本发明实施例涉及抬头显示技术领域，尤其涉及一种3d抬头显示系统及其设计方法、汽车。
背景技术
增强现实抬头显示(augmentedrealityheadupdisplay，arhud)是近几年兴起的一项技术，其主要目的是汽车驾驶舱内置入一光学成像系统，把光学系统所成的虚像投射在车头前方一定距离(如8米)，图像信息(如导航)与现实信息(如道路)叠加在一起，达到增强现实的目的。相对于仪表盘或普通hud系统，arhud系统更能让驾驶员集中精力在驾驶车辆上，有效的提高安全性。
arhud所成的图像是平面的，因此图像信息并不能完全融合到现实中去。基于双目视差的裸眼3d技术可以让观察者看到3d立体图像，但由于arhud光学系统的特殊性和复杂性，如何把裸眼3d技术与arhud技术有效结合在一起，一直是行业待解决的问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明实施例提供一种3d抬头显示系统及其设计方法、汽车，以解决现有技术中arhud与裸眼3d技术无法结合的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种3d抬头显示系统，包括：
显示单元、3d功能单元、光学成像单元以及半透半反单元；
所述显示单元用于显示图像信息并出射图像光线；
所述3d功能单元位于所述显示单元的出光侧一侧，用于将所述图像光线分别聚焦在虚拟左眼眼瞳处和虚拟右眼眼瞳处；或者，用于将所述图像光线的反向延长线分别聚焦在虚拟左眼眼瞳处和虚拟右眼眼瞳处；其中，所述虚拟左眼眼瞳为左眼眼瞳关于所述光学成像元件所成的像，所述虚拟右眼眼瞳为右眼眼瞳关于所述光学成像元件所成的像；
所述光学成像单元和所述半透半反单元用于将所述图像光线分别反射至左眼眼瞳视窗范围以及右眼眼瞳视窗范围内。
可选的，当所述虚拟左眼眼瞳以及所述虚拟右眼眼瞳与左眼眼瞳以及右眼眼瞳位于所述显示3d功能单元的同一侧时，所述3d功能单元用于将所述图像光线分别聚焦在所述虚拟左眼眼瞳处和所述虚拟右眼眼瞳图像处；
当所述虚拟左眼眼瞳以及所述虚拟右眼眼瞳与左眼眼瞳以及右眼眼瞳位于所述显示3d功能单元的不同侧时，所述3d功能单元用于将所述图像光线的反向延长线分别聚焦在所述虚拟左眼眼瞳处和所述虚拟右眼眼瞳处。
可选的，所述3d功能单元包括柱状透镜、视差障壁、微透镜阵列、指向背光单元或者液晶光栅中的至少一种。
可选的，所述光学成像单元包括至少一个曲面镜片结构，所述曲面镜片结构用于对入射的所述图像光线进行放大处理，并反射所述图像光线至所述半透半反单元。
可选的，所述光学成像单元还包括一平面反射镜片结构，所述平面反射镜片结构接收所述曲面镜片结构入射的所述图像光线，并反射所述图像光线至所述半透半反单元。
可选的，所述半透半反单元为挡风玻璃。
第二方面，本发明实施例还提供了一种3d抬头显示系统的设计方法，用于设计形成如第一方面提供的3d抬头显示系统，包括：
确定虚拟左眼眼瞳位置和虚拟右眼眼瞳位置，其中，所述虚拟左眼眼瞳为左眼眼瞳关于所述光学成像单元所成的像，所述虚拟右眼眼瞳为右眼眼瞳关于所述光学成像单元所成的像；
根据所述虚拟左眼眼瞳位置和所述虚拟右眼眼瞳位置确定虚拟视距和虚拟瞳距；其中，所述虚拟视距表示所述虚拟左眼眼瞳和所述虚拟右眼眼瞳与所述显示单元之间的距离，所述虚拟瞳距表示所述虚拟左眼眼瞳和所述虚拟右眼眼瞳之间的间距；
根据所述显示单元像素大小、所述虚拟视距和所述虚拟瞳距确定所述3d功能单元的设计参数以及所述3d功能单元与所述显示单元之间的距离；
根据所述3d功能单元的设计参数以及所述3d功能单元与所述显示单元之间的距离构建3d抬头显示系统。
可选的，确定虚拟左眼眼瞳位置和虚拟右眼眼瞳位置，包括：
采用几何运算或者光学仿真的方式确定虚拟左眼眼瞳位置和虚拟右眼眼瞳位置。
可选的，确定虚拟左眼眼瞳位置和虚拟右眼眼瞳位置之前，还包括：
确定所述3d抬头显示系统的显示参数；其中，所述显示参数包括图像显示位置和图像放大倍数；
根据所述显示参数调节所述3d抬头显示系统。
第三方面，本发明实施例还提供了一种汽车，包括第一方面提供的3d抬头显示系统
本发明实施例提供的3d抬头显示系统及其设计方法、汽车，3d抬头显示系统包括显示单元、3d功能单元、光学成像单元以及半透半反单元，通过3d功能单元将显示单元出射的图像光线分别聚焦在虚拟左眼眼瞳和虚拟右眼眼瞳处；或者，将显示单元出射的图像光线的反向延长线分别聚焦在虚拟左眼眼瞳处和虚拟右眼眼瞳处，如此，虚拟左眼眼瞳和虚拟右眼眼瞳可以看到3d图像，根据成像原理，由于虚拟眼瞳观看显示单元等效于真实眼瞳经过3d抬头显示系统观看显示单元，因此本发明实施例提供的技术方案，保证观测者在3d抬头显示系统中可以观看到三维立体图像，提升观测者使用体验。
附图说明
为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。
图1是现有技术中一种抬头显示系统的显示原理示意图；
图2是本发明实施例提供的一种3d抬头显示系统的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种3d抬头显示系统显示原理的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种3d抬头显示系统显示原理的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种3d抬头显示系统的设计方法的流程示意图；
图6是本发明实施例提供的一种确定虚拟视距和虚拟瞳距的原理示意图；
图7是本发明实施例提供的一种确定3d功能单元的设计参数以及确定3d功能单元与显示单元之间的距离的原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。
图1是现有技术中一种抬头显示系统的显示原理示意图，如图1所示，现有抬头显示系统可以包括显示单元11、光学成像单元12和挡风玻璃13，其中，显示单元11发出的光线经光学成像单元12和挡风玻璃13反射后进行观测者眼睛，观测者可以看到显示单元11显示的图像信息，例如当前车速信息或者当前发动机转速信息等。但是观测者观看到的都是二维信息，如果观测者想要观看到三维立体信息，需要佩戴3d眼镜，或者基于裸眼3d显示原理，需要在观测者视野前方放置光学元件，通过光学元件改变原有光线的传播路径，实现3d显示。但是，在观测者视野前方放置光学元件会影响观测者观看挡风玻璃，影响观测者行车视线，造成行车安全隐患。
基于上述技术问题，本发明实施例提供的一种3d抬头显示系统，包括显示单元、3d功能单元、光学成像单元以及半透半反单元；显示单元用于显示图像信息并出射图像光线；3d功能单元位于显示单元的出光侧一侧，用于将图像光线分别聚焦在虚拟左眼眼瞳处和虚拟右眼眼瞳处；或者，用于将图像光线的反向延长线分别聚焦在虚拟左眼眼瞳处和虚拟右眼眼瞳处；其中，所述虚拟左眼眼瞳为左眼眼瞳关于所述光学成像元件所成的像，所述虚拟右眼眼瞳为右眼眼瞳关于所述光学成像元件所成的像；光学成像单元和半透半反单元用于将图像光线分别反射至所述左眼眼瞳视窗范围以及右眼眼瞳视窗范围内。采用上述技术方案，3d功能单元将图像光线或者图像光线的反向延长线聚焦在虚拟左眼眼瞳处，将图像光线或者图像光线的反向延长线聚焦在虚拟右眼眼瞳处，通过虚拟眼瞳观看显示单元等效于真实眼瞳经过3d抬头显示系统观看显示单元，保证观测者在3d抬头显示系统中可以观看到三维立体图像，将裸眼3d技术与hud技术有效结合在一起，提升观测者使用体验。
以上是本发明的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。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，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图2是本发明实施例提供的一种3d抬头显示系统的结构示意图，如图2所示，本发明实施例提供的3d抬头显示系统可以包括：显示单元21、3d功能单元22、光学成像单元23以及半透半反单元24；
显示单元21用于显示图像信息并出射图像光线；
3d功能单元22位于显示单元21的出光侧一侧，用于将图像光线分别聚焦在虚拟左眼眼瞳处和虚拟右眼眼瞳处；或者，用于将图像光线的反向延长线分别聚焦在虚拟左眼眼瞳处和虚拟右眼眼瞳处；其中，虚拟左眼眼瞳为左眼眼瞳关于光学成像元件23所成的像，虚拟右眼眼瞳为右眼眼瞳关于光学成像元件23所成的像；
光学成像单元23和半透半反单元24用于将图像光线分别反射至左眼眼瞳视窗范围以及右眼眼瞳视窗范围内。
示例性的，由于虚拟眼瞳观看显示单元21等效于真实眼瞳经过3d抬头显示系统观看显示单元21，因此，本发明创造性地运用3d功能单元22，将显示单元21出射的图像光线分别聚焦虚拟左眼眼瞳处和虚拟右眼眼瞳处；或者，将显示单元21出射的图像光线的反向延长线分别聚焦在虚拟左眼眼瞳处和虚拟右眼眼瞳处；其中，虚拟左眼眼瞳为左眼眼瞳关于光学成像元件23所成的像，虚拟右眼眼瞳为右眼眼瞳关于光学成像元件23所成的像，如此无需在观测者眼瞳前方设置光学元件，也可以保证观测者观测到三维立体图像，保证观测者体验效果良好。
可选的，光学成像单元23和半透半反单元24位于3d功能单元22远离显示单元21的一侧，用于将经过3d功能单元22之后的图像光线分别反射至左眼眼瞳视窗范围以及右眼眼瞳视窗范围内，保证观测者左眼和右眼分别可以观看到图像信息，且左眼和右眼观看到的图像信息可以存在差距，例如左眼可以看到左眼图像，右眼可以看到右眼图像，经大脑处理后得到3d图像。
综上，本发明实施例提供的技术方案，通过3d功能单元将显示单元出射的图像光线分别聚焦在虚拟左眼眼瞳和虚拟右眼眼瞳处；或者，将显示单元出射的图像光线的反向延长线分别聚焦在虚拟左眼眼瞳处和虚拟右眼眼瞳处，如此，虚拟左眼眼瞳和虚拟右眼眼瞳可以看到3d图像，根据成像原理，由于虚拟眼瞳观看显示单元等效于真实眼瞳经过3d抬头显示系统观看显示单元，因此本发明实施例提供的技术方案，保证观测者在3d抬头显示系统中可以观看到三维立体图像，提升观测者使用体验。
可选的，基于观测者与光学成像单元23之间的相对位置关系，观测者的左眼眼瞳位置、右眼眼瞳位置与虚拟左眼眼瞳位置、虚拟右眼眼瞳位置可以都位于显示单元21的同一侧，也可以分别位于显示单元21的两侧，下面将分两种情况进行详细说明。
图3是本发明实施例提供的一种3d抬头显示系统显示原理的结构示意图，图3以观测者的左眼眼瞳和右眼眼瞳与虚拟左眼眼瞳和虚拟右眼眼瞳都位于显示单元21的同一侧，且显示单元21显示两个视点图像(左眼图像光线和右眼图像光线)进行示例性说明。如图3所示，显示单元21出射的左眼图像光线经3d功能单元22后聚焦在虚拟左眼眼瞳位置处，显示单元21出射的右眼图像光线经3d功能单元22后聚焦在虚拟右眼眼瞳位置处，如此，虚拟左眼眼瞳可以看到左眼图像，虚拟右眼眼瞳可以看到右眼图像，根据成像原理，可以保证真实左眼眼瞳可以看到左眼图像，真实右眼眼瞳可以看到右眼图像，经大脑处理后得到3d图像。
图4是本发明实施例提供的另一种3d抬头显示系统显示原理的结构示意图，图4以观测者的左眼眼瞳和右眼眼瞳与虚拟左眼眼瞳和虚拟右眼眼瞳分别位于显示单元21的两侧且显示单元21显示两个视点图像(左眼图像光线和右眼图像光线)进行示例性说明。如图4所示，显示单元21出射的左眼图像光线经3d功能单元22后发散，但是左眼图像光线的反向延长线聚焦在虚拟左眼眼瞳位置处，显示单元21出射的右眼图像光线经3d功能单元22后发散，但是右眼图像光线的反向延长线聚焦在虚拟右眼眼瞳位置处，如此，虚拟左眼眼瞳可以看到左眼图像，虚拟右眼眼瞳可以看到右眼图像，根据成像原理，可以保证真实左眼眼瞳可以看到左眼图像，真实右眼眼瞳可以看到右眼图像，经大脑处理后得到3d图像。
需要说明的一点是，本发明实施例提供的3d功能单元可以包括柱状透镜、视差障壁、微透镜阵列、指向背光单元或者液晶光栅中的至少一种，图3和图4仅以3d功能单元为柱状透镜为例进行说明，可以理解的是，只要可以改变光线传播路径、实现裸眼3d显示的光学元件均可以作为3d功能单元22，本发明实施例对此不进行限定。
可选的，继续参考图2所示，本发明实施例提供的光学成像单元23可以包括至少一个曲面镜片结构231，曲面镜片结构231用于对入射的图像光线进行放大处理，并反射图像光线至半透半反单元24。
如图2所示，曲面镜片结构231接收3d功能单元22入射的图像光线并进行反射，其中，曲面镜片结构231具备放大作用，将显示单元21显示的图像进行放大，保证观测者最终观测到清晰的放大图像。其中，曲面镜片结构231的焦距越大时，曲面镜片结构231的放大倍率越大。实际使用过程中，可以根据观测者实际需求，选择不同放大倍率的曲面镜片结构131。
需要说明的是，本发明实施例提供的光学成像单元23还可以包括多个曲面镜片结构(图中未示出)，每个曲面镜片结构均可以对左眼图像和右眼图像进行放大，其中，每个曲面镜片结构的焦距可以相同也可以不同，可以根据实际放大倍率需求，选择一个或者多个曲面镜片结构，本发明实施例对此不进行限定。
继续参考图2所示，本发明实施例提供的光学成像单元23还可以包括一平面反射镜片结构232，平面镜片反射结构232接收曲面镜片结构231入射的图像光线，并反射图像光线至半透半反单元24。通过平面镜面结构232对图像光线的传播路径进行进一步调整，保证图像光线经半透半反单元24反射后最终可以分别进入左眼眼瞳范围内和右眼眼瞳范围内。
需要说明的是，本发明实施例提供的光学成像单元23还可以包括多个平面镜片结构(图中未示出)，每个平面镜片结构均可以对图像光线的传播路径进行调整，保证图像光线经半透半反单元24反射后最终可以分别进入左眼眼瞳范围内和右眼眼瞳范围内。
可选的，本发明实施例提供的半透半反单元24可以为挡风玻璃。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种3d抬头显示系统的设计方法，用于设计本发明实施例提供的3d抬头显示系统，如图5所示，本发明实施例提供的3d抬头显示系统的设计方法可以包括；
s110、确定虚拟左眼眼瞳位置和虚拟右眼眼瞳位置。
示例性的，可以根据观测者与光学成像单元之间的相对位置关系确定左眼眼瞳位置和右眼眼瞳位置，例如通过采用几何运算或者光学仿真的方式确定虚拟左眼眼瞳位置和虚拟右眼眼瞳位置。例如，在通过光学仿真的方式确定虚拟左眼眼瞳位置和虚拟右眼眼瞳位置时，可以使用光学软件(如zemax)中建立各光学元件，通过优化函数进行优化，得出虚拟视距和虚拟瞳距
具体的，图6是本发明实施例提供的一种确定虚拟视距和虚拟瞳距的原理示意图，图6具体是通过几何运算的方法确定虚拟左眼眼瞳位置和虚拟右眼眼瞳位置的。如图6所示，假设光学成像单元23为理想光学成像单元，其焦距为f，观测者左眼眼瞳和右眼眼瞳距离成像系统中心的距离为l1，虚拟左眼眼瞳和虚拟右眼眼瞳距离成像系统中心的距离为l2，根据成像公式有1/f＝1/l1+1/l2，由于f和l1已知，因此可以计算得出l2，即确定虚拟左眼眼瞳位置和虚拟右眼眼瞳位置。
s120、根据所述虚拟左眼眼瞳位置和所述虚拟右眼眼瞳位置确定虚拟视距和虚拟瞳距。
继续参考图6所示，左眼眼瞳与右眼眼瞳之间的间距为w1，虚拟左眼眼瞳与右眼眼瞳之间的间距即虚拟瞳距为w2，根据三角公式有w1/w2＝l1/l2，w1、l1已知，l2在步骤s110中计算得到，因此可以确定虚拟瞳距w2。另外由于显示单元与成像系统中心的距离l3是已知的(由抬头显示系统设计时得出)，因此虚拟视距l4也可以计算得出：l4＝l2-l3。
s130、根据所述显示单元像素大小、所述虚拟视距和所述虚拟瞳距确定所述3d功能单元的设计参数以及所述3d功能单元与所述显示单元之间的距离。
示例性的，图7是本发明实施例提供的一种确定3d功能单元的设计参数以及确定3d功能单元与显示单元之间的距离的原理示意图，图7以视差障壁(狭缝光栅)为例说明了如何确定3d功能单元的设计参数以及确定3d功能单元与显示单元之间的距离。如图7所示，假设显示单元21的像素单元大小为w3，其由显示单元21的规格可以得到；设狭缝光栅与显示单元21之间的距离为l5，狭缝光栅的节距为w5，缝隙为w4，由三角关系可以得到以下公式：w3/w4＝l4/(l4+l5)，(2*w3)/w5＝l4/(l4+l5)，w3/w2＝l5/(l4+l5)，根据上述公式可以知道狭缝光栅与显示单元21之间的距离l5＝w3*l4/(w2-w3)；狭缝光栅的节距w5＝2*w2*w3/(w2-w3)；狭缝光栅的缝隙w4＝w2*w3/(w2-w3)，如此确定了3d功能单元的设计参数以及3d功能单元与显示单元之间的距离。
s140、根据所述3d功能单元的设计参数以及所述3d功能单元与所述显示单元之间的距离构建3d抬头显示系统。
示例性的，根据3d功能单元的设计参数以及3d功能单元与显示单元之间的距离，将3d功能单元组合进入抬头显示系统，形成如图2所示的3d抬头显示系统，，保证观测者可以观看到3d图像。
本发明实施例提供的3d抬头显示系统的设计方法，根据观测者与光学成像单元之间的相对位置关系确定虚拟左眼眼瞳位置和虚拟右眼眼瞳位置，然后根据虚拟左眼眼瞳位置和所述虚拟右眼眼瞳位置确定虚拟视距和虚拟瞳距，之后根据显示单元像素大小、虚拟视距和虚拟瞳距确定3d功能单元的设计参数以及3d功能单元与显示单元之间的距离，最后将符合设计参数的3d功能单元加入抬头显示系统中，形成3d抬头显示系统，保证3d功能单元能够将显示单元出射的图像光线分别聚焦在虚拟左眼眼瞳和虚拟右眼眼瞳处；或者，能够将显示单元出射的图像光线的反向延长线分别聚焦在虚拟左眼眼瞳处和虚拟右眼眼瞳处，根据成像原理，由于虚拟眼瞳观看显示单元等效于真实眼瞳经过3d抬头显示系统观看显示单元，因此本发明实施例提供的技术方案，保证观测者在3d抬头显示系统中可以观看到三维立体图像，提升观测者使用体验。
可选的，本发明实施例中，确定虚拟左眼眼瞳位置和虚拟右眼眼瞳位置之前，还可以包括：
确定3d抬头显示系统的显示参数；其中，显示参数包括图像显示位置和图像放大倍数；
根据显示参数调节3d抬头显示系统。
示例性的，在确定3d功能单元的设计参数之前，需要确定抬头显示系统的显示参数，该显示参数表示的是显示单元显示的图像显示在半透半反单元上的图像显示位置以及观测者观测到的显示图像与显示单元实际显示的显示图像之间的放大倍数。根据图像显示位置和图像放大倍数，可以调节显示单元、光学成像单元以及半透半反单元之间的相对位置，或者调节光学成像单元的放大倍数，以满足不同观测者对抬头显示系统的不同需求。
进一步的，本发明实施例还提供了一种汽车，该汽车包括本发明实施例提供的3d抬头显示系统，具备相应的功能和有益效果，这里不再赘述。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。