一种车载抬头显示装置和显示方法与流程

1.本发明涉及车载投射显示技术领域，具体涉及一种车载抬头显示装置和显示方法。


背景技术：

2.抬头显示器(head-up display,hud),最早应用于飞行器上，通过将主要飞行参数投影到前挡风玻璃上，使得驾驶员向前平视时能同时看到主要驾驶仪表及其重要的飞行参数。近年来开始应用于民用汽车上。现有的车载抬头显示器一般是利用显示屏幕或投影到散射屏幕上的方式产生图像源，图像源安装在仪表台上，其图像出射的光线方向上，通过上方一块倾斜的半透明反射镜反射至人眼，形成虚像，达到汽车信息漂浮在驾驶员眼前的显示效果。然而该方法通常只能产生固定平面的虚像。由于虚像距离与外界环境物体距离通常不一致，驾驶员在驾驶过程中双眼需要来回变焦才能看清虚像与道路情况，会导致严重的驾驶安全问题。故而需要设计一种车载抬头显示装置，可以将投射图像直接汇聚在人眼视网膜上成像，以解决上述问题。


技术实现要素：

3.鉴于以上现有技术的缺点，本发明提供了一种车载抬头显示装置和显示方法，可以将投射图像直接汇聚在人眼视网膜上成像，而不经过晶状体的调焦，从而解现有抬头显示器只能产生固定平面的虚像，驾驶员在驾驶过程中双眼需要来回变焦才能看清虚像与道路情况的技术问题。
4.为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供一种车载抬头显示装置，该车载抬头显示装置包括：光学中继薄膜、图像投射装置、人眼追踪装置和控制装置。
5.其中，光学中继薄膜贴附在挡风玻璃上；图像投射装置生成两个图像光束，并将所述两个图像光束投射至所述光学中继薄膜处，所述光学中继薄膜将所述两个图像光束分别反射聚焦至驾驶员双眼一侧；人眼追踪装置用于实时定位驾驶员双眼的空间坐标；控制装置分别与所述图像投射装置和人眼追踪装置相电连，所述控制装置实时接收驾驶员双眼的空间坐标，并通过控制所述图像投射装置来调整所述两个图像光束的汇聚位置，使所述两个图像光束的汇聚位置移动至驾驶员双眼的空间坐标处。
6.在本发明一示例中，所述光学中继薄膜对车外光线具有高透过率，所述光学中继薄膜对车内光线具有高反射率。
7.在本发明一示例中，所述图像投射装置投射出的图像为二维图像或三维图像。
8.在本发明一示例中，所述图像投射装置包括反射机构和投射光源，所述投射光源生成两个图像光束，并将所述两个图像光束沿不同光路投射至所述反射机构上，所述反射机构用于将所述两个图像光束反射至所述光学中继薄膜处，所述光学中继薄膜将所述两个图像光束分别反射聚焦。
9.在本发明一示例中，所述图像光束在驾驶员人眼瞳孔处汇聚的光斑尺寸小于所述
瞳孔尺寸。
10.在本发明一示例中，所述投射光源包括两个投影仪，所述两个投影仪设置在调节组件上，所述调节组件分别调整所述两个投影仪的位置和俯仰角角度。
11.在本发明一示例中，所述反射机构包括曲面镜、电控形变层和旋转组件，所述曲面镜贴附在所述电控形变层上，所述电控形变层设置在所述旋转组件上。
12.在本发明一示例中，所述控制装置根据驾驶员双眼的空间坐标获得驾驶员双眼的瞳距p以及与所述光学中继薄膜的间距l3；所述控制装置调整所述反射机构的曲率使所述两个图像光束聚焦在距离所述光学中继薄膜间距l3的位置处；所述控制装置控制所述图像投射装置调整所述两个图像光束的生成点间距使得所述两个图像光束的汇聚位置间距与驾驶员双眼的瞳距p相等；所述控制装置计算所述两个图像光束的汇聚位置与驾驶员双眼的空间坐标之间的偏移位移，所述控制装置控制所述图像投射装置和反射机构的俯仰角使所述两个图像光束的汇聚位置分别移动至驾驶员双眼的空间坐标处。
13.在本发明一示例中，所述控制装置与所述旋转组件、电控形变层和调节组件相电连，所述控制装置通过控制所述旋转组件和电控形变层来调整所述反射机构的俯仰角和曲率，所述控制装置通过控制所述调节组件分别改变两个投影仪的位置和俯仰角。
14.本发明还提供了一种车载抬头显示方法，该车载抬头显示方法包括以下步骤：
15.s1、将光学中继薄膜贴附在挡风玻璃上；s2、通过图像投射装置生成两个图像光束，并将所述两个图像光束投射至所述光学中继薄膜处，使得所述两个图像光束经过所述光学中继薄膜反射至驾驶员双眼一侧汇聚；s3、利用人眼追踪装置实时定位驾驶员双眼的空间坐标；s4、将控制装置分别电连于所述图像光束投射装置和人眼追踪装置上，通过所述控制装置实时接收驾驶员双眼的空间坐标，再通过控制所述图像光束投射装置来调整所述两个图像光束的汇聚位置，使所述两个图像光束的汇聚位置分别移动至所述驾驶员双眼的空间坐标处。
16.本发明的车载抬头显示装置通过投射光源生成两个图像，再利用反射机构和光学中继薄膜将两个图像在驾驶员双眼一侧聚焦成像，最后利用人眼追踪装置和控制装置实时追踪驾驶员双眼的空间坐标，并将两个图像的汇聚位置分别移动聚焦至驾驶员双眼的空间坐标处，从而使得本车载抬头显示装置在驾驶员驾驶过程中将投射图像始终汇聚在人眼视网膜上成像。由于两个图像时别汇聚至驾驶员双眼视网膜上成像，而不经过晶状体的调焦，因此不存在固定的虚像平面，图像在很大景深范围内始终保持清晰，驾驶员双眼无需对焦即可看清虚像，增加了驾驶安全性；并且，车载抬头显示装置使得人眼追踪和光路系统联动，可以基于人眼追踪数据，实时改变系统中的光学参数，以保证投影图像始终汇聚到人眼中成像，而不受人眼偏移影响。所以，本发明有效克服了现有技术中的一些实际问题从而有很高的利用价值和使用意义。
附图说明
17.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。
18.图1为本发明中车载抬头显示装置的结构示意图。
19.图2为本发明中车载抬头显示方法的流程示意图。
20.元件标号说明
21.1、投射光源；2、投影仪；3、反射机构；4、光学中继薄膜；5、挡风玻璃；6、人眼追踪装置。
具体实施方式
22.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
23.须知，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
24.请参见图1，本发明提供了一种车载抬头显示装置和显示方法，可以将投射图像直接汇聚在人眼视网膜上成像，而不经过晶状体的调焦，从而解决现有抬头显示器只能产生固定平面的虚像，驾驶员在驾驶过程中双眼需要来回变焦才能看清虚像与道路情况的技术问题。
25.请参见图1，图1为本发明提供的一种车载抬头显示装置，车载抬头显示装置设置在挡风玻璃5附近处，以利用挡风玻璃5实现在驾驶员双眼处投射图像，其中，上述车载抬头显示装置包括图像投射装置、光学中继薄膜4、人眼追踪装置6以及控制装置。
26.请参见图1，上述光学中继薄膜4贴附在挡风玻璃5上，光学中继薄膜4对车外光线具有高透过率，对车内光线具有高反射率，且具有透镜成像汇聚功能。上述光学中继薄膜4用于将车内投射的图像光束反射聚焦至驾驶员双眼瞳孔中，以直接在人眼视网膜上成像。其中，上述光学中继薄膜4对车外光线的透过率和对车内光线的反射率可以达到100％，而光学中继薄膜4对车外光线的高透过率和对车内光线的高反射率，可以保证光学中继薄膜4在驾驶员双眼一侧反射汇聚图像光束时，驾驶员依旧可以透过挡风玻璃5观察车外路情。
27.请参见图1，上述图像投射装置可设置在挡风玻璃5附近，例如挡风玻璃5下方的中控台处，图像投射装置可生成两个图像光束，并将两个图像光束投射至贴附在挡风玻璃5处的光学中继薄膜4上，以利用光学中继薄膜4的反射聚焦作用使两个图像光束分别汇聚至驾驶员双眼的瞳孔处，并通过瞳孔投影在人眼视网膜上成像。其中，图像光束汇聚至瞳孔处的光斑大小小于瞳孔尺寸，以保证实现大景深视网膜投影显示。
28.具体地，如图1所示，上述图像投射装置包括反射机构3和投射光源1，上述投射光源1生成两个图像光束，并使两个图像光束沿不同光路投射至反射机构3上，而反射机构3可将上述两个图像光束反射至光学中继薄膜4处，最后光学中继薄膜4分别将两个图像光束反射汇聚至驾驶员双眼瞳孔处以在双眼视网膜处成像。其中，上述投射光源1生成两个图像光
束的投射光路的出射位置和投射方向可受控调整，而上述反射机构3中反射面的曲率和俯仰角也可受控调整，通过调整上述图像投射装置的光学参数可使得两个图像光束分别精准的在驾驶员双眼视网膜处成像。
29.而为保证车载抬头显示装置可在驾驶员驾驶过程中始终将图像投射至驾驶员双眼中，本发明的车载抬头显示装置还设置了人眼追踪装置6和控制装置。上述人眼追踪装置6设置在位于挡风玻璃5顶部的车顶处，用于实时追踪定位驾驶员双眼的空间坐标。上述控制装置分别与图像投射装置和人眼追踪装置6相电连，控制装置负责为投射光源1提供投射图像，并根据人眼追踪装置6实时追踪的驾驶员双眼的空间坐标反馈控制图像投射装置中的投射光源1和反射机构3，具体通过调节图像投射装置的光学参数来调整图像投射装置生成两个图像光束的汇聚位置，使得两个图像光束的汇聚位置分别移动至驾驶员双眼的空间坐标处。
30.其中，上述投射光源1投射出图像可以为二维图像或三维图像，其中三维图像可为全息三维图像。
31.请参见图1，在本发明的一实施例中，上述投射光源1包括两个投影仪2，两个投影仪2设置在调节组件上，两个投影仪2可分别生成两个图像光束，并沿不同的投射光路投射至反射机构3上。上述调节组件可对两个投影仪2的位置和俯仰角度进行调整，从而对两个投影仪2生成两个图像光束的投射光路进行调整。需要说明的是，在本发明中，上述投影仪2的类型可以不受限定，投影仪2可以为任一能够提供二维图像或者全息三维图像的空间光调制器或投影装置，优选地，上述投影仪2可为激光扫描投影仪(lbs)或准直光源背光的数字微反射镜(dmd)、硅基液晶(lcos)等成像装置，区别于传统投影仪，上述优选的投影仪2利用极细光束进行图像投射，从而保证极细的图像光束在人眼瞳孔处汇聚的光斑大小小于瞳孔尺寸，其中，极细光束的出瞳直径小于其中，d
eye
为瞳孔直径，l1为投射光源1与反射机构3上曲面镜之间的间距，l2为反射机构3上曲面镜与光学中继薄膜4之间的间距，l3为光学中继薄膜4与驾驶员双眼之间的间距。例如，上述投影仪2可以为激光扫描投影仪，激光扫描投影仪利用扫描振镜扫描极细激光束投射图像；或者，上述投影仪2可以采用lcos全息投影，利用球面波相位乘目标图像振幅的编码方式，实现极细光束全息投影。注意在本实施例中提到的极细光束指的是代表每一图像像素的光束。
32.请参见图1，在本发明的一实施例中，上述反射机构3为曲率可调的高速转镜，反射机构3包括曲面镜、电控形变层和旋转组件。上述曲面镜的反射镜面朝向投射光源1设置，并贴附在电控形变层上，电控形变层则设置在旋转组件上。其中，电控形变层通过电控形变来改变贴附在电控形变层上曲面镜的曲率，旋转组件则可绕x轴与y轴进行旋转，以对曲面镜的在xy平面上的俯仰角进行调整。在反射机构3中，曲面镜可对投射光源1投射至曲面镜面上的图像光束进行反射，而旋转组件和电控形变层则可对曲面镜上图像光束的反射光路进行控制。
33.在本实施例中，上述电控形变层包括第一电极层、第二电极层和压电材料。其中，压电材料设置在第一电极层和第二电极层之间，第一电极层和第二电极层分别对称的设置在压电材料的两面上，电控形变层通过改变压电材料上不同位置处第一电极层和第二电极
层之间加载的电流或电压，利用压电效应使得压电材料产生形变，从而带动贴附在电控形变层上的曲面镜改变曲率。
34.需要说明的是，上述光学中继薄膜4的类型可以不受限定，例如，上述光学中继薄膜4可以为全息光学元件hoe薄膜、全息光学元件hoe液晶体、超表面透镜、衍射光学元件或者液晶体光栅中的一种。可选地，超表面透镜、衍射光学元件可通过激光直写、电子束光刻、离子束光刻等其他加工手段获取，全息光学元件hoe薄膜和全息光学元件hoe液晶体则可通过曝光法、电子束光刻法或纳米压印法中任一种方式制备。其中，全息光学元件hoe薄膜和全息光学元件hoe液晶体具体可以体布拉格光栅(volume bragg grating，vbg)，或者表面浮雕光栅(surface relief grating，srg)，vbg的内部折射率周期性变化，srg的表面结构周期性变化，使得通过内部的折射率光栅或者浮雕光栅，可以对入射的光线进行调制，以实现对光线的反射和聚焦。
35.此外，曝光法制备全息光学元件hoe薄膜或全息光学元件hoe液晶体，是利用透镜产生的聚焦光束与一束平行光束在光敏聚合物或者光敏掺杂液晶材料上的不同位置进行干涉曝光，从而制备出具有特殊周期性结构的折射率光栅或者浮雕光栅。
36.请参见图1，在本发明的一实施例中，人眼追踪装置6由图像捕获装置与人眼识别定位系统组成，用于实时定位驾驶员双眼的空间坐标，并将驾驶员双眼的空间坐标实时传送给控制装置。在实施例中，控制装置可为计算机、中央处理器(cpu)、图像处理器(gpu)或其他芯片处理器，控制装置与反射机构3中的旋转组件和电控形变层以及投射光源1中的调节组件相电连。其中，控制装置通过控制旋转组件和电控形变层来调整所述反射机构3上曲面镜的俯仰角和曲率，还通过控制调节组件分别调整投射光源1中两个投影仪2之间的水平间距和俯仰角，从而根据实时获取的驾驶员双眼空间坐标来调整图像投射装置生成两个图像光束的光路，使两个图像光束始终在驾驶员双眼的空间坐标处汇聚。
37.在具体阐述控制装置对图像投射装置的控制方法之前，先解释车载抬头显示装置中的几个关系调控图像投射光路的光学参数，例如，投射光源1与反射机构3上曲面镜之间的间距l1；反射机构3上曲面镜与光学中继薄膜4之间的间距l2，光学中继薄膜4与驾驶员双眼之间的间距l3，光学中继薄膜4的焦距f，驾驶员双眼的空间坐标(x,y,z)，驾驶员双眼的瞳距p，投射光源1中两个投影仪2之间的水平间距d，调节组件和旋转组件的俯仰角
38.具体地，控制装置根据接收的驾驶员双眼的空间坐标(x,y,z)计算出驾驶员双眼实际的瞳距p以及与光学中继薄膜4的间距l3；控制装置根据获得的间距l3，通过控制电控形变层调节反射机构3的曲率半径为使图像投射装置生成的两个图像光束最终聚焦在距离光学中继薄膜4间距l3的位置处；控制装置根据驾驶员双眼实际的瞳距p，再通过控制调节组件调整两个投影仪2之间的水平间距为以改变投射光源1投射两个图像光束的生成点之间的间距，使得两个图像光束汇聚位置的间距与驾驶员双眼的瞳距p相等；而后控制装置计算出两个图像光束汇聚位置的空间坐标，获得驾驶员双眼位置相对于两个图像光束汇聚位置的偏移位移(dx,dy)，控制装置根据偏移位移(dx,dy)通过旋转组件调整反射机构3在xy平面俯仰角，调整的反射机构3偏移角度
为同时根据反射机构3的偏移角度通过调节组件调整两个投影仪2在xy平面俯仰角，调整的两个投影仪2的偏移角度为以保证两个投影仪2始终对光学中继薄膜4的中心投射的图像光束，从而使得两个图像光束的汇聚位置移动至驾驶员双眼的空间坐标处，最终使得车载抬头显示装置投射的两个图像分别汇聚至驾驶员双眼的瞳孔中，实现在驾驶员双眼的视网膜上投影显示，而显示的图像具有无固定成像面，始终清晰的特征。
39.请参见图2，本发明还提供了一种车载抬头显示方法，该车载抬头显示方法包括以下步骤：
40.s1、将光学中继薄膜4贴附在挡风玻璃5上，其中，光学中继薄膜4对车外光线具有高透过率，对车内光线具有高反射率，且具有透镜成像汇聚功能；
41.s2、通过图像投射装置生成两个图像光束，并将两个图像光束投射至光学中继薄膜4处，使得两个图像光束经过光学中继薄膜4反射至驾驶员双眼一侧成像；具体地，在图像光束投射装置中设置反射机构3和至少一组投射光源1，利用投射光源1生成两个图像光束，并将两个图像光束沿不同光路投射至反射机构3上，经反射机构3反射至光学中继薄膜4上，最后经过光学中继薄膜4反射聚焦成像；
42.s3、利用人眼追踪装置6实时定位驾驶员双眼的空间坐标，其中，人眼追踪装置6由图像捕获装置与人眼识别定位系统组成，人眼追踪装置6设置在位于挡风玻璃5顶部的车顶处；
43.s4、将控制装置分别电连于图像光束投射装置和人眼追踪装置6上，通过控制装置为投射光源1提供投射图像，并根据实时接收的驾驶员双眼的空间坐标反馈控制图像投射装置中的投射光源1和反射机构3，从而调整两个图像光束的汇聚位置，使两个图像光束的汇聚位置分别移动至所述驾驶员双眼的空间坐标处。
44.具体地，上述步骤s4包括以下步骤：
45.s41、通过控制装置根据接收的驾驶员双眼的空间坐标(x,y,z)计算出驾驶员双眼实际的瞳距p以及与光学中继薄膜4的间距l3；
46.s42、根据获得的间距l3，利用控制装置控制电控形变层调节反射机构3的曲率半径为以使图像投射装置生成的两个图像光束最终聚焦成像在距离光学中继薄膜4间距l3的位置处；
47.s43、根据驾驶员双眼实际的瞳距p，利用控制装置控制调节组件调整两个投影仪2之间的水平间距为以改变投射光源1投射两个图像光束的生成点之间的间距，使得两个图像光束汇聚位置的间距与驾驶员双眼的瞳距p相等；
48.s44、计算出两个图像光束汇聚位置的空间坐标，从而获得驾驶员双眼位置相对于两个图像光束汇聚位置的偏移位移(dx,dy)，而后根据偏移位移(dx,dy)通过旋转组件调节反射机构3在xy平面俯仰角，使反射机构3的在xy平面俯仰角移动偏移角度同时根据反射机构3的偏移角度调整两个投影仪2在xy平面俯仰角，使两个投影仪2在xy平面俯仰角的偏移角度为以保证两个投影仪2始终对光学中继薄膜4的中心投射的图像光束，最终使得两个图像光束的汇聚位置移动至驾驶员双眼的空间坐标处，而车载抬头显示装置投射的两个图像分别汇聚至驾驶员双眼的瞳孔中，实现在驾驶员双眼的视网膜上投影显示，而显示的图像具有无固定成像面，始终清晰的特征。
49.本发明的车载抬头显示装置通过投射光源生成两个图像，再利用反射机构和光学中继薄膜将两个图像在驾驶员双眼一侧聚焦成像，最后利用人眼追踪装置和控制装置实时追踪驾驶员双眼的空间坐标，并将两个图像的汇聚位置分别移动聚焦至驾驶员双眼的空间坐标处，从而使得本车载抬头显示装置在驾驶员驾驶过程中将投射图像始终汇聚在人眼视网膜上成像。由于两个图像时别汇聚至驾驶员双眼视网膜上成像，而不经过晶状体的调焦，因此不存在固定的虚像平面，图像在很大景深范围内始终保持清晰，无需驾驶员双眼对焦即可看清虚像，增加了驾驶安全性；并且，车载抬头显示装置使得人眼追踪和光路系统联动，可以基于人眼追踪数据，实时改变系统中的光学参数，以保证投影图像始终汇聚到人眼中成像，而不受人眼偏移影响。所以，本发明有效克服了现有技术中的一些实际问题从而有很高的利用价值和使用意义。
50.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。