一种双目显示系统及车载抬头显示系统的制作方法

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种双目显示系统及车载抬头显示系统。

背景技术

虚拟现实(virtualreality，简称vr)技术为近年来新兴显示技术，是一种利用计算机模拟真实世界从而使参与者虚拟环境融合交互的技术。现阶段所使用vr显示技术都需要结合光学系统进行成像从而展现出特殊的显示效果，这些显示设备中往往集成了透镜或透镜组进行光学成像。观看者的左眼和右眼分别通过透镜等光学组件来观看不同的信号源，由大脑将左眼和右眼所观看到的画图融合起来，观看到立体画面。

vr显示技术为一种近眼显示技术，可以为观看者提供大视角、高清晰的虚像显示效果，但观看者通过需要佩戴眼镜和头盔等显示设备，并且只有眼睛抵近显示设备才能够观看到显示画面。目前的vr显示技术虽具有诸多优点，但无法摆脱佩戴设备的限制，导致其无法应用于类似车载显示等应用领域。

技术实现要素：

本发明提供了一种双目显示系统及车载抬头显示系统，增大显示系统出瞳距离，使其适应于更多应用领域。

第一方面，本发明提供一种双目显示系统，包括：两个相距设定距离的成像装置、分光器以及反射器；其中，

两个所述成像装置分别用于显示左眼图像和右眼图像；

所述分光器，用于接收各所述成像装置的出射光向所述反射器透射，并将所述反射器的反射光向设定位置反射；所述设定位置与所述成像装置的出瞳位置关于所述分光器的分光平面相互对称；

所述反射器，用于将入射光线原路反向反射。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述双目显示系统中，所述成像装置包括：图像显示模块以及准直镜头；

所述图像显示模块，用于显示由多个显示单元构成的显示图像；

所述准直镜头，用于将各显示单元的出射光线分别准直。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述双目显示系统中，所述图像显示模块包括：照明子模块和图像生成子模块；

所述照明子模块，用于向图像生成子模块出射照明光线；

所述图像生成子模块，用于将所述照明光线进行调制，以生成所述显示图像。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述双目显示系统中，所述照明子模块包括：光源，沿光源出光方向依次设置的准直透镜和匀光装置。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述双目显示系统中，所述匀光装置至少包括光管或微透镜阵列中的一种。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述双目显示系统中，所述图像生成子模块至少包括液晶显示面板、硅基液晶显示面板或数字微镜阵列中的一种。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述双目显示系统中，图像显示模块至少包括有机发光二极管显示面板。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述双目显示系统中，所述分光器至少包括：透明衬底以及位于所述透明衬底一侧表面的用于调节反射率的介质膜。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述双目显示系统中，所述分光器至少包括：沿所述成像装置的光线出射方向设置的线偏光层和λ/4相位延迟层；

所述线偏光层的偏振化方向与所述λ/4相位延迟层的光轴的夹角为45°。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述双目显示系统中，所述反射器至少包括微角锥棱镜板。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述双目显示系统中，入射到所述微角锥棱镜板的入射面的光线与所述入射面的法线的夹角小于或等于35°。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述双目显示系统中，所述成像装置的出瞳直径大于50mm。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述双目显示系统中，所述成像装置还包括：与所述图像显示模块相连的图像处理器；

所述图像处理器，用于对显示图像进行畸变补偿处理。

第二方面，本发明提供一种车载抬头显示系统，包括上述任一双目显示系统；其中，两个所述成像装置位于遮光板位置处，所述分光器位于挡风玻璃内侧，所述反射器位于仪表盘之上。

本发明有益效果如下：

本发明提供的双目显示系统及车载抬头显示系统，包括：两个相距设定距离的成像装置、分光器以及反射器；其中，两个成像装置分别用于显示左眼图像和右眼图像；分光器，用于接收各成像装置的出射光向反射器透射，并将反射器的反射光向设定位置反射；设定位置与成像装置的出瞳位置关于分光器的分光平面相互对称；反射器，用于将入射光线原路反向反射。通过设置分光器和反射器，使得双目显示系统的系统出瞳距离增大，观看者在成像装置的出瞳位置关于分光器的分光平面的对称位置处即可观看到双目的成像装置的显示图像，而不需要抵近至成像装置的出瞳位置处观看显示图像，使双目显示系统可以应用至车载抬头显示等更广泛的应用领域。

附图说明

图1为本发明实施例提供的双目显示系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的成像显示装置结构示意图之一；

图3为本发明实施例提供的成像显示装置结构示意图之二；

图4为本发明实施例提供的准直镜头的光路原理图；

图5a为本发明实施例提供的分光器的结构示意图之一；

图5b为本发明实施例提供的分光器的结构示意图之二；

图6a为本发明实施例提供的微角锥棱镜板的俯视结构示意图；

图6b为本发明实施例提供的微角锥棱镜片的截面结构示意图；

图6c为本发明实施例提供的微角锥棱镜单体的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的微角锥棱镜单体的截面结构示意图；

图8为本发明实施例提供的成像显示装置的结构示意图之三。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种双目显示系统及车载抬头显示系统，增大了显示系统出瞳距离，使其适应于更多应用领域。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图详细介绍本发明具体实施例提供的双目显示系统及车载抬头显示系统。

如图1所示，本发明实施例提供的双目显示系统，包括：两个相距设定距离的成像装置11a和11b、分光器12以及反射器13；其中，两个成像装置分别用于显示左眼图像和右眼图像；例如，成像装置11a用于显示右眼图像，成像装置11b用于显示左眼图像。分光器12，用于接收各成像装置的出射光向反射器13透射，并将反射器13的反射光向设定位置反射；该设定位置与成像装置的出瞳位置关于分光器12的分光平面相互对称；反射器13，用于将入射光线原路反向反射。

如图1所示，成像装置的出射光线在经过分光器12之后，一部分光线透射至反射器13，一部分光线被反射回成像装置所在位置；而对于透射至反射器13的这部分光线，反射器13将入射的光线原路反向返回至分光器12，分光器12将一部分光线反射至上述设定位置，将一部分光线返回反射器。那么对于分光器与反射器而，两者结合作用可将成像装置透过分光器的那部分光线反射到观看者眼睛所在的设定位置，而在光路上可将该设定位置等效为成像装置的出瞳位置，该设定位置与成像装置的出瞳位置关于分光器的分光面相互对称，在设定位置观看到的图像与在成像装置的出瞳位置观看到的图像的效果一致，那么观看者将不再需要抵近至成像装置的出瞳位置来观看图像，而是在对称的设定位置处就可以观看到成像装置的显示图像。

本发明实施例提供的上述双目显示系统中，两个成像装置11a和11b采用双目立体视觉原理，分别用于显示左眼图像和右眼图像，右眼成像装置11a和左眼成像装置11b的参数设置均相同，例如，右眼成像装置11a和左眼成像装置11b所采用的成像镜头一致，在成像镜头中所使用的透镜的类型、透镜数量以及透镜的焦距、曲率等参数均一致；当采用这样的成像装置分别显示右眼图像和左眼图像时，分别由观看者的右眼接收右眼成像装置11a的显示图像，由观看者左眼接收左眼成像装置11b的显示图像，在观看者大脑中可将左眼图像和右眼图像融合成立体成像。该成像装置可采用虚拟现实/增强现实显示系统的原理进行设置，同样具有大视角，高清晰度成像特点。右眼成像装置11a和左眼成像装置11b相距一定的距离，该距离应该与人眼的左右眼的瞳距相互匹配，即将两个成像装置之间的间距设置得与人眼的左右眼瞳距基本相等。例如，典型距离可为66mm，在实际应用时，根据实际所需要的瞳距可进行微调整。在本发明实施例提供的上述双目显示系统中，通过设置分光器和反射器，使成像装置的出射光先经过分光器入射至反射器后，由反射器原路返回光线至分光器，再由分光器反射至双眼，由此该双目显示系统可以在与成像装置的出瞳位置关于分光平面的对称位置形成新的出瞳，观看者在新的出瞳位置观看到的显示图像与抵近成像装置的出瞳观看到的显示图像效果一致，这就使得观看不再需要抵近成像装置就可以看到成像显示所显示的图像。这样可以使双目显示系统不再依赖于眼镜、头盔等载体支撑，适用于例如车载显示等更多的应用场景。

具体地，在本发明实施例提供的上述双目显示系统中，如图2所示，成像装置11包括：图像显示模块111以及准直镜头112；其中，图像显示模块111，用于显示由多个显示单元构成的显示图像；准直镜头112，用于将各显示单元的出射光线分别准直。

图像显示模块111的显示图像由多个显示单元构成，该显示单元可理解为像素单元，而各像素单元的出射光通常具有一定的发散角度，准直镜头112的作用是将各显示单元的出射光束分别准直为特定角度的平行光束，从而使显示图像成像于无穷远。准直镜头的光路原理图可参见图3，准直镜头通常情况下为透镜组，图像显示模块11的显示单元p的出射光束在经过准直镜头的作用，可将显示单元p的出射光束准直为平行光束。对于每个显示单元p的出射光束，准直镜头都具有将其准直为平行光束的作用，而每个显示单元所形成的平行光束的角度不一定相同，这些平行光束可将图像显示模块的显示图像成像于无穷远处。那么这些平行光束再经过反射器以及分光器的作用会聚到系统出瞳时，观看者在出瞳位置可以清楚观看到图像显示模块11的显示图像。准直镜头将显示单元的出射光束准直为平行光束，在到达系统出瞳前光束保持准直状态，不会引入像差；观看者在系统出瞳观察等效在准直镜头的出瞳处观察，当准直镜头具有较大视场角时，系统出瞳处将具有同样的视场角。

进一步地，在上述成像装置中，如图4所示，图像显示模块111包括：照明子模块1111和图像生成子模块1112。其中，照明子模块1111，用于向图像生成子模块1112出射照明光线；图像生成子模块1112，用于将照明光线进行调制，以生成显示图像。

当图像生成子模块1112需要配合照明子模块1111进行图像显示时，图像生成子模块1112为非自发光的显示器件，例如图像生成子模块可为二维矩阵式显示器件，这种显示器件可以对背光进行调制以实现对不同区域的亮度调整，从而实现不同的画面显示。

具体地，照明子模块111可包括：光源，沿光源出光方向依次设置的准直透镜和匀光装置。其中，光源一般采用高亮度发光二极管(lightemittingdiode，简称led)、卤素灯、冷阴极荧光光源等；准直透镜可以实现对光源发散角的抑制，提高光源的使用效率；匀光装置一般可采用光管、微透镜阵列等构成，用于对光源的出射光进行匀化，保证照明的均匀性。图像生成子模块1112可为液晶显示面板(liquidcrystaldisplay，简称lcd)、硅基液晶显示面板(liquidcrystalonsilicon，简称lcos)、或数字微镜阵列(digitalmicromirrordevice，简称dmd)等。当图像显示模块为自发光显示装置时，可以为有机发光二极管(organiclight-emittingdiode，简称oled)显示面板等。本发明实施例仅以上述显示面板或投影显示系统举例说明，在具体实施时可根据需要进行设置，可包括但不局限于上述列举的显示装置类型。不同类型的显示面板驱动电路以及驱动原理均有所差异，其驱动电路与驱动原理与现有的显示面板类似，在此不做赘述。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述双目显示系统中，如图5a所示，上述的分光器12可至少包括：透明衬底121和位于透明衬底任意一侧表面的介质膜122(图5a仅示出其中一种情况)。该介质膜122用于调节分光器的反射率，在具体实施时该介质膜可采用单层或多层的金属膜，也可采用叠层的化合物介质膜。例如，在采用金属膜时可采用铝或银等材料，通过控制金属膜的厚度以实现不同的透射率和反射率；在采用化合物介质膜时可采用氟化镁等材料通过控制化合物材料的比例控制其折射率，通过控制介质膜的厚度来调节透射率和反射率。采用这种结构可以根据需要来调节光线的透光率和反射率以适应实际需求，例如在实际应用中，调节透过率和反射率均为50％时可作为半透半反镜来使用，可将成像装置的出射光线部分透射，透射光线入射到反射器被反射器原路反向反射后将光线反射到双眼所在位置。

由上述半透半反镜的作用可以看出，采用半透半反镜的对成像装置出射光的使用效率并不高，再经过各光学部件的作用最终到达双眼的图像亮度有待提高。有鉴于此，如图5b所示，本发明实施例提供的上述分光器还可以包括：沿成像装置的光线出射方向(图5b中箭头所指方向)设置的线偏光层123和λ/4相位延迟层124；其中，线偏光层123的偏振化方向与λ/4相位延迟层124的光轴的夹角为45°。

采用圆偏光片的偏振作用实现分光，有利于提高光线的利用效率。具体来说，如果图像显示模块采用液晶显示装置时，则可以设置线偏光层123的偏振化方向与液晶显示装置的出射光的偏振方向相互平行。当经过准直镜头的光线入射到线偏光层123之后转换化偏振方向与线偏光层123的偏振化方向相互平行的线偏振光，再经过λ/4相位延迟层124的作用后，线偏振光转化为圆偏振光，此时圆偏振光经过反射器的反射作用后，其圆偏振光的旋转方向产生变化，如果反射前为右旋圆偏振光，则反射后变为左旋圆偏振光；如果反射前为左旋圆偏振光，则反射后变为右旋圆偏振光。而旋转方向改变化后的圆偏振光无法经过圆偏振片出射，因此经过反射器反射后重新入射到圆偏光片的光线无法透射，而全部被反射至上述设定位置处。由此，可以提高图像显示模块出射光线的利用效率。上述的λ/4相位延迟层124可采用λ/4波片或反应性液晶层等结构，在此不做限定。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述双目显示系统中，上述的反射器13可为微角锥棱镜板。微角锥棱镜板由多个微角锥棱镜单体紧密排列而成，可以对入射光线原路反向反射。微角锥棱镜板的俯视结构如图6a所示，其侧视结构如图6b所示，微角锥棱镜单体结构如图6c所示。微角锥棱镜为四面体结构，其中三个面与顶点o相交，只有一个面与顶点o不相交；与顶点o相交的三个面相互垂直，当光线由与顶点o不相交的面入射至微角锥棱镜内部时，光线在微角锥棱镜相互垂直的三个面上依次反射，最终将光线按照入射方向相反的方向反射出去。在实际应用中，与顶点o相交的三个面可为全等的直角等腰三角形；也可以为三个直角三角形，而不要求三个面的形状完全相同。而前者在制作工艺的难度相对较低，因此在实际应用中可采用三个反射面为全等的直角等腰三角形的结构。

进一步地，如图6a和图6b所示，需要以与顶点o不相交的面作为微角锥棱镜板的入射面。微角锥棱镜板一般具有一定的入射角度可用范围，通常情况下，如图7所示，光线入射至微角锥棱镜板的入射面(该入射面为与顶点o不相交的平面)时，入射光线与入射面的法钱aa’的夹角θ可小于或等于35°。由于成像装置的出射光线相对于成像装置光轴的角度一般远小于35°，因此，即使成像装置的出射光具有一定的发散角度，仍可以保证入射到微角锥棱镜板的光束与微角锥棱镜板入射面的夹角小于35°。

大面积微角锥棱镜板可以通过注塑方法制造，成本较低，可以有效满足大口径光束的需求。微角锥棱镜板具有角反射结构，在理论上可以严格保证光束的出射方向与入射方向一致，因此器件本身不会引入像差，加入微角锥棱镜板后不影响原有的系统的像差分布情况。两个成像装置投射到微角锥棱镜板的光束尽管可能产生交叠，但由于微角锥棱镜板对各方向光束均具有原路反向反射的作用，因此可以有效避免其他共光路系统由于光束位置差异导致的成像性质差异。除此之外，上述的反射板也可考虑采用具有上述性质的其它光学器件，在此不做限定。

在实际应用中，本发明实施例提供的上述双目显示系统的出瞳直径可大于50mm。显示系统的出瞳直径取决于成像装置的出瞳直径，当成像装置的出瞳直径大于50mm时，观看者双眼可以在至少50mm的范围内移动均可观察到显示图像信息。而观看者需要更大的移动范围时，可相应的设计具有较大出瞳的成像装置即可以使系统的可视区域更大。

此外，如图8所示，在本发明实施例中，成像装置11还包括：与图像显示模块11相连的图像处理器13；该图像处理器13，用于对显示图像进行畸变补偿处理。如上所述，本发明实施例提供的上述双目成像装置可采用虚拟现实/增强现实显示系统的显示原理，那么在成像系统要求具有较大的视场角时，成像装置在不同的视场角下的放大倍率有所差异，尤其是在轴外的视场内成像存在很大的畸变。此时，可以采用图像处理器对显示图像先进行畸变补偿处理，再将处理后的图像显示进行显示。

本发明实施例提供的上述双目显示系统还可以应用于车载抬头显示系统之中，使得车载显示得以结合增强现实显示，驾驶员无需佩戴任何装置，就可以更加舒适的方式得到更优的观看体验。将车载抬头显示与现有的增强现实显示相结合需要采用双目共视窗光学设计，且需要较长的出瞳距离，因此像差校正难度大，系统视场角扩展受限，一般都在10°以下；与此同时，当增大抬头显示系统视场角时，需要采用更复杂的光学结构，更大尺寸的光学镜面，这会明显提升制造难度与成本。而本发明将上述任一双目显示系统应用于车载抬头显示则可以避免上述的一系列问题。在具体实施时，可将两个成像装置设置于驾驶位遮光板位置附近，将分光器设置于挡风玻璃内侧，将反射器设置于仪表盘之上。驾驶员双眼所在位置即为双目显示系统的出瞳位置，由于分光器一般为透光部件，因此驾驶员可透过分光器以及挡风玻璃观看到显示图像以及路面情况，实现增强现实的显示效果。驾驶员的视线可以在行驶道路和双目显示系统的成像之间切换，避免了用户在开车时的视觉中断，提高行车安全，同时提高车载体验。

本发明实施例提供的双目显示系统及车载抬头显示系统，包括：两个相距设定距离的成像装置、分光器以及反射器；其中，两个成像装置分别用于显示左眼图像和右眼图像；分光器，用于接收各成像装置的出射光向反射器透射，并将反射器的反射光向设定位置反射；该设定位置与成像装置的出瞳位置关于分光器的分光平面相互对称；反射器，用于将入射光线原路反向反射。通过设置分光器和反射器，使得双目显示系统的系统出瞳距离增大，观看者在成像装置的出瞳位置关于分光器的分光平面的对称位置处即可观看到双目的成像装置的显示图像，而不需要抵近至成像装置的出瞳位置处观看显示图像，使双目显示系统可以应用至车载抬头显示等更广泛的应用领域。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。