用于调节视场显示设备的观察区域的方法和装置与流程

本发明涉及根据独立权利要求的装置或方法。本发明的主题还是一种计算机程序。

背景技术：

就视场显示设备或抬头显示器而言，只能在有限的观察区域内部完全地检测所显示的图像内容。

技术实现要素：

在这种背景下，以这里提出的方案，提出根据主权利要求的一种用于调节视场显示设备的观察区域的方法，还提出一种采用该方法的装置、一种视场显示设备，以及最后提出一种相应的计算机程序。采用在从属权利要求中给出的措施，可以有利地改进和改善在独立权利要求中给出的装置。

如果观察者或观察者的眼睛离开视场显示设备的观察区域，则只能不完整地获得所显示的信息。为了即使当观察者移动时也能获得所述信息，可以根据眼睛的眼睛位置来调整观察区域的位置。在调整时，可以相对于视场显示设备的光学系统移动视场显示设备的光源。

利用在至少一个空间方向上可移动的光源，可以简单且快速地根据眼睛位置来调整观察区域。

一种用于调节视场显示设备的观察区域的方法，包括如下步骤：如果眼睛位置信息表明观察区域的观察者的眼睛位置位于观察区域的容差范围之外，则相对于视场显示设备的光学系统调整视场显示设备光源的光源位置。

该方法可以例如用软件或硬件或者以软件和硬件相混合的形式在控制器中实施。

“光源”可以系指一种发光的器件，比如LED或激光二极管，或者是发光器件的复合体，其带有置于其前面的、属于发光器件的光学部件。属于发光器件的光学部件例如可以用于利用发光器件来均匀地照明显示面。属于发光器件的通常的光学部件例如是视准透镜、一个或两个用于均匀化的微透镜阵列和投影透镜，该投影透镜把被微透镜阵列分隔成多个光道的光引导到显示面上。

“视场显示设备”可以是抬头显示器，它可以将图像信息映射到观察者的视场中。例如可以采用车辆的前窗玻璃，以便将图像信息映射到视场中。为此也可以采用单独的玻璃。该单独的玻璃可以称为组合器。观察区域是这样一个区域，在该区域内部，由于构造原因，完全能看到在视场显示设备上提供的图像信息。视场显示设备的光学系统被设计用来形成光源的含有图像信息的光，从而可在观察区域内部看到图像信息。前窗玻璃可以是该光学系统的一部分。眼睛位置可以是眼睛瞳孔的位置。容差范围可以小于观察区域。眼睛位置信息可以表示在使用图像检测机构情况下检测到的信息。眼睛位置信息可以例如以电信号的形式读入。

如果眼睛位置信息表明观察者的眼睛距离位于容差范围之外，则可以轴向地在视场显示设备的光学路径上调整光源位置。换句话说，可以调整光源与光学系统之间的距离。

如果眼睛位置信息表明眼睛距离大于阈值，则可以减小光源与光学系统之间的距离。通过这种减小，射入到光学系统中的光锥的边缘光束以陡峭的角度到达光学系统。边缘光束于是以平坦的角度从光学系统中射出。

如果眼睛位置信息表明眼睛位置在侧向上位于容差范围之外，则可以围绕竖直的旋转轴摆动光源位置。在这种情况下例如可以一同摆动显示器。也可以将显示器与光学系统连接起来。如果眼睛位置在竖直向位于容差范围之外，则可以围绕水平的旋转轴摆动光源位置。通过光源的摆动，可以使得视场显示设备的光轴摆动。于是，光学系统可以相对于光轴倾斜地布置。

如果眼睛位置信息表明眼睛位置偏离于观察区域的中间区域，则可以调整光源位置。中间区域可以是观察区域的中间或中心。在此，眼睛位置偏离于中间区域越远，光源位置就可以调整得越明显。

可以逐步地调整光源位置。由此能够减小用来调整的代价。光源位置例如可以按预定的时间步骤来调整。光源位置也可以在超过容差范围时以预定的步骤予以改变。

这里介绍的方案还提出了一种装置，其被设计用来在相应的机构中执行、控制或实施这里介绍的方法的一个变型的步骤。通过本发明的装置形式的这种设计变型，本发明的目的也可以快速而有效地得以实现。

“装置”在当前可以是一种电设备，其处理传感器信号，并据此输出控制信号和/或数据信号。该装置可以具有接口，该接口可以用硬件和/或软件来设计。在采用硬件设计时，接口例如可以是所谓的系统ASIC的一部分，其含有该装置的各种不同的功能。但也可行的是，接口是独立的、集成的电路，或者至少部分地由分立的器件构成。在采用软件设计时，接口可以是软件模块，这些软件模块例如存在于微控制器上，此外还有其它软件模块。

此外提出一种视场显示设备，其带有根据这里介绍的方案的用于来调节观察区域的装置。

具有程序代码的计算机程序产品或计算机程序也是有利的，所述程序代码可以存储在机器可读的载体或存储介质比如半导体存储器、硬盘存储器或一种光学存储器上，并且用于执行、实施和/或控制根据前述实施方式之一的方法的步骤，特别是如果该程序产品或程序在计算机或装置上执行。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出，并在后续说明中对其予以详述。其中：

图1示出了根据一个实施例的带有视场显示设备的车辆；

图2示出了根据一个实施例的带有自动立体视场显示设备的车辆；

图3为根据一个实施例的用于调节视场显示设备的观察区域的装置的方框图；

图4为根据一个实施例在产生视场显示设备的观察区域时的功能图；

图5示出了根据一个实施例带有视场显示的行驶场景；

图6示出了根据一个实施例的视场显示设备的光路；

图7示出了根据一个实施例在调节视场显示设备的观察区域时视场显示设备的光路；

图8参比地示出根据一个实施例的观察区域的不同区域；

图9为根据一个实施例的用于调节视场显示设备的观察区域的方法的流程图。

具体实施方式

在对本发明的最佳实施例的后续说明中，针对在不同附图中所示的和作用类似的部件，采用相同的或相似的附图标记，其中，省去了对这些部件的重复说明。

图1示出了根据一个实施例的带有视场显示设备102的车辆100。视场显示设备102在使用图像发生器104和光学系统106的情况下将图像信息108投影到虚拟的银幕110上，该银幕对于观察者112来说看起来以投影距离悬浮在车辆100的前窗玻璃114前面。视场显示设备102可以称为抬头显示器102。图像发生器104可以称为图像产生单元PGU。前窗玻璃114在此至少局部地是光学系统106的组成部分。

图1中所示为抬头显示器102的示意性的结构。抬头显示器102借助于光学系统（HUD光学系统）106把图像产生单元（PGU，图像产生单元）104的图像面成像为虚拟的位于车辆前面的图像。驾驶员112由此感觉到一个由图像产生单元104产生的放大的图像。该图像与行驶场景叠加，且以相距前窗玻璃114的规定的距离位于虚拟的银幕110上。作为在图像产生单元104中的产生图像的部件，采用LCD模块。

所示的虚拟图像是由图像产生单元104产生的放大的图像。因此，光学系统106需要一定的放大率。所需要的放大率随着虚拟银幕110的距离而增大，因为由图像产生单元104产生的图像被更明显地放大，以便在更远的距离得到驾驶员112的所希望的视场。就抬头显示器102而言，虚拟的银幕110可以布置在大约15m远的距离处。

在反向光路上，当太阳光射入时，光学系统106的放大性导致太阳光在图像发生器104上聚焦。图像发生器因而变热，并且会达到能损坏图像发生器104的温度。特别是对于基于LCD模块的系统102来说，温度升高是危急的，因为该模块在温度为100℃时就已经会永久损坏。在约95℃时，偏振滤镜就已经发生脱层，在105℃时形成各向同性的液晶，在125℃时就导致了永久的液晶损坏。

图2示出了根据一个实施例的带有自动立体视场显示设备102的车辆100。该视场显示设备102在此基本上相应于图1中的视场显示设备。附加地，这里的图像发生器104为观察者112的右眼提供了右边的图像信息200，且观察者112的左眼提供了左边的图像信息202。由于右边图像信息200与左边图像信息202之间的错开，可以为观察者112实现立体显示。

这里示出了自动立体抬头显示器102的原理性工作方式。自动立体HUD系统102利用用于左眼和右眼的分开的部分图像200、202工作，通过这些部分图像可以产生一种3D效果，这与由电影院已知的类似。图像产生单元104为此产生两个部分图像200、202。于是，部分图像200、202的光通过光学系统106被提供给在较小的眼睛盒（eyebox）内的相应的眼睛。

图3为根据一个实施例的用于调节视场显示设备102的观察区域302的装置300的方框图。观察区域302可以称为眼睛盒。视场显示设备102在此基本上与图1和2所示相应，且被设置用来安装在车辆中。

装置300具有计算单元304和驱动单元306。计算单元304与用于检测观察者112眼睛的眼睛位置310的检测系统308连接，并由检测系统308读入关于眼睛位置310的眼睛位置信息312。在计算单元304中，利用眼睛位置信息312计算出光源位置信息314。光源位置信息314表示视场显示设备102的光源318的、与眼睛位置310适配的、相对于视场显示设备102的光学系统106的光源位置316。光源318是这里未示出的图像发生器104的组成部分。光源位置信息314被传送给驱动单元306。驱动单元306根据光源位置信息314来调节光源位置316。通过改变光源位置316，观察区域302发生改变。

如果眼睛位置310在观察区域302内部离开了容差范围320，光源位置316就会随动。在一个实施例中，如果前窗玻璃114与眼睛位置310之间的观察距离324增大，光源相距光学系统106的距离322就会减小。在这种情况下，光源318离开驱动单元306直线地朝向视场显示设备102的光轴326移动。

按照这里提出的方案，在观察者112相对于前窗玻璃114来回移动的情况下，针对一个单独的眼睛对自动立体抬头显示器102的眼睛盒302的距离324进行矫正。

图4为根据一个实施例在产生视场显示设备102的观察区域302时的功能图。视场显示设备102在此基本上相应于在前面的附图中示出的视场显示设备。图像发生器104包括光源318和被光源318照亮的液晶显示器400。光源318的光从液晶显示器400射入到视场显示设备102的光学系统106中。光学系统106在此极为简化地示出。光学系统106使得来自光源318的光转向，并使其在观察区域302中集束。在这种情况下，射入光学系统106中的光发散，而从光学系统106射出的光则汇聚。

只要观察者的眼睛402位于观察区域302内部，眼睛402就能看到液晶显示器400的至少一个预定的部分。特别是能在观察区域302内部完整地看到液晶显示器400。

当光再次从观察区域302射出时，光便发散。如果眼睛402相比于观察区域302更靠近光学系统106或者更远离光学系统106，眼睛402就只能局部地看到液晶显示器400，因而只能局部地看到所提供的图像信息。

为了将观察区域302布置得能让眼睛402又完整地看到图像信息，对图像发生器104内部的光源位置316加以调整，直到光又在眼睛402的区域内汇聚。

换句话说，针对自动立体抬头显示器102提出对驾驶员眼睛402的位置进行z向漂移补偿。

在设计抬头显示器102时，假定观察者眼睛402相距挡风玻璃的距离固定。图像产生单元104的显示器400的每个的像素的射束都经过变形，从而能够从目标眼睛盒302看到该像素。这意味着，射束锥尽可能照亮目标眼睛盒302，而不越过该区域。为此所需要的射束锥形状通常是金字塔形。

但如果观察者现在移动靠近前窗玻璃或离开该前窗玻璃，显示器400的不同位置的眼睛盒302就无法再正确地叠加。这导致观察者有时无法再从眼睛盒区域302内部的任一点都能看到完整的图像内容。例如当移调驾驶员座椅位置时就会出现这种问题。

这里提出的解决方案借助头部追踪系统来记下驾驶员眼睛402的z向位置，并利用该信息对在抬头显示器102的图像产生单元104内部的光源318进行跟踪，使得眼睛盒302在z方向上适配于驾驶员的位置。

对图像产生单元104的光的射束特性进行矫正，以便补偿驾驶员眼睛402的在z方向上的移动，从而提供给眼睛402的眼睛盒302位于驾驶员眼睛402的z向位置。

通过这种z向调整，能让驾驶员眼睛402感觉到抬头显示器102的图像的所在区域增大了。由此使得该系统适配于不同驾驶员的座椅位置。

图像的均匀性沿着观察者位置的z向区域得到了改善。

通过矫正，可以把眼睛盒302的尺寸设计得较小，因为可用的z向区域取决于眼睛盒宽度，且在其以其它方式增大时允许显得较小。

由于可以将眼睛盒302设计得比较狭窄，提高了图像亮度。

这里用图像示出了观察者的z向漂移。附图为此示意性地示出了眼睛盒302的产生。所示为图像产生单元（PGU）104，在其输出端例如有LCD400。该LCD400在任何像素都发射光，从而为眼睛402照亮一个较小的眼睛盒区域302。HUD光学系统106在此简化地被示为带有放大镜功能的透镜。

在相距HUD光学系统106一定距离的情况下，显示器的不同像素的区域叠加，且可看到整个图像。在此，对于驾驶员眼睛402来说存在设计距离。但如果驾驶员离开HUD光学系统106或前窗玻璃或者朝向其移动，各个像素的可见区域就会彼此离开地漂移。这导致驾驶员无法再看见全部像素，进而无法再看见完整的图像。

因此，如果没有可行方案来抵制这种效应，z向区域就会受限，在该区域中，驾驶员允许移动，却不会与图像相交或者出现其它不利效应，比如图像变暗或色彩漂移。

按照这里提出的方案，利用驾驶员眼睛402来跟踪眼睛盒302的z向位置，从而避免不利效应。

允许驾驶员眼睛402移动却不必跟踪的所在z向区域取决于很多种因素。这其中包括眼睛盒302的宽度，但例如也包括在头部向左右移动时机械跟踪的时延，或者包括当眼睛402在眼睛盒302内部处于不同位置时所达到的图像均匀度。明确界定的眼睛盒302是所希望的，因为这能实现部分图像的光在另一眼睛方向上的较小的串扰，且能实现位于眼睛盒302内部的眼睛402的不同位置的均匀的图像亮度。特别明确界定的眼睛盒302例如可以通过超立体的背后照明来实现。通过明确界定的眼睛盒302，可以更快速地注意到因不同的显示区域的所产生的眼睛盒302的彼此离开导致的z向漂移。因此，在这种设计方案中，比如这里提出的补偿在根本上尤为重要。

驾驶员眼睛402的z向漂移可以无级地、连续地再调节。驾驶员眼睛402的z向漂移也可以逐级地进行。尤其在驾驶员换位置时，或者在相关地调整车辆中的座椅位置时，眼睛盒302的所需要的z向位置就会产生大的偏差。在此，要由系统采用的z向区域特别高，而该区域在行驶期间却受限于较小的活动性。在此，在相应地设计系统时，可以利用可由系统忍受的z向区域，或者按少数几个步骤予以再调节就能足以应付。

并非对z向距离的任何变化都予以补偿，正因如此，头部追踪系统对眼睛z向位置的检测精度的要求降低。

在这里，用于确定z向距离的方法是，从不同方向摄取两个摄像机图像，并在图像处理已识别出面部容貌并已确定图像上的眼睛位置之后，通过三角测量来求取距离。这种系统已经可以在z位置的检测中提供足够的精度。

利用摄像机系统也可以探测驾驶员的观察方向，其方式为，把在眼睛瞳孔上的映像（Reflex）记下来。原则上，这种系统也适合于确定z向距离。z向距离的信息原则上可以由不同的跟踪系统获得，进而供比如所提出的设计方案之用。

换句话说，图4示出了用于两只眼睛之一的自动立体抬头显示器102的眼睛盒产生的原理性工作方式。图像产生单元104的显示器400在任何像素处都射出光，从而针对眼睛402照亮一个较小的眼睛盒区域302。HUD光学系统106在此简化地被示为带有放大镜功能的透镜。驾驶员眼睛402应处于设计距离，在该距离情况下，显示器400的不同像素的区域叠加，且可看到整个图像。但如果驾驶员离开HUD光学系统106或前窗玻璃或者朝向其移动，各个像素的可见区域就会彼此离开地漂移。这导致驾驶员无法再看见全部像素，进而无法再看见完整的图像。

如果LED318靠近显示器400，射出的光束就会发散，并更为陡峭地射入到光学系统106中。由于光学系统106的折射能力保持相同，所以，光束锥的交点向右游移，射出的边缘光束变得扁平。

图5示出了根据一个实施例带有视场显示502的行驶场景500。该行驶场景500是从车辆驾驶员的视角示出的，其展现了在多车道的公路上的场景，有多辆其它车辆沿与该车辆相同的行驶方向在该公路上行驶。视场显示502由这里提出的视场显示设备提供。通过可移动的光源，驾驶员也可以在驾驶员的头部从一个符合规定的位置移动至一个符合规定的位置时看到视场显示502。

图6示出了根据一个实施例的视场显示设备102的光路600。该视场显示设备102基本上相应于图3中的视场显示设备。附加地，这里示出了光源318的选定的光路602，其穿过视场显示设备102伸展至观察区域302。光学系统106在此至少由微透镜阵列604和自由形状反射镜（Freiformspiegel）606以及前窗玻璃114构成。微透镜阵列604在此与液晶显示器400组合。

为简便起见，这里仅仅示出自动立体视场显示设备102的观察区域302的光路600。第二观察区域302可以由单独的光源和相同的显示器400负责，或者由相应的光源318和自己的显示器负责，或者由自己的光源和自己的显示器负责。这里总是采用相同的光学系统106。

所示的抬头显示器102带有基于微透镜阵列604的图像产生单元104。该图像产生单元104基于LED-背后照明器件318和由两个微透镜阵列604构成的组套，这些微透镜阵列用于在显示器400上形成射束锥。显示器400本身于是通过自由形状反射镜606和挡风玻璃114成像。

LED318放置在微透镜阵列604的后面，从而在显示器400上产生射束锥的必需的主要照射方向。该锥的形成方式为，将微透镜阵列604直接放置在LCD400的后面。这些阵列例如被设计成柱形透镜阵列604，也就是说，其折射能力总是仅仅在水平向或竖直向上有效。微透镜阵列604使得光直接在显示器400后面发散，由此产生真正的射束锥。通过这些分开的阵列604，可彼此独立地在水平方向和竖直方向上调节射束锥宽度。

通过放置第二光源，可以为第二只眼睛产生另一眼睛盒302。为了在自动条件下足够快速地依次地在用于左眼和右眼的两个部分图像之间切换，第二LCD显示器也可以借助光束分配器来叠加，并设有自己的背后照明光学系统。

图7示出了根据一个实施例在调节视场显示设备102的观察区域302时视场显示设备102的光路600。该视场显示设备102在此基本上相应于图6中的视场显示设备。这里还绘出了光源318的竖直的旋转轴700，光源318可以围绕该旋转轴在旁侧摆动，以便使得观察区域302在旁侧移位，例如，如果观察者的一只眼睛即将在旁侧从观察区域302游移开。在眼睛离开观察区域302之前，光源318可以在旁侧摆动。

在一个实施例中，光源可围绕水平的旋转轴竖直地摆动。这样就能使得观察区域302竖直地移位，如果眼睛即将在上面或下面从观察区域302游移开。在眼睛离开观察区域302之前，光源318可以向上或向下摆动。

此外，沿着视场显示设备102的光学路径绘出了移动方向702，光源318可以沿着该移动方向移动，以便使得观察区域302沿着光学路径移位。例如可以减小前窗玻璃114与观察区域302之间的距离，如果观察者的眼睛靠近前窗玻璃114。相距前窗玻璃114的距离也可以增大，如果眼睛离开前窗玻璃114。

换句话说，在图6的设计中，绘出了用于跟踪的旋转轴700。还示出了z向漂移补偿的矫正702，在补偿时，改变LED318相距显示器400的距离。

为了在头部移动时跟踪眼睛盒302，采用了头部追踪系统，该系统借助摄像机系统追踪驾驶员眼睛的位置。眼睛的位置被传送给图像产生单元104。该图像产生单元跟踪眼睛盒302，其方式为，光源318和/或显示器400围绕旋转轴700跟踪。如果LED318与显示器400和MLA604一起围绕所示的旋转轴700转动，眼睛盒302的位置就随之移动。替代地也可以仅仅使得LED318围绕相应的旋转轴700转动。

为了补偿观察者的z向漂移，按照这里提出的方案，除了对眼睛盒302的跟踪外，还在与驾驶员眼睛间隔开的情况下跟踪LED318。在此改变光源318相距显示器400的距离。

图8参比地示出根据一个实施例的观察区域的不同区域。示出了三个状态800、802、804。每个状态都按一行示出。在一行中并排地示出了五个区域。示出了四个顶角区域和一个中间区域。在此，在该行中示出了左上方的顶角区域、右上方的顶角区域、中间区域、左下方的顶角区域和右下方的顶角区域。

第一状态800表示一种正常状态，在该状态下，观察者的眼睛位于观察区域内部。

第二状态802表示一种移动了的状态，在该状态下，眼睛相距观察区域已离开一定的距离。这里可看到边缘暗影806。

第三状态804表示一种调整过的状态。在此，眼睛位于与第二状态下相同的位置。与此相反，光源位置已被调整，因而无法再看到边缘暗影806。

示出了在观察者眼睛z向漂移情况下右眼的眼睛盒的照明模拟。不同的图像表明了眼睛盒是如何分别将显示器的不同位置照明的。按列地从左到右示出了左上方的位置、右上方的位置、显示中心、左下方的位置和右下方的位置。第一行800在此表明了在观察者处于设计距离时的照明情况，HUD光学系统按照该设计距离进行设计。在此，从任何显示点均匀地对眼睛盒照明。

第二行802表明在观察者眼睛与挡风玻璃之间的距离增大八厘米时的照明情况。中间的显示点仍然能从眼睛盒内部的任一位置看到，然而用于显示器边缘区域的眼睛盒却漂移离开了目标位置。在没补偿的情况下，现在无法再从眼睛盒的边缘区域看到整个图像内容。

最后一行804表明了在通过移动LED予以补偿时的照明情况。为此，该LED从最初的26cm的距离朝向显示器中心靠近显示器移动了三厘米。如在附图中可看到，眼睛盒区域的漂移可以通过LED的移动在很大程度上得到补偿。

图9为根据一个实施例的用于调节视场显示设备的观察区域的方法900的流程图。该方法900具有步骤902，在该步骤中读入眼睛位置信息。眼睛位置信息可以例如以数据或电信号的形式通过接口读入。眼睛位置信息包括关于使用视场显示设备的观察者的至少一只眼睛的位置的信息。在步骤904中相对于视场显示设备的光学系统调整视场显示设备光源的光源位置，如果眼睛位置信息表明观察区域的观察者的眼睛位置位于观察区域的容差范围之外。

如果一个实施例包含第一特征与第二特征之间的“和/或”逻辑连接，则其系指，该实施例根据一种实施方式既有第一特征又有第二特征，而根据另一实施方式要么只有第一特征，要么只有第二特征。