一种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.本技术涉及图像显示领域，尤其涉及一种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)系统，是将行车中的重要信息(仪表、导航等)直接显示在前档风玻璃的正前方，让驾驶员不需要频繁低头就可以获取这些重要信息，从而增加驾驶的安全性。
3.随着技术的发展，hud系统需要有更大的显示区域，以及不同的成像距离。根据光学原理，受到成像系统(自由曲面镜、非球面镜等)加工工艺的限制，单一的成像系统无法实现更大的显示区域。当前业界通过将多个独立的抬头显示系统进行拼接的方式，以实现更大显示区域的目的。但是这种方式需要依靠多个图像生成单元来实现，增加了实现成本。


技术实现要素：

4.本技术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，扩大了人眼可观察到的投影区域，并且只需要一个图像生成单元即可实现，降低了实现成本。
5.第一方面，本技术提供了一种hud系统。hud系统包括图像生成单元(picture generation unit，pgu)和光学元件。其中，pgu包括光源、图像显示模块、图像调制模块和控制器。光源向图像显示模块发射光束。控制器对图像显示模块加载第一图像信息和第二图像信息，对图像调制模块加载第一调制信号和第二调制信号。图像显示模块根据光束生成第一图像信息对应的第一图像，根据光束生成第二图像信息对应的第二图像，并将第一图像和第二图像投射至图像调制模块。图像调制模块根据第一调制信号对第一图像进行调制，根据第二调制信号对第二图像进行调制，并将调制后的第一图像和第二图像投射至光学元件。光学元件对调制后的第一图像和第二图像进行成像，并将成像后的第一图像和第二图像导向成像区域，其中，成像后的第一图像和第二图像具有不同的成像位置。
6.需要说明的是，上述hud系统可以应用于车辆中，那么该hud系统将成像后的第一图像和第二图像投射至所述车辆的风挡，并由风挡反射成像后的第一图像和第二图像供人眼接收。
7.在该实施方式中，图像调制模块上加载有多个不同的调制信号，进而分别对多个的图像进行调制，以实现调制后多个图像的偏转角度不同。从而使得成像后的多个图像在空间中具有不同的成像位置。人眼可以观察并分辨不同的图像。本技术的hud系统扩大了人眼可观察到的投影区域，并且只需要一个图像生成单元即可实现，降低了实现成本。
8.在一些可能的实施方式中，控制器对图像显示模块的第一区域加载第一图像信息，对图像显示模块的第二区域加载第二图像信息，对图像调制模块的第一区域加载第一调制信号，对图像调制模块的第二区域加载第二调制信号。
9.在该实施方式中，基于图像显示模块和图像调制模块的分区，图像调制模块可以
对多个图像进行同步调制，提高了调制效率。
10.在一些可能的实施方式中，控制器在第一时段对图像显示模块加载第一图像信息，在第二时段对图像显示模块加载第二图像信息，在第一时段对图像调制模块加载第一调制信号，在第二时段对图像调制模块加载第二调制信号。
11.在该实施方式中，图像调制模块采用分时调制的方式对第一图像和第二图像进行调制。图像显示模块和图像调制模块无需分区，可以将图像显示模块和图像调制模块做的更小，节约了成本。
12.在一些可能的实施方式中，图像调制模块为硅基液晶(liquid crystal on silicon，lcos)，第一调制信号包括第一相位信息和第一光栅信息，第二调制信号包括第二相位信息和第二光栅信息。该实施方式提供了一种图像调制模块的具体实现方式，提高了方案的实用性。
13.在一些可能的实施方式中，图像调制模块为液体透镜，第一调制信号为第一电压，第二调制信号为第二电压。该实施方式提供了另一种图像调制模块的具体实现方式，提高了方案的扩展性。
14.在一些可能的实施方式中，hud系统还包括第一扩散屏和第二扩散屏。图像调制模块用于将调制后的第一图像投射至第一扩散屏，将调制后的第二图像投射至第二扩散屏。第一扩散屏用于对调制后的第一图像进行扩散，并将扩散后的第一图像导向光学元件。第二扩散屏用于对调制后的第二图像进行扩散，并将扩散后的第二图像导向光学元件。
15.在该实施方式中，图像生成单元和光学元件之间可以设置多个扩散屏，用于对调制后的多个图像进行扩散，扩大成像的角度，从而提高显示效果。
16.在一些可能的实施方式中，光学元件为透射元件或反射元件。光学元件还用于对调制后的第一图像和第二图像进行放大，从而提高显示效果。
17.第二方面，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pgu和光学元件，其中，pgu包括光源、图像显示模块、图像调制模块和控制器；方法包括：
18.通过光源向图像显示模块发射光束；
19.通过控制器对图像显示模块加载第一图像信息和第二图像信息，对图像调制模块加载第一调制信号和第二调制信号；
20.通过图像显示模块根据光束生成第一图像信息对应的第一图像，根据光束生成第二图像信息对应的第二图像，并将第一图像和第二图像投射至图像调制模块；
21.通过图像调制模块根据第一调制信号对第一图像进行调制，根据第二调制信号对第二图像进行调制，并将调制后的第一图像和第二图像投射至光学元件；
22.通过光学元件对调制后的第一图像和第二图像进行成像，并将成像后的第一图像和第二图像导向成像区域，其中，成像后的第一图像和第二图像具有不同的成像位置。
23.在一些可能的实施方式中，方法还包括：
24.通过控制器对图像显示模块的第一区域加载第一图像信息，对图像显示模块的第二区域加载第二图像信息，对图像调制模块的第一区域加载第一调制信号，对图像调制模块的第二区域加载第二调制信号。
25.在一些可能的实施方式中，方法还包括：
26.通过控制器在第一时段对图像显示模块加载第一图像信息，在第二时段对图像显
示模块加载第二图像信息，在第一时段对图像调制模块加载第一调制信号，在第二时段对图像调制模块加载第二调制信号。
27.在一些可能的实施方式中，图像调制模块为硅基液晶lcos，第一调制信号包括第一相位信息和第一光栅信息，第二调制信号包括第二相位信息和第二光栅信息。
28.在一些可能的实施方式中，图像调制模块为液体透镜，第一调制信号为第一电压，第二调制信号为第二电压。
29.在一些可能的实施方式中，hud系统还包括第一扩散屏和第二扩散屏；方法还包括：
30.通过图像调制模块将调制后的第一图像投射至第一扩散屏，将调制后的第二图像投射至第二扩散屏。通过第一扩散对调制后的第一图像进行扩散，并将扩散后的第一图像导向光学元件。通过第二扩散屏对调制后的第二图像进行扩散，并将扩散后的第二图像导向光学元件。
31.在一些可能的实施方式中，光学元件为透射元件或反射元件；方法还包括：
32.通过光学元件对调制后的第一图像和第二图像进行放大。
33.第三方面，本技术提供了一种车辆，包括上述第一方面中任一实施方式的hud系统，hud系统将成像后的第一图像和第二图像投射至所述车辆的风挡，并由风挡反射成像后的第一图像和第二图像供人眼接收。
34.本技术实施例中，图像显示模块上加载有多个的图像信息，进而可以根据来自光源的光束生成多个的图像，并将多个的图像投射至图像调制模块。图像调制模块上加载有多个不同的调制信号，进而分别对多个的图像进行调制，以实现调制后多个图像的偏转角度不同。光学元件对调制后的多个图像进行成像，成像后的多个图像在空间中具有不同的成像位置。使得人眼可以观察并分辨不同的图像。本技术的hud系统扩大了人眼可观察到的投影区域，并且只需要一个图像生成单元即可实现，降低了实现成本。
附图说明
35.图1为本技术提供的第一种显示系统的结构图；
36.图2为本技术实施例中图像生成单元的第一种结构示意图；
37.图3为本技术实施例中对图像进行分区调制的一种结构示意图；
38.图4为本技术实施例中对图像进行分时调制的一种时序示意图；
39.图5为本技术所提供的一种相位图的示意图；
40.图6为本技术提供的第二种显示系统的结构图；
41.图7为本技术提供的第三种显示系统的结构图；
42.图8为本技术提供的第四种显示系统的结构图；
43.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
44.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，扩大了人眼可观察到的投影区域，并且只需要一个图像生成单元即可实现，降低了实现成本。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。
45.本技术主要应用于抬头显示(head-up display,hud)系统。下面结附图1对本技术提供的hud系统进行介绍。
46.图1为本技术提供的第一种显示系统的结构图。该显示系统包括hud系统，其中，hud系统包括图像生成单元(picture generation unit，pgu)10和光学元件20。图像生成单元10用于生成图像，并将图像对应的光束投射至光学元件20。光学元件20对图像进行成像，并将成像后的图像导向成像区域。可选地，该显示系统可以应用于车辆中，显示系统还包括车辆的风挡30，风挡30对成像后的图像进行反射供人眼接收。其中，图像经过风挡30的反射会在风挡30远离观察者一侧的成像区域形成人眼可见的虚像。可以理解的是，在其他可能的应用场景中，图1中所述的风挡30也可以是其他类型的元件，例如成像屏，hud系统成像后的图像将投射至成像屏上的成像区域。为便于描述，下面统一以hud系统应用于车辆的场景对本技术的实施例进行介绍。
47.需要说明的是，本实施例中，图像生成单元10可以生成多个不同的图像，并且每个图像对应的光束将以不同的角度投射至光学元件20。经过光学元件20的成像和风挡30的反射可以形成多个人眼可见的虚像。其中，图像生成单元10会对不同的图像进行不同的调制，以使得不同图像在空间中的成像位置不同。因此，观察者可以透过风挡在不同的区域看到不同图像的虚像，例如图1中所示的第一图像和第二图像。并且，不同虚像与人眼之间的距离也可以不同。下面对图像生成单元10进行详细介绍。
48.图2为本技术实施例中图像生成单元的第一种结构示意图。图像生成单元10包括光源101、图像显示模块102、图像调制模块103和控制器104。光源101向图像显示模块102发射光束。图像显示模块102受控制器104的控制可以加载多个图像信息，例如第一图像信息和第二图像信息。进而，图像显示模块102根据光源101发射的光束生成图像信息对应的图像，例如，第一图像信息对应的第一图像和第二图像信息对应的第二图像。图像显示模块102还将生成的第一图像和第二图像投射至图像调制模块103。图像调制模块103受控制器104的控制可以加载多个调制信号，并根据不同的调制信号对来自图像显示模块102的不同图像进行调制。例如，图像调制模块103根据第一调制信号对第一图像进行调制，根据第二调制信号对第二图像进行调制。进而，调制后的第一图像和第二图像会以不同的入射角度投射至光学元件102的不同区域。
49.本实施例中，光源101是可以发射红、绿、蓝三色光的激光光源。图像显示模块102可以是液晶显示器(liquid crystal display，lcd)或硅基液晶(liquid crystal on silicon，lcos)等具有图像显示功能的器件。图像显示模块102上加载的图像信息具体可以是图像的幅度谱或相位谱。
50.需要说明的是，图像调制模块103对多个图像进行调制包括分区调制和分时调制两种实施方式，下面分别进行介绍：
51.第一种、分区调制的实施方式。
52.图3为本技术实施例中对图像进行分区调制的一种结构示意图。具体地，图像显示模块102和图像调制模块103都可以划分为多个区域，并且图像显示模块102上划分的区域与图像调制模块103上划分的区域一一对应。图像显示模块102上的不同区域用于加载不同的图像信息。例如，图像显示模块102的第一区域加载第一图像信息，图像显示模块102的第二区域加载第二图像信息。相应的，图像调制模块103的不同区域用于加载不同的调制信号。例如，图像调制模块103的第一区域加载第一调制信号，图像调制模块103的第二区域加载第二调制信号。可以理解的是，基于图像显示模块102和图像调制模块103的分区，图像调制模块103可以对多个图像进行同步调制。
53.第二种、分时调制的实施方式。
54.图4为本技术实施例中对图像进行分时调制的一种时序示意图。具体地，图像显示模块102受控制器104的控制在不同时段加载不同的图像信息。图像调制模块103受控制器104的控制在不同时段加载不同的调制信号。其中，控制器104对图像显示模块102与图像调制模块103的控制时序是一致的。优选地，图像显示模块102交替加载不同的图像信息，图像调制模块103交替加载不同的调制信号。例如图4所示，第一图像对应的控制时序与第二图像对应的控制时序是交错的。在时段1，图像显示模块102加载第一图像信息，图像调制模块103加载第一调制信号；在时段2，图像显示模块102加载第二图像信息，图像调制模块103对第二调制信号；在时段3，图像显示模块102加载第一图像信息，图像调制模块103加载第一调制信号，以此类推。可以理解的是，图像调制模块103具有快速的响应能力，使得第一图像和第二图像的显示频率高于人眼的响应频率，人眼可以同时观察到第一图像和第二图像。
55.需要说明的是，在实际应用中，可以采用多种不同类型的图像调制模块103以实现对图像的调制，下面分别进行介绍。
56.第一种、图像调制模块为相位型lcos。
57.本实施方式中，lcos上加载的调制信号包括相位信息和光栅信息。其中，相位信息和光栅信息具体可以通过相位图的形式体现。图5为本技术所提供的一种相位图的示意图。如图5所示，lcos可以根据第一相位图对第一图像进行调制，根据第二相位图对第二图像进行调制。可以看出，第一相位图与第二相位图中的圆环半径以及圆环之间的狭缝长度等参数并不相同，从而不同的相位图呈现的相位信息和光栅信息并不相同。
58.相位信息可以是菲涅尔相位，菲涅尔相位的第m个环的半径表示为其中，λ为第一图像或第二图像对应光波的波长，f为与菲涅尔相位等效的菲涅尔透镜的焦距。应理解，不同相位信息中圆环半径的不同会使得其等效的菲涅尔透镜的焦距不同，进而，使得lcos调制后的第一图像与第二图像的成像距离不同。例如，图1中所示，第一图像与人眼之间的距离更远，第二图像与人眼之间的距离更近。
59.根据不同的光栅信息进行调制可以改变图像的偏转角度。该偏转角度θm满足如下表达式d(sinθm sinθi)＝mλ。其中，θi为光在lcos的入射角，d为狭缝长度，即光栅常数，λ为第一图像或第二图像对应光波的波长。应理解，不同光栅信息中光栅常数的不同会使得图像的偏转角度不同，从而避免了lcos调制后的第一图像和第二图像由于重叠而形成视觉干扰。
60.需要说明的是，lcos的调制方式包括上述的分区调制和分时调制，此处不再赘述。
61.第二种、图像调制模块为液体透镜。
62.本实施方式中，液体透镜上加载的调制信号具体是电压。可以通过改变液体透镜上的加载电压改变液体透镜的表面张力，从而改变液体透镜的焦距和图像的偏转角度。使得不同图像在空间中的成像位置不同。例如，液体透镜根据加载的第一电压对第一图像进行调制，根据加载的第二电压对第二图像进行调制。具体的调制方式包括上述的分区调制和分时调制，此处不再赘述。
63.在一些可能的实施方式中，还可以在图像生成单元10和光学元件20之间设置多个扩散屏，用于对调制后的多个图像进行扩散，扩大成像的角度，从而提高显示效果。例如，图6为本技术提供的第二种显示系统的结构图。hud系统中还包括第一扩散屏40和第二扩散屏50。第一扩散屏40用于对调制后的第一图像进行扩散，并将扩散后的第一图像导向光学元件20。第二扩散屏50用于对调制后的第二图像进行扩散，并将扩散后的第二图像导向光学元件20。应理解，由于调制后的第一图像和第二图像的成像距离不同，第一扩散屏40和第二扩散屏50与图像生成单元10之间的距离也是不同的。
64.需要说明的是，上述图6中所示的扩散屏为透射型的扩散屏。除此之外，也可以采用反射式的扩散屏，即扩散屏将扩散后的图像反射至光学元件20，具体此处不做限定。
65.在一些可能的实施方式中，光学元件20的类型可以有多种，并且光学元件20的数量可以是一个或多个。下面结合一些典型的实施方式进行介绍。
66.方式一、光学元件20可以是反射元件，如自由曲面镜、非球面镜或反射型lcos等。具体的光路如图1所示。
67.方式二、图7为本技术提供的第三种显示系统的结构图。光学元件20可以是透射元件，如透镜或透射型lcos等。具体的光路如图6所示。
68.方式三、图8为本技术提供的第四种显示系统的结构图。hud系统中包括由多个光学元件20组成的成像系统。例如，调制后的第一图像和第二图像经过第一反射元件20a的反射和第二反射元件20b的反射后导向风挡30。
69.需要说明的是，上述光学元件20还可以对第一图像和第二图像进行放大，以增强显示效果。
70.本技术实施例中，图像显示模块上加载有多个的图像信息，进而可以根据来自光源的光束生成多个的图像，并将多个的图像投射至图像调制模块。图像调制模块上加载有多个不同的调制信号，进而分别对多个的图像进行调制，以实现调制后多个图像的偏转角度不同。光学元件对调制后的多个图像进行成像，成像后的多个图像在空间中具有不同的成像位置。使得人眼可以观察并分辨不同的图像。本技术的hud系统扩大了人眼可观察到的投影区域，并且只需要一个图像生成单元即可实现，降低了实现成本。
71.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。hud系统包括图像生成单元和光学元件，其中，图像生成单元包括光源、图像显示模块、图像调制模块和控制器；该图像显示方法包括：
72.901、通过光源向图像显示模块发射光束。
73.902、通过控制器对图像显示模块加载第一图像信息和第二图像信息，对图像调制模块加载第一调制信号和第二调制信号。
74.903、通过图像显示模块根据光束生成第一图像信息对应的第一图像，根据光束生成第二图像信息对应的第二图像，并将第一图像和第二图像投射至图像调制模块。
75.904、通过图像调制模块根据第一调制信号对第一图像进行调制，根据第二调制信号对第二图像进行调制，并将调制后的第一图像和第二图像投射至光学元件。
76.905、通过光学元件对调制后的第一图像和第二图像进行成像，并将成像后的第一图像和第二图像导向成像区域，其中，成像后的第一图像和第二图像具有不同的成像位置。
77.可选地，在一些可能的实施方式中，方法还包括：
78.通过控制器对图像显示模块的第一区域加载第一图像信息，对图像显示模块的第二区域加载第二图像信息，对图像调制模块的第一区域加载第一调制信号，对图像调制模块的第二区域加载第二调制信号。
79.可选地，在一些可能的实施方式中，方法还包括：
80.通过控制器在第一时段对图像显示模块加载第一图像信息，在第二时段对图像显示模块加载第二图像信息，在第一时段对图像调制模块加载第一调制信号，在第二时段对图像调制模块加载第二调制信号。
81.可选地，在一些可能的实施方式中，图像调制模块为lcos，第一调制信号包括第一相位信息和第一光栅信息，第二调制信号包括第二相位信息和第二光栅信息。
82.可选地，在一些可能的实施方式中，图像调制模块为液体透镜，第一调制信号为第一电压，第二调制信号为第二电压。
83.可选地，在一些可能的实施方式中，hud系统还包括第一扩散屏和第二扩散屏；方法还包括：
84.通过图像调制模块将调制后的第一图像投射至第一扩散屏，将调制后的第二图像投射至第二扩散屏。通过第一扩散对调制后的第一图像进行扩散，并将扩散后的第一图像导向光学元件。通过第二扩散屏对调制后的第二图像进行扩散，并将扩散后的第二图像导向光学元件。
85.可选地，在一些可能的实施方式中，光学元件为透射元件或反射元件；方法还包括：
86.通过光学元件对调制后的第一图像和第二图像进行放大。
87.本技术还提供了一种车辆，包括上述任一实施例所示的hud系统，hud系统将成像后的第一图像和第二图像投射至所述车辆的风挡，并由风挡反射成像后的第一图像和第二图像供人眼接收。需要说明的是，第一图像和第二图像所呈现的信息是不同的。例如，第一图像用于显示车辆的仪表信息，向驾驶者反应车辆的状态，第二图像用于显示导航信息，向驾驶者反应当前的路况。
88.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。