一种显示装置，抬头显示系统和基于抬头显示系统的图像显示方法与流程

1.本技术涉及汽车领域，尤其涉及一种显示装置，抬头显示系统和基于抬头显示系统的图像显示方法。


背景技术：

2.抬头显示(head-up display,hud)是提高汽车驾驶安全性的一项重要技术，它可以把行驶速度、油量等仪表和导航信息通过成像源和镜子等组件投影到人眼然后在风挡外成立虚像，驾驶员不必低头即可观察行驶信息，从而避免分散注意力增强行车安全和提升驾驶体验。
3.为保证安全性，现有汽车风挡一般都是三明治形状的夹层玻璃，两块玻璃通过聚合物膜片胶合在一起。当hud投射的光线入射到风挡时，会在风挡的内外两个与空气接触的界面上反射，从而形成两个虚像。这两个虚像可能会因为部分重叠而形成重影，严重影响hud清晰度。


技术实现要素：

4.本发明实施例公开了一种抬头显示系统和基于抬头显示系统的图像显示方法，可以有效消除两个虚像的重影对人眼的视觉干扰。
5.第一方面、本技术提供了一种hud系统。hud系统包括风挡、图像生成单元(picture generation unit，pgu)和光学元件，其中，风挡包括第一风挡表面和第二风挡表面。pgu将其生成的图像对应的光束投射至光学元件。光学元件将光束导向第一风挡表面。第一风挡表面将光束折射至第二风挡表面，并反射光束供人眼接收。第一风挡表面还将折射第二风挡表面反射后的光束供人眼接收。其中，光束经过第一风挡表面的反射形成有图像的第一虚像。光束经过第二风挡表面的反射和第一风挡表面的折射形成有图像的第二虚像。具体地，第一虚像和第二虚像与人眼之间的夹角小于预设角度。该夹角可以由风挡的厚度、风挡的折射率、光学元件导向第一风挡表面的光束在第一风挡表面的入射角的余角和第一虚像与人眼之间的距离计算得到。
6.需要说明的是，上述预设角度通常指人眼的分辨率(也可以称之为人眼的分辨角或解像力等)。一般情况下，普通人眼的分辨率为0.02
°
。应理解，本技术不限定上述预设角度的具体大小，只要两个虚像与人眼之间的夹角小到人眼无法再分辨两个虚像即可。
7.需要说明的是，选取位于第一虚像和第二虚像上的同一位置的点，例如第一虚像的中心点和第二虚像的中心点。并且，将人眼所在的位置视作一个点。进而，第一虚像的中心点到人眼的方向记作第一方向，第二虚像的中心点到人眼的方向记作第二方向。那么，第一方向和第二方向之间的夹角即为两个虚像到人眼的夹角。
8.在该实施方式中，pgu生成的图像会在风挡的前面形成两个虚像。两个虚像与人眼之间的夹角与多个参数相关(如风挡的厚度、风挡的折射率、光学元件导向第一风挡表面的
光束在第一风挡表面的入射角的余角和第一虚像与人眼之间的距离)。通过调节上述列举的参数可以使得两个虚像与人眼之间的夹角小于预设角度(如人眼的分辨率)。那么，人眼就无法分辨两个虚像，从而可以有效消除两个虚像的重影对人眼的视觉干扰。
9.在一些可能的实施方式中，hud系统还包括第一驱动装置和/或第二驱动装置。第一驱动装置用于调节pgu的位置，以使得pgu接近或远离光学元件。第二驱动装置用于调节光学元件的位置，以使得光学元件接近或远离pgu。
10.在该实施方式中，可以动态调节pgu与光学元件之间的距离，从而可以动态调节第一虚像与人眼之间的距离，以确保两个虚像与人眼之间的夹角小于预设角度，提高了方案的实用性。
11.在一些可能的实施方式中，第一驱动装置还用于带动pgu旋转，以调节光束在第一风挡表面的入射角的余角的大小。第二驱动装置，还用于带动光学元件旋转，以调节光束在第一风挡表面的入射角的余角的大小。
12.在该实施方式中，可以通过驱动装置动态调节光束在第一风挡表面的入射角的余角的大小，以确保两个虚像与人眼之间的夹角小于预设角度，进一步提高了方案的实用性。
13.在一些可能的实施方式中，第一虚像与人眼之间的距离等于第一距离和第二距离相加之和，第一距离为第一虚像与第一风挡表面的目标位置之间的距离，第二距离为第一风挡表面的目标位置与人眼之间的距离，第一距离由光学元件的焦距和pgu与光学元件之间的距离确定。
14.在该实施方式中，通过改变第一距离和/或第二距离的大小都可以改变第一虚像与人眼之间的距离。具体地，第一距离的改变可以通过调节光学元件的焦距和pgu与光学元件之间的距离实现。第二距离的改变可以通过调节观察者与风挡之间的距离实现。提高了本方案的扩展性。
15.在一些可能的实施方式中，夹角由风挡的厚度、风挡的折射率、余角和第一虚像与人眼之间的距离代入公式计算得到；
16.公式为：
17.其中，表示夹角，h表示风挡的厚度，n表示风挡的折射率，d表示第一虚像与人眼之间的距离，θ1表示余角。
18.在该实施方式中，提供了两个虚像与人眼之间的夹角的具体计算方式，提高了本方案的可实现性。
19.在一些可能的实施方式中，第一风挡表面和第二风挡表面之间具有夹层，夹层用于将第一风挡表面和第二风挡表面固定在一起。光学元件为曲面反射镜、透镜、硅基液晶(liquid crystal on silicon，lcos)或衍射光学元件(diffractive optical elements,doe)。
20.第二方面，本技术提供了一种hud系统。hud系统包括风挡、pgu和光学元件，其中，风挡包括第一风挡表面和第二风挡表面。pgu将其生成的图像对应的光束投射至光学元件。
光学元件将光束导向第一风挡表面。第一风挡表面将光束折射至第二风挡表面，并反射光束供人眼接收。第一风挡表面还将折射第二风挡表面反射后的光束供人眼接收。其中，光束经过第一风挡表面的反射形成有图像的第一虚像。光束经过第二风挡表面的反射和第一风挡表面的折射形成有图像的第二虚像。具体地，第一虚像和第二虚像与人眼之间的夹角小于预设角度。该夹角可以由风挡的厚度、风挡的折射率、光学元件导向第一风挡表面的光束在第一风挡表面的入射角的余角和第一虚像与第一风挡表面上目标位置之间的距离计算得到。通过调节上述列举的参数可以使得两个虚像与人眼之间的夹角小于预设角度(如人眼的分辨率)。
21.第三方面，本技术提供了一种基于hud系统的图像显示方法，hud系统包括风挡、pgu和光学元件，其中，风挡包括第一风挡表面和第二风挡表面；方法包括：
22.通过pgu生成图像，并将图像对应的光束投射至光学元件。通过光学元件对图像进行成像，并将光束导向第一风挡表面的目标位置。通过第一风挡表面将光束折射至第二风挡表面，并反射光束供人眼接收，其中，光束经过第一风挡表面的反射形成有图像的第一虚像。通过第二风挡表面将第一风挡表面折射后的光束反射至第一风挡表面。通过第一风挡表面折射第二风挡表面反射后的光束供人眼接收，其中，光束经过第二风挡表面的反射和第一风挡表面的折射形成有图像的第二虚像。通过对风挡的厚度、风挡的折射率、光学元件导向第一风挡表面的光束在第一风挡表面的入射角的余角和第一虚像与人眼之间的距离中的至少一项进行调节，以使得第一方向和第二方向之间的夹角小于预设角度，第一方向为第一虚像到人眼的方向，第二方向为第二虚像到人眼的方向。
23.在一些可能的实施方式中，hud系统还包括第一驱动装置和/或第二驱动装置；方法还包括：
24.通过第一驱动装置调节pgu的位置，以使得pgu接近或远离光学元件；
25.通过第二驱动装置调节光学元件的位置，以使得光学元件接近或远离pgu。
26.在一些可能的实施方式中，方法还包括：
27.通过第一驱动装置带动pgu旋转，以调节余角的大小；
28.通过第二驱动装置带动光学元件旋转，以调节余角的大小。
29.在一些可能的实施方式中，第一虚像与人眼之间的距离等于第一距离和第二距离相加之和，第一距离为第一虚像与第一风挡表面的目标位置之间的距离，第二距离为第一风挡表面的目标位置与人眼之间的距离；方法还包括：
30.通过调节光学元件的焦距和pgu与光学元件之间的距离，以改变第一距离。
31.在一些可能的实施方式中，夹角由风挡的厚度、风挡的折射率、余角和第一虚像与人眼之间的距离代入公式计算得到；
32.公式为：
33.其中，表示夹角，h表示风挡的厚度，n表示风挡的折射率，d表示第一虚像与人眼之间的距离，θ1表示余角。
34.在一些可能的实施方式中，第一风挡表面和第二风挡表面之间具有夹层，夹层用于将第一风挡表面和第二风挡表面固定在一起；光学元件为曲面反射镜、透镜、lcos或doe。
35.本技术实施例中，pgu生成的图像会在风挡的前面形成两个虚像。两个虚像与人眼之间的夹角与多个参数相关(如风挡的厚度、风挡的折射率、光学元件导向第一风挡表面的光束在第一风挡表面的入射角的余角和第一虚像与人眼之间的距离)。通过调节上述列举的参数可以使得两个虚像与人眼之间的夹角小于预设角度(如人眼的分辨率)。那么，人眼就无法分辨两个虚像，从而可以有效消除两个虚像的重影对人眼的视觉干扰。
附图说明
36.图1为本技术实施例提供的第一种hud系统结构图；
37.图2为第一种hud系统中的参数变化示意图；
38.图3为第二种hud系统中的参数变化示意图；
39.图4为第三种hud系统中的参数变化示意图；
40.图5为第四种hud系统中的参数变化示意图；
41.图6为本技术实施例提供的第二种hud系统结构图；
42.图7为本技术实施例提供的第三种hud系统结构图；
43.图8为本技术实施例提供的第四种hud系统结构图；
44.图9为本实施例提供了一种基于hud系统的图像显示方法的示意图。
具体实施方式
45.本技术实施例提供了一种抬头显示系统和基于抬头显示系统的图像显示方法，可以有效消除两个虚像的重影对人眼的视觉干扰。本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
46.图1为本技术实施例提供的第一种抬头显示(head-up display,hud)系统结构图。该hud系统包括图像生成单元(picture generation unit，pgu)101、光学元件102和风挡103。其中，风挡103具有内外两个表面，分别是第一风挡表面103a和第二风挡表面103b。图像生成单元101生成图像，并将图像对应的光束投射至光学元件102。光学元件102对图像进行成像，并将光束导向第一风挡表面103a。光束射到第一风挡表面103a会发生反射和折射。其中，第一风挡表面103a折射后的光束导向第二风挡表面103b。第一风挡表面103a反射后的光束可以供人眼接收。应理解，光束经过第一风挡表面103a反射形成有图像的第一虚像。第二风挡表面103b将第一风挡表面103a折射后的光束再反射至第一风挡表面103a。进而，第二风挡表面103b反射后的光束在第一风挡表面103a发生折射，可以供人眼接收。应理解，光束经过第二风挡表面103b的反射和第一风挡表面103a的折射后形成有图像的第二虚像。
47.如图1所示，第一虚像和第二虚像在空间中的成像位置并不相同。因此，第一虚像
和第二虚像可能会因为部分重叠而形成重影，从而对观察者造成视觉干扰。为了消除人眼看到的重影，就需要使两个虚像到人眼的夹角小于人眼的分辨率。也就是说，要尽量让两个虚像在空间中的成像位置尽量接近，使得人眼无法再察觉重影。
48.需要说明的是，两个虚像到人眼的夹角会受到多个参数的影响。为此，需要对多个参数进行调节，以使得两个虚像到人眼的夹角小于预设角度(例如人眼的分辨率)。下面进行详细介绍。
49.具体地，选取位于第一虚像和第二虚像上的同一位置的点，例如第一虚像的中心点和第二虚像的中心点。并且，将人眼所在的位置视作一个点。进而，第一虚像的中心点到人眼的方向记作第一方向，第二虚像的中心点到人眼的方向记作第二方向。那么，第一方向和第二方向之间的夹角即为两个虚像到人眼的夹角。
50.该夹角具体可以通过如下公式计算得到。
[0051][0052]
其中，表示两个虚像到人眼的夹角，h表示风挡的厚度，n表示风挡的折射率，d表示第一虚像与人眼之间的距离，所述θ1表示光学元件102导向第一风挡表面103a的光束在第一风挡表面103a的入射角θ0的余角。
[0053]
需要说明的是，第一虚像与人眼之间的距离d包括第一虚像到第一风挡表面103a的距离d1和第一风挡表面103a到人眼的距离d2。具体地，光学元件102导向第一风挡表面的光束在目标位置入射。那么，该目标位置到第一虚像的距离即为d1，该目标位置到人眼的距离即为d2。
[0054]
应理解，由于人眼位置选取的不确定性，根据上述公式计算出的只是一个近似值。不过可以确定的是，两个虚像到人眼的夹角由上述列举的各参数共同决定。下面以人眼的分辨率为0.02
°
为例，列举几种可能的实现方式，以使得两个虚像到人眼的夹角小于0.02
°
。
[0055]
图2为第一种hud系统中的参数变化示意图。如图2所示，纵坐标表示两个虚像到人眼的夹角横坐标表示第一虚像到第一风挡表面103a的距离d1。图2表示的是其他参数确定的情况下，随着d1变化的示意图。其中，θ1＝30
°
，n＝1.518，h＝5mm，d2＝750mm。从图2中可以看出，需要设置d1大于10m以满足小于0.02
°
。
[0056]
图3为第二种hud系统中的参数变化示意图。如图3所示，纵坐标表示两个虚像到人眼的夹角横坐标表示风挡的折射率n。图3表示的是其他参数确定的情况下，随着n变化的示意图。其中，θ1＝30
°
，d1＝10m，h＝5mm，d2＝750mm。从图3中可以看出，需要设置n大于1.44，具体的取值范围可以是1.44-1.8。
[0057]
图4为第三种hud系统中的参数变化示意图。如图4所示，纵坐标表示两个虚像到人眼的夹角横坐标表示θ1。图4表示的是其他参数确定的情况下，随着θ1变化的示意图。
其中，n＝1.518，d1＝10m，h＝5mm，d2＝750mm。具体地，θ1的取值范围可以是20
°‑
80
°
。
[0058]
图5为第四种hud系统中的参数变化示意图。如图5所示，纵坐标表示两个虚像到人眼的夹角横坐标表示风挡的厚度h。图5表示的是其他参数确定的情况下，随着h变化的示意图。其中，θ1＝30
°
，d1＝10m，n＝1.518，d2＝750mm。从图5中可以看出，需要设置h小于6mm。
[0059]
可以理解的是，在实际应用中，上述各参数的具体取值包括但不限于图2-图5所列举的示例。并且，人眼的分辨率包括但不限于上述列举的0.02
°
。只要上述各参数的组合可以使得两个虚像到人眼的夹角小于预设角度，均属于本技术所涵盖范围。
[0060]
上述各参数除了预先设置好的情况外。在一些可能的实施方式中，也可以对其中的某些参数进行动态调整。下面提供几种具体的实施方式。
[0061]
第一、调节上述参数d1。
[0062]
可以理解的是，上述参数d1由光学元件102的焦距和图像生成单元101与光学元件102之间的距离确定。例如，图像生成单元101与光学元件102之间的距离小于光学元件102的焦距，那么可以得到放大的虚像，并且该虚像与人眼之间的距离较大。因此，通过调节图像生成单元101与光学元件102之间的距离和/或光学元件102的焦距可以改变上述参数d1。
[0063]
图6为本技术实施例提供的第二种hud系统结构图。相较于图1所示的hud系统，图6所示的hud系统还包括第一驱动装置104和/或第二驱动装置105。具体地，第一驱动装置104用于调节图像生成单元101的位置。第二驱动装置105用于调节光学元件102的位置。通过第一驱动装置104和/或第二驱动装置105可以改变图像生成单元101与光学元件102之间的距离，从而调节上述参数d1。
[0064]
可选地，对于一些特定结构的光学元件102，也可以动态调节该光学元件102的焦距。例如，光学元件102为硅基液晶(liquid crystal on silicon，lcos)。可以通过在lcos在加载不同的调制信息改变lcos的焦距，从而调节上述参数d1。
[0065]
第二、调节上述参数θ1。
[0066]
基于上述图6所示的hud系统。第一驱动装置104可以带动图像生成单元101旋转，以改变光束射向光学元件102的角度，从而实现对上述参数θ1的调节。同理，第二驱动装置105可以带动光学元件102旋转，以改变光束射向第一风挡表面103a的角度，从而实现对上述参数θ1的调节。
[0067]
第三、调节上述参数n。
[0068]
具体地，可以通过温度调节装置改变风挡103的温度，进而改变风挡的折射率n。或者，通过电源改变加载在风挡103上的电压来改变风挡的折射率n。
[0069]
需要说明的是，上述光学元件102可以是反射镜，例如自由曲面镜、非球面镜、反射型lcos或衍射光学元件(diffractive optical elements,doe)等，具体的光路如图1所示。或者，上述光学元件102也可以是透镜或透射型lcos等，具体的光路如图7所示。图7为本技术实施例提供的第三种hud系统结构图。
[0070]
可选地，本技术的hud系统中还可以设置多个光学元件102组成成像系统，并将来自图像生成单元101的光束导向第一风挡表面103a。本技术不限定上述光学元件102的具体数量。例如，图8为本技术实施例提供的第四种hud系统结构图。光学元件102包括第一反射元件102a和第二反射元件102b。图像生成单元101发射的光束先后经过第一反射元件102a
和第二反射元件102b的反射后导向第一风挡表面103a。
[0071]
在一些可能的实施方式中，风挡103为夹层结构，即第一风挡表面103a和第二风挡表面103b之间通过聚合物胶合在一起。
[0072]
本技术实施例中，pgu生成的图像会在风挡的前面形成两个虚像。两个虚像与人眼之间的夹角与多个参数相关(如风挡的厚度、风挡的折射率、光学元件导向第一风挡表面的光束在第一风挡表面的入射角的余角和第一虚像与人眼之间的距离)。通过调节上述列举的参数可以使得两个虚像与人眼之间的夹角小于预设角度(如人眼的分辨率)。那么，人眼就无法分辨两个虚像，从而可以有效消除两个虚像的重影对人眼的视觉干扰。
[0073]
下面请参阅图9，图9为本实施例提供了一种基于hud系统的图像显示方法的示意图。该hud系统包括：风挡、pgu和光学元件，其中，风挡包括第一风挡表面和第二风挡表面。该图像显示方法包括：
[0074]
901、通过pgu生成图像，并将图像对应的光束投射至光学元件。
[0075]
902、通过光学元件对图像进行成像，并将光束导向第一风挡表面的目标位置。
[0076]
903、通过第一风挡表面将光束折射至第二风挡表面，并反射光束供人眼接收。
[0077]
具体地，光束经过第一风挡表面的反射形成有图像的第一虚像。
[0078]
904、通过第二风挡表面将第一风挡表面折射后的光束反射至第一风挡表面。
[0079]
905、通过第一风挡表面折射第二风挡表面反射后的光束供人眼接收。
[0080]
具体地，光束经过第二风挡表面的反射和第一风挡表面的折射形成有图像的第二虚像。
[0081]
906、通过对风挡的厚度、风挡的折射率、光学元件导向第一风挡表面的光束在第一风挡表面的入射角的余角和第一虚像与人眼之间的距离中的至少一项进行调节，以使得第一方向和第二方向之间的夹角小于预设角度。
[0082]
具体地，第一方向为第一虚像到人眼的方向，第二方向为第二虚像到人眼的方向。
[0083]
可选地，在一些可能的实施方式中，hud系统还包括第一驱动装置和/或第二驱动装置；方法还包括：
[0084]
通过第一驱动装置调节pgu的位置，以使得pgu接近或远离光学元件；
[0085]
通过第二驱动装置调节光学元件的位置，以使得光学元件接近或远离pgu。
[0086]
可选地，在一些可能的实施方式中，方法还包括：
[0087]
通过第一驱动装置带动pgu旋转，以调节余角的大小；
[0088]
通过第二驱动装置带动光学元件旋转，以调节余角的大小。
[0089]
可选地，在一些可能的实施方式中，第一虚像与人眼之间的距离等于第一距离和第二距离相加之和，第一距离为第一虚像与第一风挡表面的目标位置之间的距离，第二距离为第一风挡表面的目标位置与人眼之间的距离；方法还包括：
[0090]
通过调节光学元件的焦距和pgu与光学元件之间的距离，以改变第一距离。
[0091]
需要说明的是，本实施例中的hud系统具体可以为图1、图6、图7和图8所示实施例中的hud系统，此处不再赘述。
[0092]
需要说明的是，以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而
这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。