一种多焦图像生成装置、抬头显示装置、相关方法及设备与流程

1.本技术涉及图像显示技术领域，尤其涉及一种多焦图像生成装置、抬头显示装置及相关方法。


背景技术：

2.抬头显示(head up display，hud)，又称为平行显示系统，是指以驾驶员为中心的多功能仪表盘。它的作用是把时速、导航等重要的行车信息，投影到驾驶员前面的风挡玻璃上，让驾驶员尽量做到不低头、不转头就能看到时速、导航等重要的驾驶信息。图1为一种hud的显示界面示意图，如图1所示，hud显示的图像包括时速“4km/h”，导航“20m右转箭头”等信息。
3.但是，由于普通hud显示的图像和实际道路上的物体并不是在同一个焦平面，导致驾驶员的人眼需要在道路物体和hud成像面之间来回切换，调整眼睛的焦点。当前的hud虽然解决了低头的问题，但频繁调整焦点也会导致视觉疲劳，降低了用户体验。为了实现真正意义上的基于增强显示(augmented reality，ar)的hud，需要解决图像生成装置多焦面成像的技术问题。


技术实现要素：

4.本技术提供一种多焦图像生成装置、抬头显示装置及相关方法，主要目的是解决图像生成装置多焦面成像的技术问题，实现任意焦距连续可调。
5.第一方面，本技术提供了一种多焦图像生成装置，该装置包括：图像生成单元和焦距调节器。所述图像生成单元，用于产生携带图像信息的光束，并将所述光束照射至所述焦距调节器的表面；所述焦距调节器，用于对照射至所述焦距调节器表面的光束进行焦距调节，以生成所述多焦图像生成装置的多个焦面。
6.本技术的技术方案中，可以基于图像生成单元光路改造升级，实现简单。通过焦距调节器灵活调节焦距位置，可以实现任意焦距连续可调，并且实现任意数量、任意位置的焦面(或成像面)。
7.在一种可能的实现方式中，所述焦距调节器通过加载不同的相位信息，使得所述多焦图像生成装置生成多个焦面，其中，不同的相位信息对应不同的焦面。
8.本技术的技术方案中，焦距调节器通过加载相位信息调节焦距，从而控制焦面的数量和位置，具有较高的灵活性。
9.在一种可能的实现方式中，所述焦距调节器包括多个成像区域，不同的成像区域对应不同的焦面。焦距调节器的成像区域可以通过软件划分，支持任意边界形状，灵活性高。
10.在一种可能的实现方式中，所述不同的成像区域加载的相位信息不同。在不同的成像区域加载不同的相位信息，可以实现不同焦面的图像分区显示。
11.在一种可能的实现方式中，所述焦距调节器设置于所述图像生成单元的成像面之
后，或者，所述焦距调节器设置于所述图像生成单元的成像面处，或者，所述焦距调节器设置于所述图像生成单元的成像面之前。焦距调节器的位置可灵活设置，只要图像生成单元的产生的光束能够被焦距调节器接收即可。
12.在一种可能的实现方式中，所述焦距调节器加载的相位信息包括菲涅尔透镜的相位分布或泽尼克透镜的相位分布。通过改变焦距调节器上加载的菲涅尔透镜或泽尼克透镜的相位分布图案，可以改变等效透镜的焦距，从而控制多焦图像生成装置产生连续的多个焦面。
13.在一种可能的实现方式中，所述焦距调节器为空间光调制器。该空间光调制器可以为相位型空间光调制器，可以基于液晶或微机电系统实现。
14.在一种可能的实现方式中，所述焦距调节器的前方设置偏振片，所述偏振片用于使所述光束的偏振态对齐所述焦距调节器的配向层方向。
15.第二方面，本技术提供了一种多焦图像生成的方法，该方法应用于多焦图像生成装置，所述多焦图像生成装置包括图像生成单元和焦距调节器。该方法包括：通过图像生成单元产生携带图像信息的光束，并将所述光束照射至焦距调节器的表面；通过所述焦距调节器对照射至所述焦距调节器表面的光束进行焦距调节，以生成所述多焦图像生成装置的多个焦面。
16.本技术的技术方案中，可以基于图像生成单元光路改造升级，实现简单。通过焦距调节器灵活调节焦距位置，可以实现任意焦距连续可调，并且实现任意数量、任意位置的焦面(或成像面)。
17.在一种可能的实施方式中，所述对照射至所述焦距调节器表面的光束进行焦距调节，以生成所述多焦图像生成装置的多个焦面：在焦距调节器上加载不同的相位信息，使得所述多焦图像生成装置生产多个焦面，其中，不同的相位信息对应不同的焦面。
18.本技术的技术方案中，焦距调节器通过加载相位信息调节焦距，从而控制焦面的数量和位置，具有较高的灵活性。
19.在一种可能的实现方式中，所述方法包括：将所述焦距调节器划分为多个成像区域，不同的成像区域对应不同的焦面。焦距调节器的成像区域可以通过软件划分，支持任意边界形状，灵活性高。
20.在一种可能的实现方式中，在所述不同的成像区域加载不同的相位信息。在不同的成像区域加载不同的相位信息，可以实现不同焦面的图像分区显示。
21.在一种可能的实现方式中，所述焦距调节器加载的相位信息包括菲涅尔透镜的相位分布或泽尼克透镜的相位分布。通过改变焦距调节器上加载的菲涅尔透镜或泽尼克透镜的相位分布图案，可以改变等效透镜的焦距，从而控制多焦图像生成装置产生连续的多个焦面。
22.在一种可能的实现方式中，所述焦距调节器为空间光调制器。该空间光调制器可以为相位型空间光调制器，可以基于液晶或微机电系统实现。
23.一种可能的实现方式中，通过偏振片使所述光束的偏振态对齐所述焦距调节器的配向层方向，所述偏振片设置于所述焦距调节器的前方。
24.第三方面，本技术提供了一种抬头显示装置，其特征在于，所述抬头显示装置包括如第一方面或第一方面中任意一种可能的实现方式中的所述的多焦图像生成装置和成像
组件，所述多焦图像生成装置，用于生成多个图像，所述多焦图像生成装置具有多个焦面，其中，不同的焦面对应所述多个图像中的不同图像；所述成像组件，用于对所述多个图像进行成像，以供人眼接收。
25.本技术的技术方案，除了用于抬头显示装置外，还可以应用于平板玻璃显示、投影仪等显示装置中。通过多焦图像单元产生连续可调的焦面，可以使不同的信息在不同的成像面呈现，提升了用户体验。
26.第四方面，本技术提供了一种驾驶设备，包括：驾驶室、安装在驾驶室上的风挡玻璃、如第三方面所述的抬头显示装置，所述抬头显示装置安装在所述驾驶室内，所述风挡玻璃将所述抬头显示装置产生的图像进行反射并成像。
27.本技术的技术方案，可以解决车载抬头显示的多焦面成像技术问题，用户在驾驶过程中不需要频繁调整焦点，提高了用户体验。
附图说明
28.图1为一种hud的显示界面示意图；
29.图2为本技术提供的一种多焦图像生成装置的结构示意图；
30.图3为本技术提供的一种多焦图像生成装置的结构示意图；
31.图4a、4b为本技术提供的菲涅尔透镜相位分布图；
32.图5a-5d为本技术提供的四种空间光调制器的成像区域划分示意图；
33.图6a、6b为本技术提供的双焦面成像示意图；
34.图7为本技术提供的一种成像面区域划分方式示意图；
35.图8为本技术提供的另一种多焦图像生成装置的结构示意图；
36.图9为本技术提供的又一种多焦图像生成装置的结构示意图；
37.图10为本技术提供的一种hud的结构示意图。
具体实施方式
38.本技术实施例涉及一种多焦图像生成装置、抬头显示装置及相关方法，下面结合附图进行详细描述。
39.图2为本技术提供的一种多焦图像生成装置的结构示意图。如图2所示，多焦成像装置包括图像生成单元(pattern generation unit，pgu)模组201和焦距调节器202。其中，pgu模组201可以包括光源和成像组件，光源用于产生带有图像信息的光束。成像组件可以包括透镜、透镜组等，对光源产生的光束进行成像，使得多焦图像生成装置产生不同的焦面(焦面1，焦面2，
…
，焦面n)，并且该多个焦面可以连续可调。焦距调节器203可以为空间光调制器(spatial light modulator，slm)，slm可以基于不同厚度的透明介质器件、硅基液晶(liquid crystal on silicon，lcos)、微机电系统(microelectromechanical systems，mems)、压电陶瓷等实现。通过slm加载任意相位分布的全息相位图，可以改变焦面的位置，在无需改变光路中成像组件的物理位置的情况下可以实现任意焦距的连续可调，从而产生连续可变的成像面。本技术所说的“焦面”和“成像面”可以指代同一空间位置，即光束成像的位置。slm的焦距变化时，焦面或成像面也会随之变化。
40.图3为本技术提供的一种多焦图像生成装置的结构示意图。如图3所示，多焦图像
生成装置可以包括pgu模组310和空间光调制器320。可选的，多焦图像生成装置在焦面处可以设置成像屏331、332。成像屏331、332可以采用扩散屏、幕布、白纸等实现，设置于焦面(或成像面)的位置，用于接收焦面上的图像。pgu模组310可以包括振幅成像单元311和成像组件312，振幅成像单元311可以为单色光源或复色光源。成像组件312可以为透镜或透镜组。pgu模组310用于产生携带图像信息的光束，并在某个空间位置处形成成像面340。空间光调制器320可以设置于pgu模组310的成像面340之后，光束离开成像面340后扩散，充分弥散均匀后照射至空间光调制器320的表面，即光束扩散之后正好被空间光调制器320接收。空间光调制器320可以采用反射式或透射式，基于透镜介质器件、lcos、mems、压电陶瓷等实现。可选的，在空间光调制器320的前方放置偏振片350，以使入射到空间光调制器表面的光束的偏振态对齐空间光调制器的配向层方向。当空间光调制器320集成了偏振片，则不需要额外放置偏振片。空间光调制器上可以加载相位分布，实现等效透镜的功能以汇聚光束，从而成像于成像屏331及成像屏332处。通过调节空间光调制器320等效的透镜焦距，可以改变成像屏331、332的位置，从而使成像屏331、332的位置可以任意调节。例如，空间光调制器320的表面可以划分为两个成像区域321、322，并在成像区域321、322分别加载不同焦距的菲涅尔透镜相位分布，从而使经过成像区域321的光束成像于成像屏331，经过成像区域322的光束成像于成像屏332。成像屏331和成像屏332上均可以观察到pgu模组310产生的完整图像。由于空间光调制器上的透镜焦距可以任意调节，在空间的任意位置的形成成像面，实现成像屏为位置任意可调。
41.本技术的实施例中，空间光调制器通过加载相位信息从而控制焦面的数量和位置，具有较高的灵活性。通过空间光调制器灵活调节焦距位置，可以实现任意焦距连续可调，并且实现任意数量、任意位置的焦面(或成像面)。
42.下面结合具体的例子介绍空间光调制器调节成像屏的位置的原理。图4a、4b为本技术提供的菲涅尔透镜相位分布图。当空间光调制器表面的成像区域321、322分别加载如图4a、4b所示的两个不同焦距的菲涅尔透镜的相位分布时，即可形成两个不同焦面，即成像屏331、332可以分别调节到两个不同的焦面处。在空间光调制器的表面加载菲涅尔透镜的相位分布来控制光场，从而等效于透镜的功能。其中，菲涅尔相位的第m个环的半径r
m
＝(2mfλ)
1/2
，其中λ为入射光的波长，f为第m个环的相位下等效的透镜焦距。可见，空间光调制器通过加载不同的相位分布，可以实现不同焦距的透镜功能，从而调节焦面及成像屏的位置。
43.空间光调制器的表面可以通过软件的方式划分为数量、任意形状的干个成像区域，在不同的区域上加载不同相位分布，从而形成不同的焦面。图5a-5d为本技术提供的四种空间光调制器的成像区域划分示意图。如图5a所示，空间调制器的表面划分为两个矩形区域。如图5b所示，空间光调制器的表面划分为三个矩形区域。如图5c所示，空间光调制器的表面划分为两个不规则的区域。如图5d所示，空间光调制器的表面划分为三个不规则的区域。除了图5a-5d所示的划分方式，还可也划分为方形、扇形、三角形、圆形、多边形等n个成像区域。空间光调制器的表面加载灰度0-255(对应0-2π相位深度)的图案，每个成像区域可以加载不同焦距的透镜的相位分布。例如，在空间光调制器的各个成像区域加载泽尼克透镜的相位分布或菲涅尔透镜的相位分布，这些相位分布可以通过如泽尼克函数、菲涅尔透镜函数等全息成像函数实现。不同的区域产生不同的焦面，每个焦面的成像可以为2d图
像。空间光调制器的区域可以通过软件划分，支持任意边界形状，灵活性高。空间光调制器的表面区域可以灵活划分为任意数量、任意形状、任意焦距的成像区域，从而实现任意可调的多焦面系统。成像区域的数量、形状、焦距可以由汽车行驶过程中的环境因素(如汽车、行人、道路状况等)来确定，从而实现不同的信息在不同的焦面成像。
44.图6a、6b为本技术提供的双焦面成像示意图。在实际应用中，可以固定其中一个焦面，任意调节菲涅尔透镜的焦距以构造可调的双焦面。图6a示出了字母a和字母b在不同焦面时产生的图像，字母a相对于字母b较为清晰，此时，想要同时清晰地观察到字母a和字母b，可以将它们分别成像于不同的成像屏(如成像屏331和332)上。图6b示出了字母a和字母b在相同焦面时的图像，字母a和字母b的清晰度大致相同，此时，可以在同一个成像屏(如成像屏331)同时清晰地观察到字母a和字母b。
45.图7为本技术提供的一种成像面区域划分方式示意图。如图7所示，在人眼前方的空间位置上，可以划分为多个成像面区域，不同的成像面区域可以位于不同的空间位置。通过类似图5a-5d所示对空间光调制器表面区域进行划分，并在不同的区域加载不同的相位分布，从而使产生不同的成像面(或焦面)。例如，仪表盘701、702成像于人眼前方30-40cm处，导航信息703成像于人眼前方2-3米处，地图704成像成像于人眼前方3-5米处，提示信息(如天气、周边的建筑物等)705成像于人眼前方5-10米处。通过对空间光调制器表面进行区域划分，并在不同的区域加载不同的相位分布，从而实现不同焦面的图像分区显示。
46.本技术的实施例中，空间光调制器通过分区的方式加载不同相位信息，从而控制焦面的数量和位置，具有较高的灵活性。
47.图8为本技术提供的另一种多焦图像生成装置的结构示意图。如图8所示，和图3所示实施例的区别在于，空间光调制器320的位置设置于pgu模组310的成像面340处。此时，成像屏331、332上可以观察到pgu模组310产生的部分图像。不同的部分的图像分界取决于空间光调制器320的成像区域划分。例如，pgu模组310产生的图像包含字母a和字母b，成像屏331上观察到字母a，成像屏332上观察到字母b。而图3的实施例中，可以成像屏331和成像屏332上均可以观察到字母a和字母b。
48.图9为本技术提供的又一种多焦图像生成装置的结构示意图。如图9所示，和图3所示实施例的区别在于，空间光调制器320的位置设置于pgu模组310内部。可选的，空间光调制器320可以设置于成像组件311之前，也可以设置于成像组件311之后。和图7的实施例类似的，成像屏331、332可以观察到pgu模组310产生的部分图像。不同的部分的图像分界取决于空间光调制器320的成像区域划分。
49.本技术的实施例中，可以将空间光调制器插入图像生成单元内部或外部的多处位置，基于图像生成单元的光路升级改造，实现简单。通过空间光调制器灵活调节焦距位置，可以实现任意焦距连续可调，并且实现任意数量、任意位置的焦面(或成像面)。
50.本技术实施例图中的多焦成像装置可以应用于hud、投影仪、平板玻璃显示等显示设备中。以hud为例进行说明，图10为本技术提供的一种hud的结构示意图。如图10所示，hud可以包括前述任一实施例中的多焦图像生成装置1001和成像屏1002。其中，多焦图像生成装置1001具有多个焦面，用于生成多幅图像，并且不同的图像成像于不同的焦面上。成像屏1002可以包括扩散屏、幕布、白纸等。成像屏1002设置于焦面的位置处，用于接收图像生成装置1001生成的不同焦面上的图像。可以通过一个成像屏接收不同焦面上的图像，还可以
通过多个成像屏分别接收多个焦面上的图像(一个成像屏对应一个焦面)。可选的，成像屏1002之后还可以设置光路折叠镜、反射镜等光学元件，用于将成像屏上成像面反射的光束投射至挡风玻璃1003上，从而使挡风玻璃上形成的虚像(或图像)1004、1005被人眼1006接收。其中，多焦图像生成装置1001的焦距的可以连续调节，从而在同一个成像屏的不同位置或不同位置处的多个成像屏上产生不同的成像面，最后人眼观察到不同距离的图像。
51.本技术的提供的hud可以用于汽车、公交车、飞机等驾驶设备中，还可以应用于多种ar显示场景。其中，当hud应用于驾驶设备时，hud可以安装于驾驶设备的驾驶室内，通过驾驶设备的风挡玻璃将hud产生的图像反射至人眼处。
52.将本技术实施例的多焦图像装置应用于hud，可以使hud的焦距连续可调，不同的信息在不同的成像面上呈现，用户在驾驶过程中不需要频繁调整焦点，提高了用户体验。
53.在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
54.以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。