CN116736551A - 一种空中成像系统及电子后视镜 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种空中成像系统及电子后视镜，涉及车载显示技术领域。该空中成像系统包括：图像源和曲面镜组件，图像源向曲面镜组件出射包含图像信息的光束，包含图像信息的光束在通过曲面镜组件的过程中至少两次汇聚，在曲面镜组件和人眼之间的预设成像面形成实像。该空中成像系统通过空中成像代替实体屏幕，成像的位置区域和尺寸受限制更少，且不会对使用者的视野产生影响，安全性更高。此外，该空中成像系统的体积较小，生产良率较高且成像质量更好。

Description

一种空中成像系统及电子后视镜

技术领域

本申请涉及车载显示技术领域，具体而言，涉及一种空中成像系统及电子后视镜。

背景技术

电子后视镜是一种利用摄像头、数字视觉处理系统等电子设备获取规定视野的间接视野装置，其能够帮助驾驶员获取汽车后方、侧方和下方等区域的外部信息，是可以取代传统光学后视镜的一种新型后视镜。

现有的电子后视镜，大多采用摄像头采集车辆周围规定区域内的图像信息，再将图像处理后传输至车内的实体屏幕来显示。实体屏幕的安装和尺寸受限于汽车中控台上的空间，而且，实体屏幕的存在还会影响驾驶员的视野，产生安全隐患。

发明内容

本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种空中成像系统及电子后视镜，其通过空中成像代替实体屏幕，成像的位置区域和尺寸受限制更少，且不会对使用者的视野产生影响，安全性更高。

为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

本申请实施例的一方面，提供一种空中成像系统，包括：图像源和曲面镜组件，图像源向曲面镜组件出射包含图像信息的光束，包含图像信息的光束在通过曲面镜组件的过程中至少两次汇聚，在曲面镜组件和人眼之间的预设成像面形成实像。

可选地，曲面镜组件包括沿光束传播路径依次设置的第一曲面镜和第二曲面镜，第一曲面镜和第二曲面镜用于依次汇聚包含图像信息的光束并反射。

可选地，曲面镜组件还包括第三曲面镜，第三曲面镜位于第一曲面镜的反光侧，第二曲面镜位于第三曲面镜的反光侧，第三曲面镜用于发散包含图像信息的光束并反射。

可选地，曲面镜组件包括第四曲面镜，第四曲面镜位于图像源的出光侧，空中成像系统还包括设置在第四曲面镜的反光侧的反射镜，反射镜和第四曲面镜的反光侧相互靠近，第四曲面镜用于汇聚包含图像信息的光束并反射。

可选地，曲面镜组件中用于汇聚光束的汇聚镜的面型满足扩展多项式或泽尼克标准矢高。

可选地，曲面镜组件中用于汇聚光束的汇聚镜为凹面镜。

可选地，空中成像系统的系统总长与实像的像面尺寸之比为50~100，其中，空中成像系统的系统总长的单位为毫米，实像的像面尺寸的单位为英寸。

可选地，实像与人眼之间的距离为500mm~850mm。

可选地，空中成像系统的F数为3~6。

本申请实施例的另一方面，提供一种电子后视镜，包括摄像头和如上任一项的空中成像系统，摄像头用于采集预设区域内的图像信息，摄像头与空中成像系统中的图像源连接，以将图像信息发送至图像源。

本申请的有益效果包括：

本申请提供了一种空中成像系统，包括：图像源和曲面镜组件，图像源向曲面镜组件出射包含图像信息的光束，包含图像信息的光束在通过曲面镜组件的过程中至少两次汇聚，在曲面镜组件和人眼之间的预设成像面形成实像。该空中成像系统，利用曲面镜组件对图像源出射的包含图像信息的光束进行至少两次汇聚，从而使发散的光束在空间中聚焦形成实像，实像的光束传播至人眼，使用者即可看到位于曲面镜组件及人眼之间的实像，实现空中成实像的目的。此外，曲面镜组件对包含图像信息的光束的至少两次汇聚可以达到比单次汇聚更强的汇聚效果，节省光路空间，从而使空中成像系统具有较小的体积。同时，分两次或多次对光束进行汇聚，可以使光线的走势更加平缓，对曲面镜组件的加工精度要求更低，进而提高生产良率。而且，两次或多次汇聚共同进行像差矫正，可以使像质更好。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请实施例提供的空中成像系统的结构示意图之一；

图2为本申请实施例提供的空中成像系统的结构示意图之二；

图3为本申请实施例提供的空中成像系统的结构示意图之三；

图4为本申请实施例提供的空中成像系统的结构示意图之四；

图5为本申请实施例提供的空中成像系统的结构示意图之五；

图6为本申请实施例提供的电子后视镜安装于车体上的示意图；

图7为本申请实施例提供的空中成像系统形成的实像相对于人眼的视场角之一；

图8为本申请实施例提供的空中成像系统形成的实像相对于人眼的视场角之二。

图标：100-空中成像系统；110-图像源；120-曲面镜组件；121-第一曲面镜；122-第二曲面镜；123-第三曲面镜；124-第四曲面镜；130-反射镜；210-包含图像信息的光束；220-实像；300-人眼；400-摄像头；500-车体。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的各个特征可以相互结合，结合后的实施例依然在本申请的保护范围内。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请实施例的一方面，参照图1，提供一种空中成像系统100，包括：图像源110和曲面镜组件120，图像源110向曲面镜组件120出射包含图像信息的光束210，包含图像信息的光束210在通过曲面镜组件120的过程中至少两次汇聚，在曲面镜组件120和人眼300之间的预设成像面形成实像220。

图像源110向曲面镜组件120发射出包含图像信息的光束210，该包含图像信息的光束210为发散光束，发散光束在传播过程中被曲面镜组件120中的汇聚镜至少两次汇聚，第一次或前几次汇聚，使发散光束的发散度降低，最后一次汇聚，发散光束变为汇聚光束。经曲面镜组件120两次或多次汇聚后形成的汇聚光束必然会在空间中聚焦形成像点，即在预设成像面形成实像220，继而形成实像220的光束会继续传播至人眼300，使用者可以看到位于曲面镜组件120及人眼300之间的实像220，实现空中成实像的目的。

需要说明的是，曲面镜组件120对包含图像信息的光束210进行的至少两次的汇聚，可以分别由不同的汇聚镜实现，也即是汇聚镜的数量与汇聚次数相同；也可以共用汇聚镜实现，也即是汇聚镜的数量小于汇聚次数，部分汇聚镜对包含图像信息的光束210进行了两次或多次汇聚。

优选地，包含图像信息的光束210在通过曲面镜组件120的过程中两次汇聚。第一次汇聚，使发散光束的发散度降低，第二次汇聚，发散光束变为汇聚光束。如此，既可以形成高质量的实像220，也不会造成空中成像系统100结构过于复杂，还能够节约成本。

示例地，汇聚镜为全反射汇聚镜，全反射汇聚镜可以减少光束的损耗，提高光效，节省功耗，提升入眼亮度。

示例地，图像源110为PGU，PGU上每个物点发出的光线都是发散的锥状光束。

上述空中成像系统100，利用曲面镜组件120对图像源110出射的包含图像信息的光束210进行至少两次汇聚，从而使发散的光束在空间中聚焦形成实像220。使用空中成像代替实体屏幕，成像的位置区域和尺寸受到的限制更少，而且不会对使用者的视野产生干扰，安全性更高。此外，曲面镜组件120对包含图像信息的光束210的至少两次汇聚可以达到比单次汇聚更强的汇聚效果，节省光路空间，从而使空中成像系统100具有较小的体积。同时，分两次或多次对光束进行汇聚，可以使光线的走势更加平缓，对曲面镜组件120的加工精度要求更低，进而提高生产良率。而且，两次或多次汇聚共同进行像差矫正，可以使像质更好。

请结合参照图2，基于成像原理，在汇聚镜固定的情况下，物距（图像源110与用于第一次汇聚光束的汇聚镜之间的距离）越小，放大率越大；物距越大，放大率越小。因此，图像源110在焦平面附近不同位置，预设成像面的位置和实像220的大小都不一样，可以通过沿主光线方向在一定范围内调整图像源110的位置来控制实像220的大小和位置，图像源110与第一次汇聚光束的汇聚镜之间的距离可进行一定范围内的调整，当该距离缩小时，实像220位置更远，尺寸更大；当该距离增大时，实像220位置变近，尺寸变小。

可选地，本申请实施例的一种可实现的方式中，曲面镜组件120中用于汇聚光束的汇聚镜的面型满足扩展多项式或泽尼克标准矢高，以矫正非旋转对称系统的像差，并保证可加工性。

请参照图1和图3，根据物像关系，相同的物距下，汇聚镜的曲率越大，曲率半径越小，系统焦距越短，汇聚能力越强，像距也就越短。因此，通过调整汇聚镜的曲率半径以及面型公式的高次项，即可控制空中呈现实像220的位置，并且将像差控制在较小的范围内。

可选地，本申请实施例的一种可实现的方式中，曲面镜组件120中用于汇聚光束的汇聚镜为凹面镜，凹面镜可以在较小的体积下实现对光束的汇聚。

请再次参照图1，可选地，本申请实施例的一种可实现的方式中，曲面镜组件120包括沿光束传播路径依次设置的第一曲面镜121和第二曲面镜122，第一曲面镜121和第二曲面镜122用于依次汇聚包含图像信息的光束210并反射。

本实施例中，对包含图像信息的光束210进行两次汇聚，并分别由第一曲面镜121和第二曲面镜122实现。图像源110发射的包含图像信息的光束210经第一曲面镜121第一次汇聚和反射后，射向第二曲面镜122，经第二曲面镜122第二次汇聚和反射后，在空气中汇聚成实像220并进入人眼300，使人眼300观察到在空中的实像220。

需要说明的是，经第一曲面镜121汇聚和反射后的包含图像信息的光束210，可以直接照射在第二曲面镜122上，也可以经其他镜片反射后再照射到第二曲面镜122上，只要包含图像信息的光束210能够经第一曲面镜121和第二曲面镜122进行两次汇聚即可。

示例地，第一曲面镜121和第二曲面镜122均为凹面镜，第一曲面镜121的面型满足扩展多项式或泽尼克标准矢高，第二曲面镜122的面型满足扩展多项式或泽尼克标准矢高。

请参照图4，可选地，本申请实施例的一种可实现的方式中，曲面镜组件120还包括第三曲面镜123，第三曲面镜123位于第一曲面镜121的反光侧，第二曲面镜122位于第三曲面镜123的反光侧，第三曲面镜123用于发散包含图像信息的光束210并反射。

本实施例中，沿光束传播路径上在第一曲面镜121和第二曲面镜122之间增加了第三曲面镜123（如凸透镜）对包含图像信息的光束210进行发散。图像源110发射的包含图像信息的光束210经第一曲面镜121第一次汇聚和反射后，射向第三曲面镜123，经第三曲面镜123发散和反射后，再射向第二曲面镜122进行第二次汇聚，最终在空气中汇聚成实像220并进入人眼300，使人眼300观察到在空中的实像220。在两次汇聚之间，增加一次对包含图像信息的光束210的发散，可以有效提高成像画质。

请参照图5，可选地，本申请实施例的一种可实现的方式中，曲面镜组件120包括第四曲面镜124，第四曲面镜124位于图像源110的出光侧，空中成像系统100还包括设置在第四曲面镜124的反光侧的反射镜130，反射镜130和第四曲面镜124的反光侧相互靠近，第四曲面镜124用于汇聚包含图像信息的光束210并反射。

本实施例中，对包含图像信息的光束210进行两次汇聚，且两次汇聚均由第四曲面镜124实现。图像源110发射的包含图像信息的光束210经第四曲面镜124第一次汇聚和反射后，射向反射镜130，经反射镜130反射后再次射向第四曲面镜124，第四曲面镜124对包含图像信息的光束210进行第二次汇聚和反射，最终在空气中汇聚成实像220并进入人眼300，使人眼300观察到在空中的实像220。本实施例使用一片第四曲面镜124和一片反射镜130可达到两片曲面镜的效果。

示例地，第四曲面镜124均为凹面镜，第四曲面镜124的面型满足扩展多项式或泽尼克标准矢高；反射镜130为平面镜或凸面镜。

请结合参照图1，可选地，本申请实施例的一种可实现的方式中，实像220与人眼300之间的距离为500mm~850mm。实像220与人眼300之间的距离在该范围内，能够兼顾空中成像系统100的体积和使用者的视觉感受。

需要说明的是，500mm~850mm包含端点值，也即是，实像220与人眼300之间的距离可以为500mm、850mm。在后续实施例中，有关数值范围的限定均包含端点值，后续不再一一赘述。

可选地，本申请实施例的一种可实现的方式中，空中成像系统100的系统总长与实像220的像面尺寸之比为50~100，其中，空中成像系统100的系统总长的单位为毫米，实像220的像面尺寸的单位为英寸。空中成像系统100的系统总长与实像220的像面尺寸之比在该范围内，可以在空中成像系统100小型化的前提下保证其性能。

需要说明的是，空中成像系统100的系统总长是指空中成像系统100沿着主光线方向的总长。

可选地，本申请实施例的一种可实现的方式中，空中成像系统100的F数（空中成像系统100的焦距与入瞳直径的比值）为3~6。空中成像系统100的F数在该范围内，能够保证使用者有足够大的观察范围。

示例地，空中成像系统100还包括光机壳体，图像源110和曲面镜组件120设置于光机壳体内。光机壳体上设有镜头，图像源110发射的包含图像信息的光束210经曲面镜组件120至少两次的汇聚后，由镜头射出，在空气中形成实像。

示例地，空中成像系统100还包括语音声控模块，语音声控模块与图像源110电连接，使用者可根据需求发出语音声控指令，语音声控模块接收到指令后向图像源110发出控制信号，图像源110根据控制信号调整出射光束中包含的图像信息，以形成使用者需要观察到的实像220。

请参照图1和图6，本实施例还提供一种电子后视镜，包括摄像头400和如上任一项的空中成像系统100，摄像头400用于采集预设区域内的图像信息，摄像头400与空中成像系统100中的图像源110连接，以将图像信息发送至图像源110。

该电子后视镜的摄像头400安装于车体500外部，空中成像系统100安装于车体500内部。采用摄像头400采集车体500周围预设区域内的图像信息，并传输至空中成像系统100的图像源110，通过空中成像系统100对画面光线的调制，摄像头400采集到的图像再现于车体500内的空中。该电子后视镜使用空中成像代替实体屏幕，形成的实像220到人眼300的距离可以调整，同时，空中成像系统100的位置也可以进行调整，因此，实像220在车体500内的布置具有较高自由度，可以满足不同的后视镜画面显示需求。另外，取消实体屏幕，可以避免A柱或其他区域盲区变大，提高行车安全性；空中成像系统100可布置在中控台下方，避免了对中控台上方空间的占据，更加安全、美观。通过控制空中成像系统100的视场角，还能够保证主副驾驶看到的画面张角一样大，避免了在不同距离下观察相同尺寸的实体屏幕，因透视效果造成的视觉感受不一样大。

优选地，摄像头400和空中成像系统100均包括两个，且一一对应连接，两个摄像头400分别设置在车体500外部的左右两侧，两个空中成像系统100均设置在车体500内部。

两个摄像头400分别采集车辆左右两侧预设区域内的图像信息，并通过与其连接的空中成像系统100投射在车体500内部供驾驶者观看。但是，请参照图7，由于透视效果的存在，如果两个大小一致的实像220与人眼300之间具有不同的距离，那么两个实像220相对于驾驶者的视场角是不同的，距离较远的实像220看起来比较小。所以两个大小一致的实像220形成于车体500内不同位置时，驾驶者观察到的实像220的大小也是不一致的。为了解决这个问题，请参照图8，在对空中成像系统100进行设计时，可以就保持视场角一致进行设计，而非根据实像220的尺寸进行设计，即可保证不管两个实像220距离差距多大，驾驶者观看两个实像220的感受都是一致的。也即是，可以通过空中成像系统100的视场角，保证人眼300看到的画面大小的感觉一致，不受透视效果影响。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空中成像系统，其特征在于，包括：图像源和曲面镜组件，所述图像源向所述曲面镜组件出射包含图像信息的光束，所述包含图像信息的光束在通过所述曲面镜组件的过程中至少两次汇聚，在所述曲面镜组件和人眼之间的预设成像面形成实像。

2.如权利要求1所述的空中成像系统，其特征在于，所述曲面镜组件包括沿光束传播路径依次设置的第一曲面镜和第二曲面镜，所述第一曲面镜和所述第二曲面镜用于依次汇聚所述包含图像信息的光束并反射。

3.如权利要求2所述的空中成像系统，其特征在于，所述曲面镜组件还包括第三曲面镜，所述第三曲面镜位于所述第一曲面镜的反光侧，所述第二曲面镜位于所述第三曲面镜的反光侧，所述第三曲面镜用于发散所述包含图像信息的光束并反射。

4.如权利要求1所述的空中成像系统，其特征在于，所述曲面镜组件包括第四曲面镜，所述第四曲面镜位于所述图像源的出光侧，所述空中成像系统还包括设置在所述第四曲面镜的反光侧的反射镜，所述反射镜和所述第四曲面镜的反光侧相互靠近，所述第四曲面镜用于汇聚所述包含图像信息的光束并反射。

5.如权利要求1所述的空中成像系统，其特征在于，所述曲面镜组件中用于汇聚光束的汇聚镜的面型满足扩展多项式或泽尼克标准矢高。

6.如权利要求1所述的空中成像系统，其特征在于，所述曲面镜组件中用于汇聚光束的汇聚镜为凹面镜。

7.如权利要求1所述的空中成像系统，其特征在于，所述空中成像系统的系统总长与所述实像的像面尺寸之比为50~100，其中，所述空中成像系统的系统总长的单位为毫米，所述实像的像面尺寸的单位为英寸。

8.如权利要求1所述的空中成像系统，其特征在于，所述实像与所述人眼之间的距离为500mm~850mm。

9.如权利要求1所述的空中成像系统，其特征在于，所述空中成像系统的F数为3~6。

10.一种电子后视镜，其特征在于，包括摄像头和如权利要求1至9任一项所述的空中成像系统，所述摄像头用于采集预设区域内的图像信息，所述摄像头与所述空中成像系统中的图像源连接，以将所述图像信息发送至所述图像源。