CN202631849U - 一种基于激光全息投影成像的平视显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于辅助显示领域，公开了一种基于激光全息投影成像的平视显示装置。主要包括光源系统、图像处理系统、空间光调制模块和光学光路系统等。首先，图像处理系统通过数据接口接收待显示内容再通过全息图转换算法转换到全息图形式，或者根据外部输入的信息选择存储在系统内待显示的全息图作简单运算处理或直接输出并在空间光调制模块上显示；然后，使用一个（单色）或多个（彩色）激光入射到空间光调制模块上，在空间光调制模块的前方衍射出原始的图像；最后，利用光学光路系统放大通过衍射还原出来的图像，增加图像的视场角。本实用新型可以实现成像距离随时动态调整，并且显示内容的亮度可以根据所投影内容占整个投影面积的大小而实时改变。

Description

一种基于激光全息投影成像的平视显示装置

技术领域

本发明涉及全息投影、激光衍射等光学技术，特别是一种基于激光全息投影成像技术来实现平视显示的方法和装置。 

背景技术

平视显示装置（Head Up Display，HUD），是指观察人员不需要低头就能够看到需要的图像信息的辅助显示装置。 

平视显示装置的前身是使用在战斗机上的光学瞄准器，这种瞄准器利用光学反射原理，将环状的瞄准圈光网投射在装置在座舱前端的一片玻璃或者是座舱罩上面，投射的影像对于肉眼的焦距是定在无限远的距离上面，当飞行员瞄准目标的时候不会妨碍到眼睛的运作，维持清晰的显示。平视显示技术首先运用在航空器上的飞行辅助仪器，平视显示器最早出现在军用飞机上，降低飞行员需要低头查看仪表的频率，避免注意力中断。因为其方便性以及能够提高飞行安全，民用飞机也纷纷跟进安装。 

机动车辆在高速行驶时，特别是夜间高速行车时，驾驶员可能会低头观看仪表显示或观看中控台的音响或导航信息等显示，如果此时前方遇有紧急情况就有可能因来不及采取有效措施而造成交通事故。为避免这种情况发生，有些高档车辆上装配了车载的平视显示装置，它可以将外界的景象与有关信息显示在前风挡玻璃的驾驶员平视范围上，从而避免低头看仪表，缩短眼球对前方的视觉盲区时间，提高机动车行驶的安全性。 

平视显示装置中最重要就是投影显示系统，该系统一般采用激光或LED作为光源，它能够读取汽车的相关数据信息或者通过蓝牙、无线等方式与其它外围电子装置通讯信息，进一步通过光学系统投影成像到汽车的前风挡玻璃上或汽车前方道路上，从而显示出HUD投影信息。其中挡风玻璃通常需要利用浸渍、网印等方法增加一层半透半反的膜。 

传统的平视显示装置的投影图像成像位置分为两种：一种是将图像直接成像在汽车的前挡风玻璃上，这样驾驶者在驾驶过程中如果需要看清呈现在前挡风玻璃上的HUD投影信息就需要眼睛自动调焦，如果需要观察汽车前方的路况就需要眼睛快速将焦距调整到远处的物体上，从而使汽车前方的信息在视网膜上清晰成像；另一种做法是利用光学系统，使其投影显示在汽车引擎盖上或汽车前方道路上，这样驾驶者在观察汽车前方道路的时候，无须眼睛自动调焦，也能清晰地看到HUD投影信息。 

上述两种做法都是利用光学系统的成像原理实现的，由于成像位置不同所采用的光学系 统结构迥异，尤其是后者的光学设计的复杂度很高，成本也非常昂贵。但是传统的平视显示装置投影图像成像成像方式只能采用上述两种方法之一，而且一旦光学系统结构确定，则成像位置不能随意更改。 

另外，上述传统的平视显示装置成像一般利用硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon，LCOS），数字微镜元件（Digital Micromirror Device，DMD）或专用的微机电系统（Micro Electrol Mechanical Systems，MEMS）加激光扫描（一般是一片或二片可快速翻转的微反射镜）实现图像显示，然后利用光学系统成像到前挡风玻璃上或车前方的一定距离处。 

对于采用LCOS或DMD的方法，由于显示面积固定，当光源亮度一定的情况下，单元面积上的亮度值是整个光源亮度的平均值。如果投影成像面积越大，那么单元亮度值越小。由于HUD投影信息一般是简单的图型和文字信息，一般情况下投影内容所占整个投影显示面积约为30%左右，如果图像内容只占整个画面显示面积的10%，那么其光学利用效率也只有10%，其它画面中不显示内容部分的光线被遮挡浪费了，为了增加显示内容的亮度只能通过增加光源亮度来实现。 

对于采用专用MEMS加激光扫描的方法，由于采用高速翻转的微反射镜逐像素扫描来实现图像显示，所以，不可避免地存在因刷新率不高而产生屏闪的问题。由于激光光源是直接打在唯一的一片微反射镜上，所以对微反射镜的散热要求很高，这就大大限制了激光光源的亮度。由于该微反射镜一直处于高速翻转过程中，并且只有一片，对其可靠性，稳定性提出了非常高的要求，一旦出现问题，直接反射的激光有可能直接照射到人眼，从而造成人体伤害。 

发明内容

本发明为了简化光学光路系统的结构，提高光源利用率，并且成像位置可调，提供了一种基于激光全息投影成像的平视显示装置。 

如附图1所示，本发明主要包括光源系统、图像处理系统(103)，光学光路系统和空间光调制模块（104）等。 

首先图像处理系统通过数据接口接收数据实时地将待显示的内容通过全息转换算法转换到全息图形式；或者通过事先在系统内部存储待显示的全息图，根据外部输入的信息选择单个或多个全息图作简单的运算处理后输出并在空间光调制模块上显示，并同步控制光源系统中的光源驱动电路驱动光源将一个单色或多个彩色激光入射到空间光调制模块上，利用全息的成像原理还原出原始的图像，再通过光学光路系统还原出来的原始图像被放大，并增加图像的视场角后投射出来。 

光源系统包括具有时间相干性和空间相干性的一个单色单色激光光源(101)或多个彩色激光光源以及相应光源的驱动电路(102)，该系统提供图像处理系统中激光调制、激光驱动的 接口。 

如图2所示，图像处理系统主要完成全息转换算法的计算工作。主要包括以下部分：视频/数据接口、无线/蓝牙接口、供电单元、控制接口、数据存储接口、控制选择单元、全息算法单元、空间光调制模块驱动单元、激光驱动/调制单元。 

控制接口单元主要是提供人机接口界面。图像处理系统通过视频、数据等有线接口，或无线、蓝牙、红外等无线接口接收外部数据，通过一个控制选择单元选择某个或多个接口的数据进入全息算法单元，该处理单元可以是某种专用的硬件设备，例如现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）或者是CPU等，将普通的图像或数据转换到全息图的形式输出到空间光调制模块驱动单元，空间光调制模块驱动单元驱动外部的空间光调制模块，并保持光源与其同步；全息算法单元在进行全息图转换的过程会根据图像或数据的内容生成相应的激光光源的亮度调节信号来实现光源与图像信息的同步调节，即根据图像中RGB像素的明暗来调节相应的光源的亮度，从而达到光源动态调节的目的。 

图像处理系统还可以通过内部或外部存储单元事先存储待显示的全息图，内部或外部存储单元中内部存储单元可以为RAM、FLASH等，根据外部输入的信息选择单个或多个全息图作简单的运算处理，然后输出到空间光调制模块上。 

通过全息校正像差和成像距离，成像距离可以用过全息转换算法处理后实现实时可调，实现图像焦距在远处。 

光学光路系统包括光学扩束校正系统(105)、棱镜系统(106)和光学放大校正系统(107)；此系统用于将激光扩束和校正以及对光源调制模块的输出影像进行放大和校正。将扩束后的光源校正为平行光用来照射光调制模块，并使用透镜系统来放大输出的全息图。 

空间光调制模块：此模块用于显示全息图。包括显示介质和偏振片，其中的显示介质可采用LCOS、DMD、全息照片或光栅阵列等。若采用LCOS、DMD等器件，则其上显示的全息图可通过控制模块进行高速切换，从而实现动态视频流的输出，此时的显示介质就相当于一块利用全息拍照出来的全息相片，明暗相间的点就相当于光学的光栅，然后将激光光源入射到显示介质上就相当于入射到通过全息拍照出来的底片，其上的光栅使得入射到该全息图上的激光形成衍射，根据全息的成像原理，这些通过衍射的光线在空间光调制模块反射后在距垂直平面一定距离的地方还原该全息图信息，其过程相当于做了一次傅里叶逆变化从而得到原始图像。 

由平视显示装置还原成像的图像再经过具备反射功能的玻璃反射进入人眼，利用人眼的 晶状体再次成像在视网膜上形成视觉上的图像，由于反射的原因，此时人眼感觉该成像在玻璃外前方处。 

本发明的优点在于使用一个单色或多个彩色激光，当使用多个彩色激光作为光源时，可以实现红、绿、蓝全彩色的显示效果；由于采用全息算法将原始图像转到全息图的形式再通过激光衍射还原出原始的图像信息，所以在图像通过衍射被还原出的过程中,根据衍射的原理可知入射的光能量理论上将集中到显示的内容上，原始图像中没有内容部分将不会有光衍射其中，从而大大提高对光源的利用率，使得显示亮度相对于传统的平视显示装置有显著提高，例如图像内容只占显示面积的10%，通过全息成像，光能量都通过衍射的方式集中到这10%的显示内容上，而不是平均值，这样理论成像的亮度将是传统的HUD的10倍，成像亮度得到明显提高；另外通过全息校正像差和成像距离，成像距离可以用过算法处理后实现实时可调，该方案实现图像焦距在远处的效果，即人眼感觉该成像在玻璃外前方处而不是玻璃上；通过全息算法调节光源和和焦距，使得光学光路结构较为简单，并且克服了传统投影系统光学结构固定后成像距离无法随意调节的问题；系统根据外部图像或数据内容从内部存储设备中调出相应的已经预先存储的经过处理的全息图单元，再通过全息算法单元进行简单的组合处理，由于调用事先经过处理的全息图单元再做简单处理，故全息图处理单元的工作量较小，速度较快，对硬件的要求较低。 

附图说明

附图1为本发明系统结构图。 

附图2为本发明图像处理系统结构图。 

附图3为本发明光学结构图。 

具体实施方式

实施例一 

为了清晰表述本发明的实施过程，下面以车载的平视显示装置为例。 

如图1所示，光源使用红、绿、蓝三种单色光源，可得到彩色图像，空间光调制模块使用三片显示介质LCOS。 

车载的平视显示装置通过通信接口接受汽车相关的状态信息，例如通过车载接口接收车辆速度、方向、发动机转速、油量、胎压等；通过与导航设备的接口接受导航的相关信息，例如前方道路、限速、信号灯等；还可以通过无线接口与便携设备通信，接受相关待显示的内容，例如蓝牙、WIFI、红外接收手机来电信息等。在接收上述信息和内容后，车载的平视显示装置利用ASIC，将上述信息通过全息转换算法转换成对应的全息图，并将全息图传输到空间光调制模块上进行显示，或者通过事先在系统内部存储待显示的全息图（例如26个英文 字母、一些常用的图形、标识等信息），然后根据外部输入的信息选择单个或多个全息图作简单的运算处理后输出到空间光调制模块上，此时上述显示介质就相当于一块利用全息拍照出来的全息相片，明暗相间的点就相当于光学的光栅，此时将激光光源入射到空间光调制模块上就相当于入射到通过全息拍照出来的底片，其上的光栅使得入射到该全息图上的激光形成衍射，根据全息的成像原理，这些通过衍射的光线在空间光调制模块反射后在距垂直平面一定距离的地方将原该全息信息，其过程相当于做了一次傅里叶逆变化从而得到原始图像。根据在空间光调制模块前设有光学光路系统，该光学光路系统完成图像的放大和视角的扩大，原始图像入射平行光纠正系统纠正后棱镜系统折射到光学放大系统，由光学放大对图像放大后传输到反射镜，通过反射镜反射到挡风玻璃，形成原始图像。 

通过激光衍射形成的图像在理论上成像在距离空间光调制模块无穷远处，实际在超过一定的距离后（例如10米或20米，该值由全息转换算法决定）就可以清晰成像。 

其中空间光调制模块中的显示介质也可采用DMD等。 

其中全息算法单元也可采用FPGA、DSP或CPU等。 

上述成像经具备反射功能的汽车前挡风玻璃反射进入人眼，视觉上感觉成像在汽车前挡风玻璃外的前方道路上。 

实施例二 

如图3所示，空间光调制模块使用一片显示介质LCOS来实现红，绿，蓝三色的显示，这时在图像处理和光源控制系统中增加分时开关功能，使得红，绿，蓝三色的全息图分时通过显示介质显示，衍射出来，光源使用红、绿、篮三种单色激光，光源扩束校正及图象放大校正模块由透镜1、2、3、4、5构成，透镜1、2、3为光源校正透镜，使相应光源由非平面波转换为平面波。透镜4，5构成反向望远镜结构，用于放大空间光调制模块输出的全息影像。空间光调制模块使用LCOS加入偏振片后可实现对光的相位调制。控制模块使用DSP，实现对将输入的普通影像实时同步转换为全息图影像的功能，并同步光源与全息图影像的输出。这种应用相对于3片显示介质在同等光源的条件下亮度会所有降低，但是同时对光学系统的要求也降低，光学系统的设计和结构也变得更为简单， 

其中空间光调制模块中的显示介质也可采用数字微镜元件DMD等。 

上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。 

Claims (6)

1.一种基于激光全息投影成像的平视显示装置，主要包括光源系统、光学光路系统和空间光调制模块（104），其特征在于：还包括图像处理系统(103)，图像处理系统用于将待显示的内容通过全息转换算法转换到全息图形式，其一端与数据接口相连接，另一端与空间光调制模块相连。

2.根据权利要求1所述的平视显示装置，其特征在于：光源系统包括一个单色激光光源(101)或多个彩色激光光源以及相应光源的驱动电路(102)、激光调制接口、激光驱动接口。

3.根据权利要求1所述的平视显示装置，其特征在于：图像处理系统主要包括视频/数据接口、无线/蓝牙接口、供电单元、控制接口、数据存储接口、控制选择单元、全息算法单元、空间光调制模块驱动单元、激光驱动/调制单元。

4.据权利要求3所述的平视显示装置，其特征在于：图像处理系统包含内部存储单元、外部存储单元，事先存储待显示的全息图，根据外部输入的信息选择单个或多个全息图作简单的运算处理，然后输出到空间光调制模块上。

5.根据权利要求1所述的平视显示装置，其特征在于：光学光路系统包括光学扩束校正系统(105)、棱镜系统(106)和光学放大校正系统(107)。

6.根据权利要求1所述的平视显示装置，其特征在于：空间光调制模块包括显示介质和偏振片。 

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