CN115016121A - 平视显示器 - Google Patents

Abstract

一种平视显示器，其布置成形成从眼框区域可观看的虚拟图像。平视显示器布置成接收基本四边形显示区域的子区内的图片内容。平视显示器还包括光学中继系统，该光学中继系统布置成将接收到的图片内容中继到平视显示器的眼框，使得图片内容的虚拟图像从其可见。光学中继系统包括至少一个光学部件，其形状对应于子区的形状。眼框区域的形状是非矩形的，例如裁剪角的矩形或椭圆形。

Description

平视显示器

技术领域

本公开涉及投影仪和平视显示器。更具体地，本公开涉及用于车辆比如机动车辆的全息投影仪和平视显示器。本公开还涉及全息投影的方法、在平视显示器中投影虚拟图像的方法以及使用平视显示器在窗户比如挡风玻璃上显示虚拟图像的方法。

背景技术

从物体散射的光包含振幅和相位信息。可以通过众所周知的干涉技术在例如感光板上捕获该振幅和相位信息，以形成包括干涉条纹的全息记录或“全息图”。可以通过用合适的光照射来重建全息图，以形成代表原始物体的二维或三维全息重建或重放图像。

计算机生成的全息术可以在数值上模拟干涉过程。可以通过基于数学变换比如菲涅耳或傅立叶变换的技术来计算计算机生成的全息图“CGH”。这些类型的全息图可被称为菲涅耳或傅立叶全息图。傅立叶全息图可被认为是物体的傅立叶域表示或物体的频域表示。例如，还可以通过相干光线跟踪或点云技术来计算CGH。

CGH可被编码在空间光调制器“SLM”上，该空间光调制器布置成调制入射光的振幅和/或相位。例如，可以使用电可寻址液晶、光可寻址液晶或微镜来实现光调制。

SLM可以包括多个单独可寻址像素，其也可被称为单元或元素。光调制方案可以是二元的、多级或连续的。可替代地，该设备可以是连续的(即不包括像素)，因此光调制可以在设备上是连续的。SLM可以是反射性的，这意味着调制光以反射从SLM输出。SLM可以同样是透射性的，这意味着调制光以透射从SLM输出。

使用所描述的技术可以提供用于成像的全息投影仪。这种投影仪已经在平视显示器“HUD”和头戴式显示器“HMD”中得到应用，例如包括近眼设备。传统上，矩形区域(这里称为虚拟图像区域)限定在驾驶员的视场中，并且平视显示器可以在该矩形区域中显示图像内容。

发明内容

在所附的独立权利要求中定义了本公开的各个方面。

这里公开了一种用于机动车辆的改进的HUD。HUD包括图片生成单元。图片生成单元可以布置成生成包括诸如速度或导航信息的信息内容的图片。还提供了一种光学中继或投影系统，其布置成形成信息内容的虚拟图像。信息内容的虚拟图像可以形成在驾驶员的合适观看位置，例如在驾驶员操作机动车辆时的正常视场内。例如，信息内容的虚拟图像可以出现在车辆的发动机罩(或引擎罩)下方距驾驶员一定距离处。信息内容的虚拟图像定位成不会不利地影响驾驶员对场景的正常观看。信息内容的虚拟图像可以覆盖在驾驶员对真实世界的视场上。信息内容是计算机生成的，并且可被实时控制或更新，以向驾驶员提供实时信息。

仅作为示例，实施例涉及包括全息投影仪的图片生成单元。本公开与任何显示技术兼容。在涉及全息投影仪的实施例中，图片是计算机生成的全息图的全息重建。图片可以形成在或投射到用作显示表面的光接收表面上。基于下面详细描述的全息投影仪的HUD能够提供比目前可用的竞争技术大得多的对比度，因为全息过程的效率及其与激光光源一起使用的固有适用性。

平视显示器可以包括全息处理器。图片可以是全息重建。全息处理器可以布置成将计算机生成的全息图输出到空间光调制器。计算机生成的全息图可以布置成至少部分地补偿车辆挡风玻璃的形状。

该系统可以布置成通过从挡风玻璃反射空间调制的光来使用挡风玻璃形成图片的虚拟图像。光源可以是激光器和/或图片的光可以是激光。空间光调制器可以是硅上液晶空间光调制器。图片可以通过空间调制光在光接收表面的干涉过程形成。每个计算机生成的全息图可以是图片的数学变换，可选地，傅立叶或菲涅耳变换。计算机生成的全息图可以是傅立叶或菲涅耳全息图。计算机生成的全息图可以是通过点云方法计算机生成的全息图。空间光调制器可以布置成对来自光源的光的相位进行空间调制。空间光调制器可以布置成对来自光源的光的振幅进行空间调制。

然而，一些实施例仅以举例的方式描述了基于全息投影的图片生成单元。同样，本公开同样适用于任何类型的图片生成单元，包括背光液晶显示器、激光扫描显示器、数字微镜装置“DMD”、荧光显示器和等离子显示器。

提供了一种用于具有窗户的车辆的平视显示器。平视显示器包括图片生成单元和投影引擎。图片生成单元布置成输出图像。投影引擎(或光学系统)布置成接收由图片生成单元输出的图像，并将图片投影到车窗上，以便在(公共)虚拟图像区域内形成每个图片的虚拟图像。图片生成单元布置成输出裁剪图片区域内的图片，使得虚拟图像区域具有相应的裁剪形状。

可以说虚拟图像区域(或区或空间)是一个视场。该系统的图片生成单元、投影光学器件和眼框根据光学设计共同限定虚拟图像区域的大小、形状和位置。可以说，虚拟图像区域被向下投影到道路上，以在道路上形成光覆盖区。如果图片区域被完全照亮，虚拟图像区域将被完全照亮。也就是说，如果图片区域的整个区域被照亮，那么虚拟图像区域的整个区域将被照亮。然而，图像内容(例如导航箭头)可以显示在图片区域的子区中，在这种情况下，投影的虚拟图像将仅出现在虚拟图像区域的相应子区中。

提供了一种用于具有窗户的车辆的平视显示器。平视显示器包括图片生成单元和投影引擎。图片生成单元布置为输出图片。投影引擎布置成接收由图片生成单元输出的图片，并将图片投影到车窗上，以便在虚拟图像区域内形成图片的虚拟图像。图片生成单元布置为在具有裁剪形状的图片区域内输出图片，使得虚拟图像区域具有相应的裁剪形状。

提供了一种用于具有窗户的车辆的平视显示器，该平视显示器包括图片生成单元和投影引擎。图片生成单元布置成生成图片。投影引擎布置成将图片投影到窗户上，以便在窗户中形成每个图片的虚拟图像，其中虚拟图像形成在具有裁剪形状的公共虚拟图像区域内。

传统上，虚拟图像区域是矩形的。发明人质疑了虚拟图像区域应该是矩形的假设，并且认识到这对整个平视显示系统的限制是不合理的，并且事实上阻碍了车辆中下一代增强现实平视显示器的发展。值得注意的是，发明人已经认识到如本公开中所阐述的裁剪虚拟图像区域的价值。虚拟图像区域中被裁剪掉的区域对于在车辆的平视显示器中显示图片内容不是特别有用。特别地，虚拟图像区域的下部区域的一个或两个三角形部分很大程度上是多余的，因为在给定车辆可能预期行驶的典型速度的情况下，它们离驾驶员太近。就图片生成单元和投影引擎的光学和空间需求而言，去除这两个三角形部分的优点超过了不能在这些区域显示图片内容的缺点。发明人突破了平视显示器设计的基本假设，并提供了一种平视显示器，其代表了对传统的重大突破，这可以通过理解本领域中的偏见来理解。

图片生成单元可以布置成仅生成图片区域的裁剪形状内的图片。可以说图片区域(例如全息重放场)受到了限制。更具体地，图片区域(例如全息重放场)的空间范围受到限制。可替代地或另外，图片生成单元还包括物理掩模，该物理掩模布置成阻挡图片的裁剪形状之外的图片的光。

投影引擎的主要目的是放大图片，并将其中继到虚拟图像区域。因此，投影引擎可以是放大引擎或放大光学器件。在图片和虚拟图像之间基本存在一对一的关联。目的是使虚拟图像区域成形，并且这可以通过驱动图片生成单元仅提供裁剪形状内的图片内容来方便地实现。因此，通过简单地改变所用图片区域的形状，可以使用传统系统来提供根据本公开的平视显示器。也就是说，只需要软件修改。

根据本公开的平视显示器的好处可以通过将投影引擎布置成仅投影图片区域的裁剪形状内的图片的光来感受到。例如，投影引擎包括至少一个光学元件(或光学部件),其具有根据图片区域和/或虚拟图像区域的裁剪形状裁剪的形状。

提供了一种减小平视显示器体积的方法。平视显示器包括图片生成单元、光学系统和光学组合器。图片生成单元布置为在屏幕上的显示区域内显示图片内容，其中显示区域具有四边形形状。光学系统布置成将来自显示区域的光引导至光学组合器。光学组合器布置成将来自显示区域的光反射到眼框，从而形成图片内容的虚拟图像。方法包括将图片内容限制到显示区域的子区域。方法还包括将子区域映射到光学系统的光学部件上，以识别该部件的有效区域。方法还包括对应于有效区域成形部件，以减小部件的无效区域。

提供了一种减小平视显示器体积的方法。平视显示器包括图片生成单元、光学系统和光学组合器。图片生成单元布置成在屏幕上的四边形区域内显示图片内容。光学系统布置成将来自四边形区域的光引导至光学组合器。光学组合器布置成将来自四边形区域的光反射到眼框，从而形成图片内容的虚拟图像。方法包括将图片内容限制到四边形区域的子区域。方法还包括将子区域映射到光学系统的光学部件上，以识别部件的有效区域。方法还包括对应于有效区域成形部件，以减小部件的无效区域。

减小平视显示器的体积的方法还可以包括定义眼框(或“眼框区域”)，所述眼框包括观看者可以清楚完整地看到图片内容的虚拟图像的眼位置(优选地，多个眼位置)。与传统的眼框形状相比，定义眼框的步骤可以包括改变眼框的形状。例如，它可以包括定义非矩形眼框。非矩形眼框可以具有“核心”或中心矩形形状，其中一个或多个角或其它部分被去除，以限定改变的(和改进的)眼框形状。

所述方法可以包括根据眼框的形状进一步成形光学系统的光学部件，以进一步减小部件的无效区域。

还提供了一种平视显示系统，包括图片生成单元、光学系统和光学组合器。图片生成单元布置成在屏幕上的子区域内显示图片内容，其中子区域具有包括至少五个边的形状。光学系统布置成中继来自子区域的光。光学组合器布置成接收来自光学系统的中继光，并将光反射到眼框，从而形成图片内容的虚拟图像。光学系统的至少一个光学部件具有对应于子区域形状的形状。

一种平视显示器布置成形成可从眼框区域观看的虚拟图像。平视显示器包括图片生成单元，其包括布置成形成基本四边形显示区域的规则像素阵列。平视显示器还包括显示控制器，其布置成将图片生成单元的图片内容显示到显示区域的子区域。在一些实施例中，显示控制器布置为将图片生成单元的图片内容限制到显示区域的子区域。显示控制器可以是图片生成单元的一部分。平视显示器还包括光学中继系统，其布置成将来自显示区域的子区域的光中继到平视显示器的眼框，使得子区域内的图片内容的虚拟图像从其可见。光学中继系统包括至少一个光学部件，其形状对应于子区域的形状。眼框区域的形状是非矩形的。光学部件的形状可以与子区的形状和眼框区域的形状相对应。

这里还公开了一种平视显示器，其布置成形成可从眼框区域观看的虚拟图像。平视显示器布置成接收被限制到基本四边形显示区域的子区域的图片内容。平视显示器还包括光学中继系统，其布置成将接收到的图片内容中继到平视显示器的眼框，使得图片内容的虚拟图像从其可见。光学中继系统包括至少一个光学部件，其形状对应于子区域的形状。眼框区域的形状是非矩形的。光学部件的形状可以与子区的形状和眼框的形状相对应。

根据本公开的第一方面，一种平视显示器布置成形成可从眼框区域观看的虚拟图像。平视显示器包括图片生成单元，其包括布置成形成基本四边形显示区域的规则像素阵列。平视显示器还包括显示控制器，其布置成将图片生成单元的图片内容显示到显示区域的子区。术语“子区”和“子区域”在本文中可互换使用。在一些实施例中，显示控制器布置为将图片生成单元的图片内容限制到显示区域的子区。显示控制器可以是图片生成单元的一部分。平视显示器还包括光学中继系统，其布置成将来自显示区域的子区的光中继到平视显示器的眼框，使得子区内的图片内容的虚拟图像从其可见。光学中继系统包括至少一个光学部件，其形状对应于子区的形状。眼框区域的形状是非矩形的。光学部件的形状可以与子区的形状和眼框的形状相对应。

更一般地，这里公开了一种平视显示器，其布置成形成可从眼框区域观看的虚拟图像。平视显示器布置成接收基本四边形显示区域的子区(例如限于子区)内的图片内容。平视显示器还包括光学中继系统，其布置成将接收到的图片内容中继到平视显示器的眼框，使得图片内容的虚拟图像从其可见。光学中继系统包括至少一个光学部件，其形状对应于子区的形状。眼框区域的形状是非矩形的。光学部件的形状可以与子区的形状和眼框的形状相对应。

实现了两个显著的优点。首先，平视显示器的物理尺寸减小。平视显示器通常容纳在车辆的仪表板内。与车辆中的其他先进系统相比，平视显示器相对较大，因为需要大的反射镜和大的光学行程来实现必要的放大。座舱空间内的不动件—尤其是仪表板容积内—在包含许多复杂电子系统的现代车辆中非常有价值，而平视显示器在不动件方面非常昂贵。已经发现，截断或裁剪虚拟图像区域的至少一个或两个角可以显著节省空间，因为投影引擎的至少一个光学元件可以相应地被裁剪。第二，如同任何光学部件一样，光学部件的性能随着离光轴的距离而下降。特别是，像差随着离光轴的距离而增加。因此，投影引擎的至少一个光学元件的最外面部分对图像质量具有最有害的影响。因此，通过减小投影引擎的至少一个光学元件上的光覆盖区的尺寸来提高整体图像质量，如本文所述。

根据本公开的裁剪的虚拟图像可以是远场虚拟图像。远场虚拟图像可以传达导航信息。平视显示器也可以布置成形成近场虚拟图像。例如，近场虚拟图像可以传达速度信息。

子区域可以具有包括至少五个边的形状。该形状可以有六个或八个边。形状可以是不规则的。该形状的至少一个边可以是弯曲的。

将子区域映射到光学系统的光学部件上可以包括将形成图像的光线从屏幕的子区域追踪到光学部件，以识别光学部件上对应于有效区域的光覆盖区。使部件成形可以包括减小部件的物理尺寸。

平视显示器可以容纳在车辆中。光学组合器可以是容纳平视显示器的车辆的挡风玻璃。虚拟图像可以覆盖车辆前方的地面区域。

限制图片内容的步骤可以包括排除四边形显示区域的区，否则该区域会形成覆盖最靠近车辆和/或四边形显示区域的一边的区域的虚拟图像。该方法还可以包括对应于子区减小屏幕的物理尺寸。图片生成单元可以包括全息投影仪。子区域可以是全息重放场的子区域。光学系统可以具有光焦度。

至少一个光学元件(或部件)可以是反射性的。这种方法提供了一种紧凑的系统，因为反射光学元件可以用来折叠光学路径。至少一个光学元件可以是镜子。至少一个光学元件可以具有光焦度，使得每个虚拟图像是相应图片的放大图像和/或虚拟图像区域是图片区域的放大图像。虚拟图像区域(从眼框区域)对着的角度在最宽处可以是5到15度，比如10+/-2度，在最高点处可以是2到5度，比如3.5+/-0.5度。图片区域在最宽处可以是20至120毫米，比如55+/-15毫米，在最高点处可以是10至50毫米，例如25+/-10毫米。至少一个光学元件可以具有自由光学表面，其配置为对窗户形状进行光学补偿，使得虚拟图像不被窗户失真。因此，至少一个光学元件可以是多用途的，这有利于减少部件数量并减少光学损耗。

虚拟图像区域的裁剪形状可以通过截断一个或两个角由矩形形成，使得裁剪形状具有至少五个边。已经被裁剪掉的虚拟图像区域的较低区的值不被保证。事实上，虚拟图像区域的裁剪形状可以包括具有至少一个截角的多边形状(例如多边形),使得裁剪形状具有至少五个边。虚拟图像区域的裁剪形状可以通过截断矩形的两个或四个角来形成，使得裁剪形状具有至少八个或十个边。提供了一种用于增强现实的改进平视显示器。

虚拟图像可用于增强驾驶员的现实感。虚拟图像覆盖道路的一个区域。覆盖区域最好是对称的。然而，因为驾驶员位于车辆的一侧(即右侧)，发明人已经认识到，可能有利的是虚拟图像区域的形状不对称。更具体地，虚拟图像区域的不对称性可以布置成在视觉上补偿车辆内驾驶员的空间偏移位置。虚拟图像区域的不对称性可以布置成覆盖空间的对称区。可以通过改变虚拟图像区域的边长来提供不对称性。例如，形状的相对边可以具有不同的长度。可选地，该形状的所有对边具有不同的长度。

值得注意的是，发明人还质疑了眼框应该是矩形的假设。传统上，眼框是矩形的。这与矩形显示设备是协同的。在使用背光的传统显示器(即非全息显示器)中，未使用或关闭的像素代表浪费的光，并且对光学效率有负面影响。本领域技术人员会立即放弃将图片内容限制到显示区域的子区域的想法，因为图像对比度和亮度在平视显示器中是如此巨大的挑战，因此通过限制图片内容区域来浪费光是不可接受的，如本文公开。然而，在某些情况下，其他区域的收益可能会超过这些损失—如本文所述。

眼框区域是虚拟图像可见的空间区域。更具体地，眼框区域是整个虚拟图像完全可见的区域，即虚拟图像的所有区域都是可见的。在设计过程中优化了眼框的位置、尺寸和形状。系统的光学性能针对所需的眼框进行了优化。眼框可被认为是包含多个最佳观看位置的区域。如果眼框太小，可以容忍很小的观看者移动。如果眼框太大，物理和光学要求就变得不切实际。传统上，眼框的形状是矩形的，并且是瞳孔间距离的两倍，使得能够在一定范围内运动，在该范围内保持虚拟图像的双眼视图。在一些实施例中，眼框是包含所有优化眼位置的观看窗，从这些位置，子区内的图片内容的整个/全部/完整的虚拟图像对于双眼都是可见的。

根据本公开，眼框的位置和尺寸由人类工效学和建模来确定，并且眼框的形状由移动车辆中的头部和眼运动的分析来告知。根据本公开，优化的眼框形状对光学部件的尺寸和整个平视显示器封装的尺寸非常有利。

眼框区域可以包括基本四边形核心形状和至少一个裁剪角。术语“裁剪”仅仅是为了方便描述形状。具体地，它反映出所得到的形状与四边形的一个角被裁剪掉、切掉或切除后所形成的形状相同。因此，术语“裁剪”仅仅表示四边形核心或中心形状的一部分看起来不存在。术语“裁剪”并不反映实现所得形状的方法。所得形状小于四边形核心形状。四边形核心形状可以是矩形，可选地，其中矩形的长尺寸在正常使用期间是基本水平的。这里公开的裁剪可以是直的。在一些实施例中，每个裁剪角具有三角形形状。术语“核心”用于指形状的中心、主要或主导部件/特征。

眼框区域可以具有八边形形状或菱形形状。眼框可以具有包括至少五条直边的形状，可选地，包括至少六条直边，例如八条直边。

至少一个裁剪角包括两个或四个裁剪角。两个或四个裁剪角在至少一个维度上尺寸相等，可选地，在两个垂直维度上尺寸相等。每个裁剪角在第一维度上的尺寸可以是眼框区域在第一维度上的最大尺寸的15％到45％。可选地，眼框区域可替代地具有基本椭圆形形状。

图片生成单元可以是任何类型的。图片生成单元可以是全息投影仪。图片生成单元可以包括光源和空间光调制器。光源可以布置成发光。空间光调制器可以布置成接收来自光源的光，并根据显示在空间光调制器上的计算机生成的全息图对光进行空间调制，以形成符合每个图片的全息重建。全息重建就是图片。全息重建可以在自由空间中形成，或者可以在诸如屏幕或漫射器的表面上形成。因此，图片生成单元可以进一步包括光接收表面，其布置成接收空间调制光，从而在其上形成符合图片的每个全息重建。

窗户可以是挡风玻璃。因此，平视显示器可以通过增强现实性在驾驶过程中为驾驶员提供有用的信息。

术语“对应”和“与…对应”在这里相对于一对元件或部件使用，以反映第一元件(例如面积、形状或图像)的物理特性和第二元件的物理特性之间的广泛相关性，使得第一元件的变化引起第二元件的类似或甚至等同或对应的变化。“对应的”元件在形状上可以相同或基本相同，但它们不一定如此。例如,“对应的”元件可以具有相同或基本相同的总体形状，但尺寸不同。例如，第二元件可以是第一元件的完美或不完美放大。因此，单词“对应的”进一步用于反映第一元件的总体形式(例如形状)与第二元件的形式密切相关和/或基于第二元件的形式。第一元件和第二元件之间的差异可能由系统部件中的具有复杂曲率(比如挡风玻璃光学组合器)缺陷的部件引起，比如光学像差或失真，或者对缺陷的对策，比如校正因子。

这里使用的术语“图片的光”是指形成图片的光。“图片的光”可以是单色的，也可以是多色的。“图片的光”可以是复合色。例如，“图片的光”可以包括红光、绿光和蓝光。“图片的光”可以是偏振的。

术语“全息图”用来指包含关于物体的振幅信息或相位信息或者其某种组合的记录。术语“全息重建”用于指通过照射全息图形成的物体的光学重建。这里使用的术语“重放平面”是指全息重建完全形成的空间中的平面。这里使用的术语“重放场”是指可以从空间光调制器接收空间调制光的重放平面的子区域。术语“图像”、“重放图像”和“图像区”是指由形成全息重建的光照射的重放场的区域。在实施例中，“图像”可以包括可被称为“图像像素”的离散点。

术语“编码”、“写入”或“寻址”用于描述向SLM的多个像素提供相应的多个控制值的过程，这些控制值分别确定每个像素的调制水平。可以说SLM的像素配置成响应于接收多个控制值而“显示”光调制分布。因此，可以说SLM“显示”全息图。

已经发现，可接受质量的全息重建可以由仅包含与原始物体相关的相位信息的“全息图”形成。这种全息记录可被称为仅相位全息图。实施例涉及仅相位全息图，但本公开同样适用于仅振幅全息术。

本公开也同样适用于使用与原始物体相关的振幅和相位信息来形成全息重建。在一些实施例中，这是通过使用包含与原始物体有关的振幅和相位信息的所谓全复数全息图的复数调制来实现的。因为分配给全息图的每个像素的值(灰度级)具有振幅和相位分量，所以这种全息图可被称为全复数全息图。分配给每个像素的值(灰度级)可以表示为具有振幅和相位分量的复数。在一些实施例中，计算全复数计算机生成的全息图。

可以参考计算机生成的全息图或空间光调制器的像素的相位值、相位分量、相位信息或者简单地说是相位，作为“相位延迟”的简写。即，所描述的任何相位值实际上是代表该像素提供的相位延迟量的数字(例如在0至2π范围内)。例如，空间光调制器的描述为具有π/2相位值的像素将使接收光的相位改变π/2弧度。在一些实施例中，空间光调制器的每个像素可在多个可能的调制值(例如相位延迟值)之一中操作。术语“灰度级”可以用来指多个可用的调制水平。例如，术语“灰度级”可以为了方便而用于指代仅相位调制器中的多个可用相位水平，即使不同的相位水平没有提供不同的灰色阴影。为了方便起见，术语“灰度级”也可以用来指复数调制器中的多个可用复数调制水平。

尽管可以在下面的详细描述中分别公开不同的实施例和实施例组，但任何实施例或实施例组的任何特征可以与任何实施例或实施例组的任何其他特征或特征的组合相结合。即，设想了本公开中所公开的特征的所有可能的组合和置换。

附图说明

仅参考以下附图以示例的方式描述特定实施例：

图1是示出在屏幕上产生全息重建的反射型SLM的示意图；

图2A示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的第一迭代；

图2B示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的第二及后续迭代；

图2C示出了示例Gerchberg-Saxton类型算法的替代第二及后续迭代；

图3是反射型LCOS SLM的示意图；

图4A示出了具有第一常规配置的平视显示器的视场和眼框区域；

图4B示出了具有包括裁剪视场的第二配置的平视显示器的视场和眼框区域；

图4C示出了根据实施例的具有第三配置的平视显示器的视场和眼框区域；

图4D示出了平视显示器的视场，其中图片内容显示在如图4B和4C所示的裁剪视场中；

图5示出了平视显示器的眼框内眼位置的研究结果；

图6A示出了具有第一配置的平视显示器的光学中继系统的光学部件上的图片的光线束覆盖区的示例；

图6B示出了在具有第二配置的平视显示器的光学中继系统的光学部件上的图片的光线束覆盖区的示例，其等同于图6A；

图6C示出了根据实施例的在具有第三配置的平视显示器的光学中继系统的光学部件上的图片的光线束覆盖区的示例，其等同于图6A和6B；

图7示出了通过裁剪具有第一、第二和第三配置的平视显示器的光学部件而形成的形状和相对区域的比较；

图8A至8C分别示出了具有第一、第二和第三配置的平视显示器的眼框内的示例眼位置处的失真测量结果；

图9A至9C分别示出了具有第一、第二和第三配置的平视显示器的眼框内的示例眼位置处的竖直视差的测量结果；

图10A至10C分别示出了具有第一、第二和第三配置的平视显示器的眼框内的示例眼位置处的水平视差的测量结果；

图11示出了图8A-C、9A-C和10A-C所示结果的表格；以及

图12示出了由于这里公开的概念而可能的一些HUD体积优化工作的结果。

在所有附图中，相同的附图标记将用于指代相同或相似的部分。

具体实施方式

本发明不限于以下描述的实施例，而是扩展到所附权利要求的全部范围。即，本发明可以不同的形式实施且不应被解释为限于所描述的实施例，实施例出于说明的目的而阐述。

描述为形成在另一结构的上部/下部或者在另一结构之上/之下的结构应被解释为包括结构彼此接触的情况，此外，还包括在它们之间设置第三结构的情况。

在描述时间关系时，例如当事件的时间顺序描述为“之后”、“随后”、“下一个”、“之前”等时，本公开应被认为包括连续和非连续事件，除非另有说明。例如，除非使用诸如“刚好”、“紧邻”或“直接”等措辞，否则描述应被视为包括不连续的情况。

尽管本文可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但这些元件不受这些术语的限制。这些术语仅用于区分各个元件。例如，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，类似地，第二元件可被称为第一元件。

不同实施例的特征可以部分或整体地彼此耦合或组合，并且可以彼此不同地互操作。一些实施例可以彼此独立地执行，或者可以相互依存的关系一起执行。

全息图片生成单元的光学配置

图1示出了其中计算机生成的全息图被编码在单个空间光调制器上的实施例。计算机生成的全息图是用于重建的物体的傅立叶变换。因此，可以说全息图是物体的傅立叶域或频域或光谱域表示。在该实施例中，空间光调制器是反射型硅上液晶“LCOS”器件。全息图在空间光调制器上编码，并且在重放场例如光接收表面比如屏幕或漫射器处形成全息重建。

光源110例如激光或激光二极管设置成经由准直透镜111照射SLM140。准直透镜使光的大致平面波前入射在SLM上。在图1中，波前的方向是偏离法线的(例如与真正正交于透明层的平面相距两度或三度)。然而，在其他实施例中，大致平面波前以法向入射提供，并且分束器布置用于分离输入和输出光学路径。在图1所示的实施例中，布置使得来自光源的光从SLM的镜面后表面反射并与光调制层相互作用以形成出射波前112。出射波前112被施加到包括傅立叶变换透镜120的光学器件，傅立叶变换透镜120的焦点位于屏幕125处。更具体地，傅立叶变换透镜120接收来自SLM140的调制光束，并执行频率-空间变换以在屏幕125处产生全息重建。

值得注意的是，在这种类型的全息图中，全息图的每个像素都有助于整个重建。重放场上的特定点(或图像像素)与特定的光调制元件(或全息图像素)之间没有一对一的相关性。换句话说，离开光调制层的调制光分布在整个重放场上。

在这些实施例中，全息重建在空间中的位置由傅立叶变换透镜的屈光度(聚焦)确定。在图1所示的实施例中，傅立叶变换透镜是物理透镜。即，傅立叶变换透镜是光学傅立叶变换透镜，并且在光学上执行傅立叶变换。任何透镜都可以充当傅立叶变换透镜，但透镜的性能将限制其执行的傅立叶变换的准确性。技术人员理解如何使用透镜来执行光学傅立叶变换。

全息图计算

在一些实施例中，计算机生成的全息图是傅立叶变换全息图，或者简单地是傅立叶全息图或基于傅立叶的全息图，其中通过利用正透镜的傅立叶变换特性在远场中重建图像。通过将重放平面中的所需光场傅立叶变换回透镜平面来计算傅立叶全息图。可以使用傅立叶变换来计算计算机生成的傅立叶全息图。

可以使用算法比如Gerchberg-Saxton算法来计算傅立叶变换全息图。此外，Gerchberg-Saxton算法可用于根据空间域(比如照片)中的仅振幅信息来计算傅立叶域中的全息图(即傅立叶变换全息图)。从空间域中的仅振幅信息中有效地“检索”与物体有关的相位信息。在一些实施例中，使用Gerchberg-Saxton算法或其变型从仅振幅信息计算计算机生成的全息图。

Gerchberg-Saxton算法考虑了当已知分别在平面A和B中的光束的强度截面I_A(x,y)和I_B(x,y)并且I_A(x,y)和I_B(x,y)通过单个傅立叶变换关联时的情况。对于给定的强度横截面，分别求出了平面A和B中的相位分布近似Ψ_A(x,y)和Ψ_B(x,y)。Gerchberg-Saxton算法通过遵循迭代过程求出该问题的解。更具体地，Gerchberg-Saxton算法迭代地应用空间和频谱约束，同时在空间域和傅立叶(频谱或频率)域之间重复传输代表I_A(x,y)和I_B(x,y)的数据集(振幅和相位)。通过算法的至少一次迭代获得频谱域中的计算机生成的全息图。该算法是收敛的并且布置为产生表示输入图像的全息图。全息图可以是仅振幅全息图、仅相位全息图或全复数全息图。

在一些实施例中，仅相位全息图是使用基于Gerchberg-Saxton算法的算法来计算的，比如在英国专利2498170或2501112中描述的算法，所述专利的全部内容通过引用结合于此。然而，本文公开的实施例仅通过示例的方式描述计算仅相位全息图。在这些实施例中，Gerchberg-Saxton算法检索数据集的傅立叶变换的相位信息Ψ[u,v]，其产生已知的振幅信息T[x,y]，其中振幅信息T[x,y]代表目标图像(例如照片)。由于幅度和相位在傅立叶变换中本质上是结合的，因此变换后的幅度和相位包含有关计算数据集的准确性的有用信息。因此，算法可以与振幅和相位信息的反馈一起迭代使用。然而，在这些实施例中，仅相位信息Ψ[u,v]用作全息图，以在图像平面处形成目标图像的全息表示。全息图是相位值的数据集(例如2D阵列)。

在其他实施例中，基于Gerchberg-Saxton算法的算法用于计算全复数全息图。全复数全息图是具有幅度分量和相位分量的全息图。全息图是包括复数数据值阵列的数据集(例如2D阵列)，其中每个复数数据值包括幅度分量和相位分量。

在一些实施例中，算法处理复数数据，并且傅立叶变换是复数傅立叶变换。可以将复数数据视为包括(i)实数分量和虚数分量，或(ii)幅度分量和相位分量。在一些实施例中，复数数据的两个分量在算法的各个阶段被不同地处理。

图2A示出了根据一些实施例的用于计算仅相位全息图的算法的第一迭代。算法的输入是包括像素或数据值的2D阵列的输入图像210，其中每个像素或数据值是幅度或振幅值。也就是说，输入图像210的每个像素或数据值不具有相位分量。因此，输入图像210可被视为仅幅度或仅振幅或仅强度分布。这样的输入图像210的示例是照片或包括帧时间序列的视频的一帧。算法的第一迭代从数据形成步骤202A开始，该步骤包括使用随机相位分布(或随机相位种子)230将随机相位值分配给输入图像的每个像素，以形成起始复数数据集，其中数据集的每个数据元素包括幅度和相位。可以说，起始复数数据集代表了空间域中的输入图像。

第一处理块250接收起始复数数据集并执行复数傅立叶变换以形成傅立叶变换的复数数据集。第二处理块253接收傅立叶变换的复数数据集并输出全息图280A。在一些实施例中，全息图280A是仅相位全息图。在这些实施例中，第二处理块253量化每个相位值并将每个振幅值设置为1，以便形成全息图280A。根据可以在空间光调制器的将用于“显示”仅相位全息图的像素上表示的相位水平来量化每个相位值。例如，如果空间光调制器的每个像素提供256个不同的相位水平，则将全息图的每个相位值量化为256个可能相位水平中的一个相位水平。全息图280A是代表输入图像的仅相位傅立叶全息图。在其他实施例中，全息图280A是全复数全息图，其包括从接收的傅立叶变换的复数数据集导出的复数数据值(每个包括振幅分量和相位分量)阵列。在一些实施例中，第二处理块253将每个复数数据值约束到多个可允许复数调制水平之一以形成全息图280A。约束步骤可以包括将每个复数数据值设置为复数平面中最接近的可允许复数调制水平。可以说全息图280A代表频谱或傅立叶或频域中的输入图像。在一些实施例中，算法在该点处停止。

然而，在其他实施例中，算法继续，如图2A中的虚线箭头所示。换句话说，遵循图2A中的虚线箭头的步骤是可选的(即并非对所有实施例都是必不可少的)。

第三处理块256从第二处理块253接收修改的复数数据集，并执行逆傅立叶变换以形成逆傅立叶变换的复数数据集。可以说逆傅立叶变换的复数数据集代表空间域中的输入图像。

第四处理块259接收逆傅立叶变换的复数数据集，并提取幅度值211A的分布和相位值213A的分布。可选地，第四处理块259评估幅度值211A的分布。具体地，第四处理块259可以将逆傅立叶变换的复数数据集的幅度值211A的分布与输入图像510进行比较，输入图像510本身当然是幅度值的分布。如果幅度值211A的分布与输入图像210之间的差足够小，则第四处理块259可以确定全息图280A是可接受的。也就是说，如果幅度值211A的分布与输入图像210之间的差足够小，则第四处理块259可以确定全息图280A是输入图像210的足够准确表示。在一些实施例中，为了比较的目的，忽略了逆傅立叶变换的复数数据集的相位值213A的分布。将理解的是，可以采用任何数量的不同方法来比较幅度值211A的分布和输入图像210，并且本公开不限于任何特定方法。在一些实施例中，计算均方差，并且如果均方差小于阈值，则认为全息图280A是可接受的。如果第四处理块259确定全息图280A是不可接受的，则可以执行算法的进一步迭代。然而，该比较步骤不是必需的，并且在其他实施例中，执行的算法的迭代次数是预定的或预设的或用户定义的。

图2B表示算法的第二迭代以及算法的任何进一步迭代。通过算法的处理块来反馈先前迭代的相位值213A的分布。丢弃幅度值211A的分布，而采用输入图像210的幅度值的分布。在第一迭代中，数据形成步骤202A通过将输入图像210的幅度值的分布与随机相位分布230相结合来形成第一复数数据集。然而，在第二和后续迭代中，数据形成步骤202B包括通过将(i)来自算法的先前迭代的相位值213A的分布与(ii)输入图像210的幅度值的分布相结合来形成复数数据集。

然后，以参照图2A描述的相同方式处理由图2B的数据形成步骤202B形成的复数数据集，以形成第二迭代全息图280B。因此，此处不重复对该过程的说明。当已经计算了第二迭代全息图280B时，算法可以停止。然而，可以执行该算法的任何数量的进一步迭代。将理解的是，仅在需要第四处理块259或需要进一步迭代时才需要第三处理块256。输出全息图280B通常随着每次迭代而变得更好。然而，实际上，通常会达到无法观察到可测量的改进的点，或者执行进一步迭代的正面好处被额外处理时间所带来的负面影响抵消。因此，该算法被描述为迭代和收敛的。

图2C表示第二和后续迭代的替代实施例。通过算法的处理块来反馈先前迭代的相位值213A的分布。拒绝幅度值211A的分布，有利于幅度值的替代分布。在该替代实施例中，幅度值的替代分布是从先前迭代的幅度值211的分布中导出的。具体地，处理块258从先前迭代的幅度值211的分布中减去输入图像210的幅度值的分布，通过增益因子α缩放该差，并从输入图像210中减去经缩放的差。这在数学上通过以下等式来表述，其中下标文本和数字表示迭代次数：

R_n+1[x,y]＝F'{exp(iψ_n[u,v])}

ψ_n[u,v]＝∠F{η·exp(i∠R_n[x,y])}

η＝T[x,y]-α(|R_n[x,y]|-T[x,y])

其中：

F'是逆傅立叶变换；

F是正向傅立叶变换；

R[x,y]是第三处理块256输出的复数数据集；

T[x,y]是输入或目标图像；

∠是相位分量；

Ψ是仅相位全息图280B；

η是幅度值211B的新分布；以及

α是增益因子。

增益因子α可以是固定的或可变的。在一些实施例中，基于输入目标图像数据的大小和速率来确定增益因子α。在一些实施例中，增益因子α取决于迭代次数。在一些实施例中，增益因子α仅是迭代次数的函数。

在所有其他方面，图2C的实施例与图2A和图2B的实施例相同。可以说，仅相位全息图Ψ(u,v)包括频率或傅立叶域中的相位分布。

在一些实施例中，通过在全息数据中包括透镜数据来计算执行傅立叶变换。也就是说，全息图包括代表透镜的数据以及代表物体的数据。在这些实施例中，省略了图1的物理傅立叶变换透镜120。在计算机生成的全息图领域中，如何计算代表透镜的全息数据是已知的。代表透镜的全息数据可被称为软件透镜。例如，仅相位全息透镜可以通过计算由透镜的每个点由于其折射率和空间变化的光程长度而引起的相位延迟来形成。例如，凸透镜中心的光程长度大于透镜边缘的光程长度。仅振幅全息透镜可以由菲涅耳波带片形成。在计算机生成的全息图领域中还已知如何将代表透镜的全息数据与代表物体的全息数据相结合，从而可以在不需要物理傅立叶透镜的情况下执行傅立叶变换。在一些实施例中，通过简单的加法，例如简单的矢量加法，将透镜数据与全息数据相结合。在一些实施例中，结合软件透镜使用物理透镜来执行傅立叶变换。可替代地，在其他实施例中，完全省略傅立叶变换透镜，使得全息重建发生在远场中。在进一步的实施例中，全息图可以包括光栅数据，也就是说，布置成执行光栅函数(例如光束转向)的数据。同样，在计算机生成全息术领域中，如何计算这种全息数据并将其与代表物体的全息数据相结合是已知的。例如，可以通过对闪耀光栅表面上每个点引起的相位延迟进行建模来形成仅相位全息光栅。仅振幅全息光栅可以简单地叠加在代表物体的仅振幅全息图上，以提供仅振幅全息图的角度转向。

在一些实施例中，傅立叶变换由物理傅立叶变换透镜和软件透镜联合执行。也就是说，由软件透镜提供有助于傅立叶变换的一些光焦度，而由一个或多个物理光学器件提供有助于傅立叶变换的其余光焦度。

在一些实施例中，提供了一种实时引擎，其布置为使用算法接收图像数据并实时计算全息图。在一些实施例中，图像数据是包括图像帧序列的视频。在其他实施例中，全息图被预先计算，存储在计算机存储器中并且根据需要被调出以在SLM上显示。也就是说，在一些实施例中，提供了预定全息图的储存库。

实施例仅通过示例的方式涉及傅立叶全息术和Gerchberg-Saxton类型算法。本公开同样适用于菲涅耳全息术和通过其他技术计算的全息图，例如基于点云方法的技术。

光调制

空间光调制器可以用于显示计算机生成的全息图。如果全息图是仅相位全息图，则需要调制相位的空间光调制器。如果全息图是全复数全息图，则可以使用调制相位和振幅的空间光调制器，或者可以使用调制相位的第一空间光调制器和调制振幅的第二空间光调制器。

在一些实施例中，空间光调制器的光调制元件(即像素)是包含液晶的单元。也就是说，在一些实施例中，空间光调制器是其中光学活性成分是液晶的液晶装置。每个液晶单元配置为选择性地提供多个光调制水平。也就是说，每个液晶单元在任何时候配置为以从多个可能光调制水平中选择的一个光调制水平操作。每个液晶单元可动态地重新配置为与多个光调制水平不同的光调制水平。在一些实施例中，空间光调制器是反射型硅上液晶(LCOS)空间光调制器，但本公开不限于这种类型的空间光调制器。

LCOS器件在小孔径(例如几厘米宽)内提供密集的光调制元件或像素阵列。像素通常约为10微米或更小，这导致几度的衍射角，意味着光学系统可以紧凑。充分照射LCOS SLM的小孔径比其他液晶装置的大孔径要容易得多。LCOS器件通常是反射性的，这意味着驱动LCOS SLM像素的电路可以埋在反射表面下。这导致更高的孔径比。换句话说，像素密集填充，意味着像素之间几乎没有死区。这是有利的，因为它减少了重放场中的光学噪声。LCOSSLM使用硅底板，其优点是像素是光学平坦的。这对于相位调制装置特别重要。

下面仅以举例的方式，参考图3来描述合适的LCOS SLM。使用单晶硅基板302形成LCOS器件。它具有方形平面铝电极301的2D阵列，由间隙301a间隔开，布置在基板的上表面上。可以通过掩埋在基板302中的电路302a来对每个电极301进行寻址。每个电极形成各自的平面镜。取向层303设置在电极阵列上，液晶层304设置在取向层303上。第二取向层305设置在例如由玻璃制成的平面透明层306上。例如由ITO制成的单个透明电极307设置在透明层306和第二取向层305之间。

每个方形电极301与透明电极307的覆盖区域和中间液晶材料一起限定可控的相位调制元件308，通常称为像素。考虑到像素301a之间的空间，有效像素面积或填充因子是光学上活性的总像素的百分比。通过控制相对于透明电极307施加到每个电极301的电压，可以改变各个相位调制元件的液晶材料的特性，从而为入射在其上的光提供可变延迟。效果是向波前提供仅相位调制，即不出现振幅效应。

所描述的LCOS SLM以反射方式输出空间调制光。反射型LCOS SLM具有的优势在于，信号线、光栅线和晶体管位于镜面之下，这导致高填充因子(通常大于90％)和高分辨率。使用反射型LCOS空间光调制器的另一优势在于，液晶层的厚度可以是使用透射型器件时所需厚度的一半。这大大提高了液晶的切换速度(投影运动视频图像的关键优势)。然而，本公开的教导同样可以使用透射型LCOS SLM来实现。

如上所述，本公开的原理适用于非全息图片生成单元以及如上所述的全息图片生成单元。

眼框(eye box)优化

平视显示器的光学中继系统布置成将来自图片生成单元的显示区域的图片的光中继到眼框，使得图片的虚拟图像从中可见。如本文所述，眼框包括观看者可以从其完全感知虚拟图像的区域，可选的是体积。如本领域技术人员将理解，从远离眼框的观看位置，虚拟图像变得越来越不完全可见。

光线跟踪技术可以用于测量参数，例如失真和水平/竖直视差，以便客观地识别虚拟图像清晰的观看位置。基于这样的测量，发明人已经认识到，光学中继系统可以配置成限定眼框区域以满足设计要求，例如包装(packing)要求。特别地，他们已经认识到可以定义非矩形眼框区域，这与传统上相反。例如，眼框可以具有“核心”或中心矩形形状，其中一个或多个角或部分被“裁剪”或从其移除，以限定减小的非矩形眼框区域。如下面进一步详细描述，以这种方式减小眼框区域具有双重有益效果，使得光学中继系统内的一个或多个光学部件的尺寸减小，并且减小了观看者在眼框内的非中心眼位置将遇到的图像失真和/或视差的程度。此外，发明人已经认识到，定义非矩形眼框可以提供这些好处，而不会损害观看者从所有期望的眼位置完全感知虚拟图像的能力，例如在车辆运动期间驾驶员通常使用的眼位置范围。

通过引用并入本文的英国专利GB2575651B包括用于实现这里公开的概念的一般方法的更多细节。为了避免任何疑问，GB2575561B没有公开拐角被裁剪的眼框。事实上，GB2575561B忠实地反映了该领域中的偏见，即眼框必须是矩形的。发明人突破了这种偏见，并展示了可能获得的令人惊讶的显著收益。

图4A示出了具有传统配置(在此称为“第一配置”)的平视显示器的视场和眼框区域。如图4A所示，在传统配置中，视场410A包括具有相对大的纵横比的四边形区域。特别地，视场410A的宽度大于高度。在图示的布置中，宽度水平跨越x度，高度竖直跨越y度。例如，比率x:y可以是2:1或16:9。如上所述，视场410A对应于平视显示器在其中形成虚拟图像的区域。具有相对高纵横比的视场适用于许多应用，包括汽车应用和显示宽屏图像的应用。在传统配置中，眼框420A还包括具有相对大纵横比的四边形区域。特别是，眼框420A的宽度大于高度。在图示的示例中，宽度是a毫米，高度是b毫米。然而，通常a:b小于x:y。如上所述，眼框420A对应于观看者可以完全感知虚拟图像的区域。

图4B示出了具有包括裁剪视场的配置(这里称为“第二配置”)的平视显示器的视场和眼框区域。如图4B所示，在第二配置中，视场410B包括图4A的视场410A的四边形区域的子区域。特别地，视场410B包括四边形核心或基本形状，其中四个角中的每个都被“切掉”或“裁剪”。图示的示例示出了四个角中的每个都被裁剪不同的量，以根据汽车应用的优化视场420B形成不对称的子区域。如技术人员将理解，在其他应用中，视场410B的核心四边形形状的更少拐角可被裁剪和/或拐角可被裁剪以形成其对称子区域。然而，眼框420B包括与传统结构一致的四边形区域。因此，眼框420B相当于图4A的眼框420A。

图4C示出了具有根据实施例的配置(在此称为“第三配置”)的平视显示器的视场和眼框区域。如图4C所示，在第三配置中，视场410C包括图4A的四边形视场410A的子区域。特别地，视场410C包括四边形核心或基本形状，其中四个拐角中的每个都被“切掉”或“裁剪”。在所示的布置中，视场410C等同于图4B的视场410B，因此针对汽车应用进行了优化。

根据本公开，眼框420C配置成形成非矩形区域。因此，与平视显示器的眼框的传统配置相比，根据本公开的眼框420C包括非四边形区域。特别地，在所示的示例中，眼框420C包括具有基本四边形核心或基本形状的区域，其中每个拐角被“切掉”或“裁剪”。所示的示例示出了四个拐角中的每个被裁剪相似的量，以形成基本对称观看区域。如本领域技术人员将理解，在其他应用中，可以裁剪眼框420C的核心四边形形状的较少拐角，和/或可以裁剪这些拐角以形成大体对称观看区域。

图4D类似于图4B和4C的非矩形虚拟图像区域或视场。特别地，图4D示出了在汽车应用中具有六边形的虚拟图像区域内的远场中显示的图片内容。虚拟图像区域450覆盖车行道或道路的第一车道441、第二车道442和第三车道443。如图4D所示，虚拟图像区域的六边形形状不包括车行道以外的区域。定义的六边形可以是规则的或不规则的。在其他实施例中，图4A的矩形虚拟图像区域只有两个角(例如两个下角)被截断。如图4D所示，图片内容(例如用于导航的人字形460)可以显示在虚拟图像区域中。图片内容可被限制在一个车道上，例如第二车道442，或者它可以延伸到两个或更多个车道上，包括第一车道441和/或第三车道443。可以说，虚拟图像的图片内容在距眼框处的观看者一定距离或一定距离范围内覆盖场景。

发明人已经发现，通过将眼框配置为如本文所述的非矩形观看区域，系统的光学性能得到改善，而不会损害观看者从所有期望的眼位置(比如驾驶员在车辆运动期间使用的眼位置范围)完全感知虚拟图像的能力。特别地，发明人意外地发现，通过优化用于形成这里描述的非矩形眼框的配置，在眼框内的观看位置发现虚拟图像的点(这里是“虚拟图像点”或“场点”)的失真和竖直/水平视差的改善。因此，与配置有传统矩形眼框的平视显示器相比，配置成具有非矩形眼框的平视显示器的图像质量在眼框内的所有位置都得到改善。发明人还发现，配置具有非矩形眼框的平视显示器表明了光学性能且因此图像质量的改善，而不管虚拟图像区域的视场是否也如图4B和4C的示例中那样被裁剪。因此，有可能将图4A的传统布置的视场410A的矩形区域与图4C的眼框420C的非矩形区域相结合来配置平视显示器。

图5示出了平视显示器的传统矩形眼框内的眼位置的研究结果。特别地，眼框包括矩形500，其水平尺寸/宽度比竖直尺寸/高度更长。圆圈501表示在一段时间内观看者观察到的眼位置。可以看出，大部分眼位置在椭圆503内，椭圆503的长度对应于眼框的长度，宽度小于眼框的高度。具体地说，在所示的示例中，椭圆503的宽度是30毫米。椭圆503的长轴与眼框的高度中心对齐，椭圆503的短轴与眼框的宽度中心对齐。

发明人已经认识到，在平视显示器的正常使用过程中，形成矩形眼框500的观看区域的拐角被保持大部分未使用。因此，有可能通过“切除”或“裁剪”传统矩形的角来配置眼框的形状，而不会不适当地损害观看者在正常使用期间清楚地感知所显示的虚拟图像的能力。因此，发明人认识到眼框可被重新配置成具有非矩形形状505。

光学元件尺寸优化结果

在本公开的实施例中，光学中继系统包括光学部件或光学元件，例如镜子。通常，光学部件具有光焦度，以便放大从图片生成单元接收的图像。光学部件可以是自由形式的形状，配置为补偿由其上游的另一光学部件比如光学组合器形成的虚拟图像的失真。

图6A-C示出了为如上所述的平视显示器的第一、第二和第三配置优化的合适的示例光学部件。特别地，在每种情况下，光学部件的形状大体与图4A-C所示的各个视场410A-C的形状一致。

特别地，图6A所示的光学部件包括大致对应于视场410A的四边形的梯形形状。图6B所示的光学部件包括四边形核心形状，其具有大体对应于视场410B形状的四个切除角。最后，图6C所示的光学部件包括四边形核心形状，其具有大体对应于视场410C的形状的四个切除角。应当注意，虽然在图4B和4C的第二和第三配置中形成的视场形状基本相同，但由于非矩形眼框的面积减小，图6C的光学部件比图6B的光学部件被裁剪得更多。

图6A-C示出了图片的光线在相应光学部件上的示例光线束覆盖区。图6A-C所示的每个“块”涉及一个虚拟图像点，称为“场点”，以及所有允许的眼位置。为了便于说明，附图示出了12个不同的虚拟图像点。本领域技术人员将理解，在实践中，更多的虚拟图像点构成虚拟图像，并且光学部件上的许多其他位置接收图片的光。由于每个示出的场点块与所有允许的眼位置(即虚拟图像清晰可见的位置)相关，所以块的形状很大程度上对应于眼框的形状。因此，对于相应的场点，每个块涉及眼框中所有可能的眼位置。

参考图6A，在第一配置中，可以看到需要大面积的光学部件来在所有眼位置形成虚拟图像点。然而，如图6B所示，在第二配置中，由所有眼位置处的虚拟图像点形成的光覆盖区被限制在较小的区域。因此，可以通过切割光学部件的角来裁剪光学部件，以形成虚线轮廓所示的子区域的形状。可以说，光学部件的形状成形为对应于四边形显示区域的子区域(即视场或虚拟图像区域)的形状。然而，如图6B所示，该形状不与图4B的视场410B的形状相同，但很大程度上对应于该形状。特别地，光学部件的裁剪量小于显示区域的四边形形状的裁剪量，但每个角的裁剪具有相同的形状和比例。最后，如图6C所示，在第三配置中，由所有眼位置处的虚拟图像点形成的光覆盖区被限制在光学部件的子区域，其小于图6B的子区域。因此，可以通过切割光学部件的角来裁剪光学部件，以形成虚线轮廓所示的子区域的形状。可以说，光学部件的形状与四边形显示区域的子区域(即视场或虚拟图像区域)的形状和眼框的形状相对应。图6C所示的光学部件的裁剪量大于图6B所示的裁剪量。然而，光学部件的裁剪量可能略小于显示区域的四边形的裁剪量，但每个角的裁剪具有相同的形状和比例。如技术人员将理解，每个图6B和6C中的光学部件的形状由有限数量的场点限定，这些场点在本研究中用于形成光覆盖区。使用更大数量的场点可以识别更定制的形状，从而识别光学部件的更定制裁剪。

正如本领域技术人员将理解，图6C仅示出了光学重放系统的光学部件的形状可以如何适应视场(虚拟图像区域)的形状和眼框的形状的一个示例。特别地，图6C的示例针对汽车应用进行了优化，具有不规则裁剪，以为在一侧或车行道上行驶的三车道道路布局提供不对称形状的视场。根据应用要求，视场可以具有对称或非对称的任何其他形状。可以进行模拟来跟踪从任何期望形状的视场到光学部件和眼框的场点，以便识别光学部件上的光覆盖区，如图6C所示。因此，基于光学部件上识别的光覆盖区，可以为任何给定的应用提供最佳的形状和修剪量。

图7示出了分别用于第一、第二和第三配置的图6A-C的光学部件的不同形状和面积相对大小的比较。特别地，实线轮廓示出了第一配置的图6A的光学部件700A的矩形形状，虚线轮廓示出了叠加在其上的第一配置的图6B的光学部件700B的裁剪形状，虚线轮廓示出了叠加在其上的第三配置的图6C的光学部件700C的裁剪形状。与光学部件700A相比，光学部件700B的面积减少12％。与光学部件700A相比，光学部件700C的面积减少23％。

光学性能结果

如上所述，发明人考虑了光学性能的差异，特别是如本文所述的平视显示器的第一、第二和第三配置的图像质量的差异。根据实施例，发明人在本文描述的第三配置中发现了显著的改进。特别地，与这里描述的第一和第二配置相比，发明人发现在竖直和水平方向上跨越眼框内的位置范围的多个眼位置处的失真、竖直视差和水平视差的一致减少。

图8A至8C分别示出了具有第一、第二和第三配置的平视显示器的眼框内的多个眼位置处的失真测量结果。

如本领域技术人员将理解，失真是单色光学像差，描述了在固定工作距离下图像的放大率如何在视场中变化。失真可以使用已知的技术来测量，并且可以表示为百分比(即百分比像差)。失真是图像质量测量。

图8A示出了第一配置的矩形眼框区域和眼框内由圆圈表示的24个眼位置的样本，在这些位置测量失真。每个圆圈表示在眼框内测量失真的各个眼位置，每个圆圈的大小表示失真量。因此，较小圆圈代表相对较低的失真测量，而较大圆圈代表相对较高的失真测量。从图8A中可以看出，图像失真在眼框的中心点处最小，即当眼位于眼框的中心时。当眼从中心点水平或竖直移动时，图像失真增加。

图8B示出了第二配置的矩形眼框区域和在眼框内由圆圈表示的24个眼位置的相同样本，在这些位置测量失真。从图8B中可以看出，与图8A一样，图像失真在眼框的中心点处最小，即当眼位于眼框的中心时。当眼从中心点水平或竖直移动时，图像失真增加。然而，与图8A相比，在远离中心点的眼位置处，失真量减少，如圆圈的尺寸减小所示。

图8C示出了根据实施例和落入非矩形眼框内的20个眼位置的样本的第三配置的非矩形眼框区域。因此，从测量中省略了来自图8A和8B的矩形眼框区域的角处的24个眼位置的样本的多个眼位置，并且在眼框的竖直中线的顶部和底部附近添加了一些新的眼位置。如图8C所示，当眼从中心点水平或竖直移动时，图像失真再次增加。然而，与图8A和8B相比，在远离中心点的眼位置处，失真量甚至进一步减小，如与图8A和8B相比，圆圈的尺寸减小所示。因此，在本公开的非矩形眼框内的所有眼位置，结果表明减少的图像失真和这种改进的图像质量。

图9A至9C示出了分别在具有第一、第二和第三配置的平视显示器的眼框内的多个眼位置处形成的场点的竖直视差的测量结果，而图10A至10C示出了这些场点的水平视差的测量结果。

如本领域技术人员将理解，双眼视差指的是由左右眼看到的物体的图像位置的差异，这是由眼的水平间隔或瞳孔间距离(视差)造成的。水平和竖直视差各自可以使用已知的技术来测量，并且可以表示为in和角度mrad。由水平和竖直视差组合产生的双眼视差可以是观看者看到的图像质量的量度。

图9A和10A示出了第一配置的矩形眼框区域和眼框内由圆圈表示的15个眼位置的样本，在这些位置测量了相应的竖直和水平视差。每个圆圈表示眼框内各个眼位置的地点，每个圆圈的大小表示测量的竖直或水平视差。因此，较小圆圈代表相对较低视差测量，而较大圆圈代表相对较高视差测量。从图9A和10A中可以看出，水平和竖直视差在眼框的中心点处最小，即当眼位于眼框的中心时。当眼从中心点水平或竖直移动时，水平和竖直视差增加。眼位置在竖直方向上离水平中线越远，竖直视差增加得越多，并且眼位置在水平方向上离竖直中线越远，水平视差增加得越多。

图9B和10B示出了第二配置的矩形眼框区域和在眼框内由圆圈表示的15个眼位置的相同样本，在这些位置测量竖直和水平视差。从图9B和10B中可以看出，与图9A和10A一样，水平和竖直视差在眼框的中心点处最小，即当眼位于眼框的中心时。当眼从中心点水平或竖直移动时，水平和竖直视差增加。眼位置在竖直方向上离水平中线越远，竖直视差增加得越多，并且眼位置在水平方向上离竖直中线越远，水平视差增加得越多。然而，与图9A和10A相比，在远离中心点的眼位置处，水平和竖直视差量减少了，如圆圈的尺寸减小所示。注意，竖直和水平视差在中心点处保持基本相同。

图9C和10C示出了根据实施例和落入非矩形眼框内的11个眼位置的样本的第三配置的非矩形眼框区域。因此，从测量中省略了图9和10A以及9和10B的矩形眼框区域的角处的15个眼位置的样本中的四个眼位置。从图9C和10C中可以看出，与图9A和10A一样，水平和竖直视差在眼框的中心点处最小，即当眼位于眼框的中心时。当眼从中心点水平或竖直移动时，水平和竖直视差增加。眼位置在竖直方向上离水平中线越远，竖直视差增加得越多，并且眼位置在水平方向上离竖直中线越远，水平视差增加得越多。然而，与图9A和图9B以及图10A和图10B相比，在远离中心点的眼位置处，水平和竖直视差量进一步减小，如圆圈的尺寸减小所示。注意，竖直视差和水平视差在中心点处保持基本相同。因此，在本公开的非矩形眼框内的所有眼位置，结果表明减小的双眼视差和这种改善的图像质量。

图11示出了与第一配置(配置A)相比，第二和第三配置(配置“B”和“C”)中的每个的测量失真、竖直视差和水平视差的百分比减少的表格。特别地，示出了失真、竖直视差和水平视差的平均和最大测量值的百分比减少。

HUD体积减小结果

图12示出了根据前面图的第一至第三配置的HUD体积优化工作的结果。所示的形状是优化的(具体地，最小化的)体积，其中包括至少一个光学部件的光学中继系统可以分别根据图6A至6C的第一至第三配置和裁剪的光学部件来装配。第二配置所需的体积可以比第一配置少达11％。第三配置所需的体积可以比第一配置少达23％,这是由于裁剪的眼框以及因此裁剪的光学部件。第二行3D形状示出了在附加优化工作之后所需的体积，其中HUD的盖玻璃被重新定位在光学元件的裁剪所允许的更紧凑布置中。在进一步改进中，第二配置的体积比第一配置的体积小18％，第三配置的体积比第一配置的体积小32％。这些结果示出了根据本公开的裁剪眼框可实现的HUD体积的巨大节省。

附加特征

本文描述的方法和过程可以体现在计算机可读介质上。术语“计算机可读介质”包括布置为临时或永久地存储数据的介质，比如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、缓冲存储器、闪存和高速缓冲存储器。术语“计算机可读介质”也应被认为包括能够存储用于由机器执行的指令的任何介质或多种介质的组合，使得当指令被一个或多个处理器执行时使该机器整体地或部分地执行本文所述的任何一种或多种方法。

术语“计算机可读介质”还涵盖基于云的存储系统。术语“计算机可读介质”包括但不限于以固态存储芯片、光盘、磁盘或其任何合适的组合的示例形式的一个或多个有形和非暂时性数据存储库(例如数据卷)。在一些示例实施例中，用于执行的指令可以由载体介质传递。这样的载体介质的示例包括瞬态介质(例如传递指令的传播信号)。

对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以进行各种修改和变型。本公开涵盖所附权利要求及其等同物的范围内的所有修改和变型。

Claims (16)

1.一种平视显示器，其布置成形成可从眼框区域观看的虚拟图像，其中，所述平视显示器包括：

图片生成单元，包括布置成形成基本四边形显示区域的像素阵列，其中图片生成单元布置成在四边形显示区域的子区中显示图片内容；

光学中继系统，布置成将来自显示区域的子区的光中继到平视显示器的眼框，使得子区内的图片内容的虚拟图像从其可见，其中光学中继系统包括至少一个光学部件，该光学部件的形状对应于子区的形状，

其中眼框区域的形状是非矩形的。

2.如权利要求1所述的平视显示器，其中，所述眼框区域包括基本四边形核心形状和至少一个裁剪角。

3.如权利要求1所述的平视显示器，其中，所述光学部件的形状对应于所述子区的形状和所述眼框的形状。

4.如权利要求2所述的平视显示器，其中，所述四边形核心形状是矩形，可选地，其中矩形的长尺寸在正常使用期间是基本水平的。

5.如权利要求1所述的平视显示器，其中，所述眼框区域具有八边形形状或菱形形状。

6.如权利要求1所述的平视显示器，其中，所述眼框具有包括至少五个直边的形状。

7.如权利要求1所述的平视显示器，其中，所述至少一个裁剪角包括两个或四个裁剪角。

8.如权利要求6所述的平视显示器，其中，所述两个或四个裁剪角在至少一个维度上尺寸相等。

9.如权利要求7所述的平视显示器，其中，每个裁剪角在第一维度上的尺寸是所述眼框区域在第一维度上的最大尺寸的15％到45％。

10.如权利要求1所述的平视显示器，其中，所述眼框区域具有基本椭圆形形状。

11.如任一前述权利要求所述的平视显示器，其中，所述显示区域的子区包括四边形核心形状和至少一个裁剪角。

12.如权利要求1所述的平视显示器，其中，所述显示区域的子区具有包括至少五个直边的形状。

13.如权利要求1所述的平视显示器，其中，所述显示区域是规则像素阵列或者对应于规则像素阵列。

14.如权利要求1所述的平视显示器，其中，所述显示区域是全息重放场，其在空间上与包括规则像素阵列的显示设备分离。

15.如权利要求14所述的平视显示器，其中，所述显示设备布置成显示图片内容的全息图。

16.一种平视显示器，其布置成形成可从眼框区域观看的虚拟图像，其中，所述平视显示器布置成接收基本四边形显示区域的子区内的图片内容，其中，所述平视显示器还包括：

光学中继系统，布置成将接收到的图片内容中继到平视显示器的眼框，使得图片内容的虚拟图像从其可见，其中该光学中继系统包括至少一个光学部件，该光学部件的形状对应于子区的形状，

其中眼框区域的形状是非矩形的。

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