用户的两只眼睛对齐的两个出射光瞳(16)中的每一个提供的视场在成像透镜(22)或转向镜(23)或虚拟转向镜位置(213)处提供全双目重叠。

在本发明的另一方面，所述风挡(101)被覆盖有用于成像的全息光学元件(206)。

在本发明的另一方面，无论驾驶员的高度如何，平视显示设备(10)系统具有恒定的俯视角(210)。

在本发明的另一方面，所述转向镜(23)被放置在光模块(12)和成像透镜(22)之间。

在本发明的另一方面，通过移动整个HUD(10)来在头部体积(212)内移动所述出射光瞳平面(17)。

在本发明的另一方面，通过移动整个平视显示设备(10)来减小所述俯视角(210)变化。

在本发明的另一方面，所述平视显示设备(10)包括头部跟踪系统和处理装置(20)，所述头部跟踪系统被配置为跟踪用户的头部的位移和用户的眼睛(21)瞳孔的中心位置，所述处理装置(20)实现对所述光学转向装置(18)的控制。

在本发明的另一方面，所述风挡(101)包括偏光膜，所述偏光膜被应用于使偏光的太阳镜看到HUD显示器。

在本发明的另一方面，光模块(12)中的指向光源在用户的面部上形成跟踪点(27)，其中，由头部跟踪系统来检测跟踪点(27)的坐标。

在本发明的另一方面，图片生成单元(106)被实现为扫描激光微型投影仪。

在本发明的另一方面，根据检测到的用户眼睛(21)的瞳孔位置，处理装置(20)将信号传递到光源(11)的阵列，光源(11)的阵列被配置成使得一次选择性地激活一个光源(11)。

在本发明的另一方面，使用来自头部跟踪系统的输入来选择开窗的二元(binary)液晶快门。

在本发明的另一方面，所述空间滤光器(151)被放置在用户的眼睛(21)和空间光调制器(13)之间形成的中间图像平面(32)上。

在本发明的另一方面，平视显示设备(10)被制造为嵌入在车辆中。

在本发明的另一方面，像差补偿包括与包括楔形风挡(101b)形式的风挡(101)的结构形式相关的像差。

在本发明的另一方面，通过垂直地机械移动光模块(12)中的至少一个以改变对应的出射光瞳(16)的位置来补偿用户头部倾斜。

在本发明的另一方面，通过使一个眼睛光模块(12)相对于另一个眼睛光模块(12)移动来补偿头部倾斜。

在本发明的另一方面，所述光模块(12)包括来自以下组件中的每一个的至少一个：微显示器、空间光调制器(13)、光源(11)、照明透镜(111)和至少一个折叠镜(211)。

在本发明的另一方面，所述图片生成单元(106)包括DMD或LCOS作为图像源。

在本发明的另一方面，所述图片生成单元(106)包括全息投影仪，其中，空间光调制器(13)被放置在准直光束路径上。

在本发明的另一方面，所述图片生成单元(106)包括被放置在所述中间出射光瞳平面(24)上的空间滤光器(151)，由此消除不期望的光束(14b)。

在本发明的另一方面，所述图片生成单元(106)包括透射式LCD面板和至少两个背照光源。

Claims (46)

1.一种平视显示设备(10)，包括至少一个图片生成单元(106)，其中，所述至少一个图片生成单元(106)中的每一个被配置为生成携带视觉信息的光束并且创建虚拟图像(105)，其特征在于：

所述至少一个图片生成单元(106)中的所述每一个被配置为在出射光瞳平面(17)上形成出射光瞳(16)，以用于观看平视显示内容；

其中，所述平视显示设备(10)进一步包括光学转向装置(18)，所述光学转向装置(18)被放置在所述至少一个图片生成单元(106)和所述出射光瞳平面(17)之间，使得由所述至少一个图片生成单元(106)创建的所述出射光瞳(16)在头部体积(212)的延伸的光瞳区域上跨所述出射光瞳平面(17)是能转向的，由此获得光高效且更小体积的平视显示设备(10)，

并且其中，使用所述光学转向装置(18)动态地转向所述出射光瞳(16)，以与用户的瞳孔(21b)的位置对准，

并且其中，所述至少一个图片生成单元(106)中的所述每一个被配置为形成中间出射光瞳平面(24)，

并且其中，在所述虚拟图像(105)的光学共轭处形成中间图像平面(32)，

其中，根据所述用户的瞳孔(21b)的位置来更新来自所述至少一个图片生成单元(106)中的每一个的所述视觉信息。

2.如权利要求1所述的平视显示设备(10)，其特征在于，所述平视显示设备(10)是增强现实平视显示器，其中，通过风挡(101)或光学组合器看见所述图像。

3.如权利要求1所述的平视显示装置(10)，其特征在于，所述出射光瞳(16)的尺寸被形成为沿着一个或两个轴延伸小于15mm。

4.如权利要求1所述的平视显示设备(10)，其特征在于，两个单独的图片生成单元(106)被配置为生成携带视觉信息的两个光束，以针对每个虚拟图像形成两个不同的出射光瞳(16)。

5.如权利要求1所述的平视显示设备(10)，其特征在于，一个图片生成单元(106)被配置为生成携带视觉信息的光束以针对一个虚拟图像形成覆盖用户的一只或两只眼睛(21)的一个出射光瞳(16)。

6.如权利要求1所述的平视显示设备(10)，其特征在于，一个图片生成单元(106)被配置为生成携带用于一个中间图像平面(32)的视觉信息的光束，并且形成两个中间出射光瞳(24)。

7.如权利要求1所述的平视显示装置(10)，其特征在于，形成所述中间图像平面(32)，使得无需光学漫射器或数值孔径(NA)扩展器。

8.如权利要求1所述的平视显示装置(10)，其特征在于，所述出射光瞳(16)的短边小于1cm，使得出射光瞳(16)和重影出射光瞳(205)基本上不重叠。

9.如前述权利要求1中的任一项所述的平视显示设备(10)，其特征在于，所述出射光瞳(16)的短边小于5mm，使得出射光瞳(16)和重影出射光瞳(205)基本上不重叠。

10.如前述权利要求1中的任一项所述的平视显示设备(10)，其特征在于，所述出射光瞳(16)的短边小于3mm，使得出射光瞳(16)和重影出射光瞳(205)基本上不重叠。

11.如权利要求1所述的平视显示设备(10)，其特征在于，所述设备包括面向所述用户的头部跟踪器相机(102)，使得所述用户的瞳孔(21b)位置被检测。

12.如权利要求1或11所述的平视显示设备(10)，其特征在于，所述头部跟踪器相机(102)和所述光学转向装置(18)同步操作。

13.如前述权利要求中的任一项所述的平视显示设备(10)，其特征在于，所述图片生成单元(106)包括被配置为形成中间图像平面的投影仪、扫描激光器、微显示器、LCOS、DLP、OLED或全息投影仪。

14.如前述权利要求中的任一项所述的平视显示设备(10)，其特征在于，所述图片生成单元(106)形成中间出射光瞳平面(24)，其中，使用空间滤光器(151)来控制所述出射光瞳(16)的尺寸。

15.如权利要求1或权利要求12所述的平视显示设备(10)，其特征在于，所述光学转向装置(18)包括能旋转转向镜(23)。

16.如权利要求1或权利要求15所述的平视显示设备(10)，其特征在于，所述光学转向装置(18)包括以EM致动电机、万向节电机、步进电机或3轴致动器形式的致动装置。

17.如权利要求1或权利要求4所述的平视显示设备(10)，其特征在于，所述平视显示设备(10)包括具有用于左眼动范围和右眼动范围的公共致动器的两个图片生成单元(106)。

18.如权利要求1或权利要求14所述的平视显示装置(10)，其特征在于，使用成像透镜(22)形成所述出射光瞳(16)，所述成像透镜(22)将中间出射光瞳平面(24)成像到出射光瞳(16)。

19.如权利要求18所述的平视显示装置(10)，其特征在于，所述成像透镜(22)包括具有光焦度的至少一个表面，由反射透镜、衍射透镜、折射透镜、自由形态光学元件、全息光学元件或其组合组成。

20.如前述权利要求中的任一项所述的平视显示装置(10)，其特征在于，所述图片生成单元(106)本身能够垂直地移动以改变所述出射光瞳(16)的横向位置。

21.如前述权利要求中的任一项所述的平视显示装置(10)，其特征在于，所述图片生成单元(106)本身能够水平地移动以改变所述出射光瞳(16)的横向位置。

22.如前述权利要求中的任一项所述的平视显示设备(10)，其特征在于，所述图片生成单元(106)本身能够在出射光瞳(16)的三个轴上移动。

23.如权利要求1所述的平视显示设备(10)，其特征在于，所述平视显示设备(10)被配置为进行像差和失真校正算法。

24.如权利要求1或权利要求5所述的平视显示设备(10)，其特征在于，所述转向镜(23)跨所述出射光瞳平面(17)对左眼出射光瞳(16)和右眼出射光瞳(16)两者一起执行转向。

25.如权利要求1、权利要求4或权利要求6所述的平视显示设备(10)，其特征在于，由与所述用户的两只眼睛对齐的两个出射光瞳(16)中的每一个提供的视场在所述成像透镜(22)或所述转向镜(23)或所述虚拟转向镜位置(213)处提供全双目重叠。

26.如权利要求2所述的平视显示装置(10)，其特征在于，所述风挡(101)被覆盖有用于成像的全息光学元件(206)。

27.如前述权利要求中的任一项所述的平视显示设备(10)，其特征在于，无论驾驶员的高度如何，所述平视显示设备(10)系统具有恒定的俯视角(210)。

28.如权利要求15或权利要求18所述的平视显示装置(10)，其特征在于，所述转向镜(23)被放置在所述光模块(12)和所述成像透镜(22)之间。

29.如前述权利要求中的任一项所述的平视显示设备(10)，其特征在于，通过移动整个所述HUD(10)来在所述头部体积(212)内移动所述出射光瞳平面(17)。

30.如权利要求27所述的平视显示设备(10)，其特征在于，通过移动整个所述平视显示设备(10)来减小所述俯视角(210)变化。

31.如前述权利要求中的任一项所述的平视显示设备(10)，其特征在于，所述平视显示设备(10)包括头部跟踪系统和处理装置(20)，所述头部跟踪系统被配置为跟踪所述用户的头部的位移和所述用户的眼睛(21)瞳孔的中心位置，所述处理装置(20)实现对所述光学转向装置(18)的控制。

32.如权利要求2所述的平视显示设备(10)，其特征在于，所述风挡(101)包括偏光膜，所述偏光膜被应用于使偏光的太阳镜看到HUD显示器。

33.如前述权利要求中的任一项所述的平视显示设备(10)，其特征在于，所述光模块(12)中的指向光源在用户的面部上形成跟踪点(27)，其中，由所述头部跟踪系统来检测所述跟踪点(27)的坐标。

34.如前述权利要求中的任一项所述的平视显示设备(10)，其特征在于，所述图片生成单元(106)被实现为扫描激光微型投影仪。

35.如前述权利要求中的任一项所述的平视显示设备(10)，其特征在于，根据检测到的所述用户的眼睛(21)瞳孔位置，所述处理装置(20)将信号传递到：

光源(11)的阵列，所述光源(11)的阵列被配置成使得一次选择性地激活一个光源(11)。

36.如前述权利要求中的任一项所述的平视显示设备(10)，其特征在于，二元液晶快门被放置在使用来自头部跟踪系统的输入来选择开窗的所述中间出射光瞳平面(24)处。

37.如权利要求14所述的平视显示设备(10)，其特征在于，所述空间滤光器(151)被放置在用户的眼睛(21)和空间光调制器(13)之间形成的中间图像平面(32)上。

38.如前述权利要求中的任一项所述的平视显示设备(10)，所述平视显示设备(10)被制造为嵌入在车辆中。

39.如权利要求2所述的平视显示装置(10)，像差补偿包括与包括楔形风挡(101b)形式的风挡(101)的结构形式相关的像差。

40.如前述权利要求中的任一项所述的平视显示设备(10)，其特征在于，通过垂直地机械移动光模块(12)中的至少一个以改变对应的所述出射光瞳(16)的位置来补偿用户头部倾斜。

41.如前述权利要求中的任一项所述的平视显示设备(10)，其特征在于，通过使一个眼睛光模块(12)相对于另一个眼睛光模块(12)移动来补偿头部倾斜。

42.如前述权利要求中的任一项所述的平视显示装置(10)，其特征在于，所述光模块(12)包括来自以下组件中的每一个的至少一个：微显示器、空间光调制器(13)、光源(11)、照明透镜(111)和至少一个折叠镜(211)。

43.如前述权利要求中的任一项所述的平视显示设备(10)，其特征在于，所述图片生成单元(106)包括DMD或LCOS作为图像源。

44.如前述权利要求中的任一项所述的平视显示设备(10)，其中，所述图片生成单元(106)包括全息投影仪，其中，空间光调制器(13)被放置在准直光束路径上。

45.如前述权利要求中的任一项所述的平视显示设备(10)，其特征在于，所述图片生成单元(106)包括被放置在所述中间出射光瞳平面(24)上的空间滤光器(151)，由此消除不期望的光束(14b)。

46.如前述权利要求中的任一项所述的平视显示设备(10)，其特征在于，所述图片生成单元(106)包括透射式LCD面板和至少两个背照光源。

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