可呈现远近虚像的平视显示设备的制作方法

1.本发明涉及虚拟现实显示技术领域，特别是涉及一种可呈现远近虚像的平视显示设备。


背景技术：

2.基于虚拟现实(virtual reality，vr)的平视显示设备(head up display，hud)是由光机投射出光线，光线进入波导，波导传输光线以及向外耦合出光线，光线经过挡风玻璃反射从而进入人眼，使人眼可以看到位于无穷远处的虚像。
3.在理论上ar-hud形成的虚像会位于无穷远。然而在实际驾驶环境中，人眼视野下方的物体距离较近，视野上方的物体距离较远，比如车辆引擎盖处于近处，前方道路距离较远，而呈现的虚拟图像不能与真实环境很好地对应，从而降低了用户的使用体验。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种可呈现远近虚像的平视显示设备，可以呈现出不同距离的虚像，使虚拟图像能够与真实环境很好地对应。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种可呈现远近虚像的平视显示设备，至少包括第一波导和第一光机，所述第一波导包括第一耦入区和第一耦出区，所述第一耦入区用于使所述第一光机出射的光线进入所述第一波导，所述第一耦出区用于使来自所述第一耦入区的光线至少部分耦合到所述第一波导之外；
7.还包括第一光线控制装置，设置于所述第一耦出区远离所述第一波导的一侧，所述第一光线控制装置用于使得所述第一耦出区的至少部分区域发射出的光线传播方向发生偏折，使得所述第一耦出区的至少部分区域发射出的光线形成像的像距改变。
8.优选的，所述第一光线控制装置包括用于使通过光线发散的第一光学元件，或者所述第一光线控制装置包括用于使通过光线汇聚的第二光学元件。
9.优选的，所述第一光线控制装置包括凹透镜、平凹透镜、凸透镜或者平凸透镜。
10.优选的，所述第一光线控制装置用于使得所述第一耦出区对应挡风玻璃下方的区域发射出的光线传播方向发生偏折，或者，所述第一光线控制装置用于使得所述第一耦出区对应所述挡风玻璃上方的区域发射出的光线传播方向发生偏折。
11.优选的，包括多个所述第一光线控制装置，各个所述第一光线控制装置分别使得所述第一耦出区的不同区域发射出的光线传播方向发生偏折。
12.优选的，还包括第二波导和第二光机，所述第二波导包括第二耦入区和第二耦出区，所述第二耦入区用于使所述第二光机出射的光线进入所述第二波导，所述第二耦出区用于使来自所述第二耦入区的光线至少部分耦合到所述第二波导之外。
13.优选的，所述第二波导平面的法向与所述第一波导平面的法向不平行。
14.优选的，由所述第一波导的所述第一耦出区发射出的光线入射到挡风玻璃的第一
区域，由所述第二波导的所述第二耦出区发射出的光线入射到所述挡风玻璃的第二区域，所述第一区域和所述第二区域分别是所述挡风玻璃沿竖向方向位置不同的区域。
15.优选的，还包括第二光线控制装置，设置于所述第二耦出区远离所述第二波导的一侧，所述第二光线控制装置用于使得所述第二耦出区的至少部分区域发射出的光线传播方向发生偏折，使得所述第二耦出区的至少部分区域发射出的光线形成像的像距改变。
16.优选的，还包括第三光机，所述第一波导还包括第三耦人区，所述第三耦入区用于使所述第三光机出射的光线进入所述第一波导，所述第一耦出区还用于使来自所述第三耦入区的光线至少部分耦合到所述第一波导之外。
17.由上述技术方案可知，本发明所提供的一种可呈现远近虚像的平视显示设备至少包括第一波导、第一光机和第一光线控制装置，第一波导的第一耦入区使第一光机出射的光线进入第一波导，第一波导的第一耦出区使来自第一耦入区的光线至少部分耦合到第一波导之外。第一光线控制装置设置于第一耦出区远离第一波导的一侧，使得第一耦出区的至少部分区域发射出的光线传播方向发生偏折，使得第一耦出区的至少部分区域发射出的光线形成像的像距改变，从而使得由第一波导的第一耦出区至少部分区域出射的光线形成像的像距，与由第一波导的第一耦出区其它区域出射的光线形成像的像距不同。因此，本发明平视显示设备可以呈现出不同距离的虚像，使虚拟图像能够与真实环境很好地对应。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
19.图1为本发明实施例提供的一种可呈现远近虚像的平视显示设备的示意图；
20.图2为本发明一实施例提供的一种可呈现远近虚像的平视显示设备的光路示意图；
21.图3为本发明又一实施例提供的一种可呈现远近虚像的平视显示设备的光路示意图；
22.图4为本发明又一实施例提供的一种可呈现远近虚像的平视显示设备的示意图；
23.图5为本发明又一实施例提供的一种可呈现远近虚像的平视显示设备的示意图。
具体实施方式
24.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
25.请参考图1，图1为本实施例提供的一种可呈现远近虚像的平视显示设备的示意图，如图所示，所述平视显示设备至少包括第一波导100和第一光机101，所述第一波导100包括第一耦入区102和第一耦出区103，所述第一耦入区102用于使所述第一光机101出射的
光线进入所述第一波导100，所述第一耦出区103用于使来自所述第一耦入区102的光线至少部分耦合到所述第一波导100之外；
26.还包括第一光线控制装置104，设置于所述第一耦出区103远离所述第一波导100的一侧，所述第一光线控制装置104用于使得所述第一耦出区103的至少部分区域发射出的光线传播方向发生偏折，使得所述第一耦出区103的至少部分区域发射出的光线形成像的像距改变。
27.所述的波导是能够引导光线传播的波导结构。光机与波导的耦入区对应，耦入区使与自身对应的光机出射的光线进入波导。沿着波导传播的光线到达耦出区时，至少部分光线通过耦出区向波导之外发射出。光线经过挡风玻璃反射进入人眼，使人眼能够看到图像。
28.波导的耦出区发射出的光线形成像的像距是指波导的耦出区发射出的光线形成的像，对应的虚像到观看位置的距离。
29.第一波导100的第一耦出区103发射出的光线通过第一光线控制装置104，使得第一耦出区103的至少部分区域发射出的光线传播方向发生偏折，使得第一耦出区103的至少部分区域发射出的光线形成像的像距改变。从而，使得由第一波导100的第一耦出区103至少部分区域出射的光线形成像的像距，与由第一波导100的第一耦出区103其它区域出射的光线形成像的像距不同，因此本平视显示设备可以呈现出不同距离的虚像，使虚拟图像能够与真实环境很好地对应。
30.本实施例中，对第一光线控制装置104对光线传播方向进行偏折的具体方式不做限定，能够实现使得第一耦出区出射的光线形成像的像距改变即可。可选的，第一光线控制装置104可包括用于使通过光线发散的第一光学元件，光线通过第一光学元件后向外偏折使光线角度增大，相应使由第一波导100的第一耦出区103出射的光线形成像的像距改变。可参考图2，图2为一实施例提供的一种可呈现远近虚像的平视显示设备的光路示意图，如图所示，在第一耦出区103远离第一波导100的一侧设置了第一光学元件105，第一光学元件105使通过光线发散。第一光学元件105覆盖第一耦出区103的部分区域，使第一耦出区103对应区域发射出的光线发散。这部分光线经过挡风玻璃109反射入射到观看位置，对应形成虚像107。第一耦出区103其它区域发射出的光线经过挡风玻璃109反射入射到观看位置，对应形成虚像108。那么与第一耦出区103其它区域出射光线相比，由于第一光学元件105对光线的偏折作用，使得这部分光线形成像的像距减小，即使得这部分光线对应的虚像距离变近。
31.本实施例中，对第一光学元件105的具体结构不做限定，能够实现使通过光线发散即可。第一光学元件105可采用但不限于凹透镜或者平凹透镜。
32.可选的，第一光线控制装置104可包括用于使通过光线汇聚的第二光学元件，光线通过第二光学元件后向中心偏折使光线汇聚，相应使由第一波导100的第一耦出区103出射的光线形成像的像距改变。可参考图3，图3为又一实施例提供的一种可呈现远近虚像的平视显示设备的光路示意图，如图所示，在第一耦出区103远离第一波导100的一侧设置了第二光学元件106，第二光学元件106使通过光线汇聚。这部分光线经过挡风玻璃109反射入射到观看位置，对应形成虚像108。第一耦出区103其它区域发射出的光线经过挡风玻璃109反射入射到观看位置，对应形成虚像107。那么与第一耦出区103其它区域出射光线相比，由于
第二光学元件106对光线的偏折作用，使得这部分光线形成像的像距增大，即使得这部分光线对应的虚像距离变远。
33.本实施例中，对第二光学元件106的具体结构不做限定，能够实现使通过光线汇聚即可。第二光学元件106可采用但不限于凸透镜或者平凸透镜。
34.可选的，可设置第一光线控制装置104使得第一耦出区103对应挡风玻璃下方的区域发射出的光线传播方向发生偏折，从而使第一波导100发射出的、入射到挡风玻璃下方的光线对应形成像的像距改变。通常在实际驾驶环境中，在人眼视野范围内下方物体比如车辆引擎盖距离较近，为了使呈现的虚拟图像与实际环境较好地对应，可以通过第一光线控制装置104，实现第一波导100发射出的、入射到挡风玻璃下方的光线对应形成像的像距减小，从而使图像与实际环境较好地对应。
35.可选的，可通过第一光线控制装置104使得第一耦出区103对应挡风玻璃上方的区域发射出的光线传播方向发生偏折，从而使第一波导100发射出的、入射到挡风玻璃上方的光线对应形成像的像距改变。比如在实际驾驶环境中，前方道路或者前方建筑物比如桥梁、隧道等距离较远，可以通过第一光线控制装置104，实现第一波导100发射出的、入射到挡风玻璃上方的光线对应形成像的像距增大，使得呈现的虚拟图像与实际环境中处于远处的物体较好地对应，提升用户的使用体验。
36.可选的，可通过第一光线控制装置104使得第一耦出区103对应挡风玻璃左侧部分的区域发射出的光线传播方向发生偏折，从而使第一波导100发射出的、入射到挡风玻璃左侧部分的光线对应形成像的像距改变。类似的，还可以通过第一光线控制装置104使得第一耦出区103对应挡风玻璃右侧部分的区域发射出的光线传播方向发生偏折，使第一波导100发射出的、入射到挡风玻璃右侧部分的光线对应形成像的像距改变。
37.可选的，可包括多个第一光线控制装置，各个第一光线控制装置分别使得第一耦出区103的不同区域发射出的光线传播方向发生偏折，相应分别使得第一耦出区103的不同区域发射出的光线形成像的像距改变。另外，各个第一光线控制装置104使第一耦出区103的不同区域发射出的光线形成像的像距，像距的改变量可以不同，从而，第一耦出区103的不同区域发射出的光线分别形成不同距离的虚像。在实际应用中，各个第一光线控制装置104造成的像距改变量，可以根据显示需求灵活设置，比如可以根据真实环境中物体的位置进行确定。比如，在真实环境中一物体处于近处，则可以通过第一光线控制装置使与该物体对应显示的虚像距离较近；若真实环境中的物体处于远处，则可以通过第一光线控制装置使呈现的虚像距离较远。
38.进一步优选的，在以上实施方式的基础上，所述平视显示设备还可包括第二波导和第二光机，所述第二波导包括第二耦入区和第二耦出区，所述第二耦入区用于使所述第二光机出射的光线进入所述第二波导，所述第二耦出区用于使来自所述第二耦入区的光线至少部分耦合到所述第二波导之外。那么，由第一波导的第一耦出区发射出的光线、由第二波导的第二耦出区发射出的光线经过挡风玻璃反射进入人眼，从而由第一波导的第一耦出区发射出的光线以及由第二波导的第二耦出区发射出的光线组合形成呈现的图像。
39.本实施例的可呈现远近虚像的平视显示设备，通过设置多个波导，由多个波导发射出光线组合形成呈现的图像，使得平视显示设备的结构较灵活，方便于对呈现图像的控制。
40.本实施例中，对第一波导、第二波导的排布方式不做限定，第一波导和第二波导的排布方式可以是但不限于前后排布或者左右排布。
41.优选的，第二波导平面的法向与第一波导平面的法向可以不平行。在实际应用中，可以根据挡风玻璃的角度、各个波导的布置位置或者观看位置灵活设置各个波导平面的法向，使得各个波导的出射光线能够均匀地入射到观看位置，从观看位置观看时呈现的图像质量能够满足要求。可参考图4，图4为又一实施例提供的一种可呈现远近虚像的平视显示设备的示意图，如图所示，平视显示设备包括第一波导100、第一光机101、第二波导200和第二光机201，第一光机101出射的光线进入第一波导100。第二波导200包括第二耦入区202和第二耦出区203，第二光机201出射的光线通过第二耦入区202进入第二波导200，第二耦出区203使第二波导200内传播的光线至少部分耦合到第二波导200之外。由第一波导100的第一耦出区103发射出的光线、由第二波导200的第二耦出区203发射出的光线分别入射到挡风玻璃109。其中，第二波导200平面的法向与第一波导100平面的法向不平行。
42.可选的，由第一波导100的第一耦出区103发射出的光线入射到挡风玻璃的第一区域，由第二波导200的所述第二耦出区203发射出的光线入射到挡风玻璃的第二区域，所述第一区域和所述第二区域分别是挡风玻璃沿竖向方向位置不同的区域。可参考图4所示，第一区域、第二区域可以分别是挡风玻璃109的上方区域、下方区域。
43.可选的，还可包括第二光线控制装置，设置于所述第二耦出区远离所述第二波导的一侧，所述第二光线控制装置用于使得所述第二耦出区的至少部分区域发射出的光线传播方向发生偏折，使得所述第二耦出区的至少部分区域发射出的光线形成像的像距改变。第二波导的第二耦出区发射出的光线通过第二光线控制装置，使得第二耦出区的至少部分区域发射出的光线传播方向发生偏折，使得第二耦出区的至少部分区域发射出的光线形成像的像距改变。从而，使得由第二波导的第二耦出区至少部分区域出射的光线形成像的像距，与由第二波导的第二耦出区其它区域出射的光线形成像的像距不同，因此本平视显示设备可以呈现出不同距离的虚像，使虚拟图像能够与真实环境很好地对应。
44.进一步优选的，在以上各实施方式的基础上，所述平视显示设备还可包括第三光机，所述第一波导还包括第三耦人区，所述第三耦入区用于使所述第三光机出射的光线进入所述第一波导，所述第一耦出区还用于使来自所述第三耦入区的光线至少部分耦合到所述第一波导之外。
45.对于第一波导，第一光机和第三光机投射出的光线分别通过第一波导的第一耦出区向第一波导外发射出，各个光机对应耦合出的光线汇合形成第一波导发射出的光线。因此，本实施例的平视显示设备通过使用多个光机，可以提高图像亮度。可结合参考图5所示，图5为又一实施例提供的一种可呈现远近虚像的平视显示设备的示意图，如图所示，第一光机101出射的光线通过第一耦入区102进入第一波导100，第三光机110出射的光线通过第三耦入区111进入第一波导100，第一耦出区103使来自第一耦入区102、第三耦入区111的光线至少部分耦合到第一波导100之外。
46.进一步优选的，在以上各实施方式的基础上，所述平视显示设备还可包括第四光机，所述第二波导还包括第四耦人区，所述第四耦入区用于使所述第四光机出射的光线进入所述第二波导，所述第二耦出区用于使来自所述第四耦入区的光线至少部分耦合到所述第二波导之外。
47.对于第二波导，第二光机和第四光机投射出的光线分别通过第二波导的第二耦出区向第二波导外发射出，各个光机对应耦合出的光线汇合形成第二波导发射出的光线。因此，本实施例平视显示设备通过使用多个光机，可以提高图像亮度。
48.以上对本发明所提供的可呈现远近虚像的平视显示设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。