一种基于空间光调制器的车载平视显示系统的制作方法

1.本实用新型属于车载显示领域，尤其是涉及一种基于空间光调制器的车载平视显示系统。


背景技术：

2.传统的车载平视显示系统(hud)的投影图像成像位置分为两种：一种是将图像直接成像在汽车的前挡风玻璃上，这样驾驶者在驾驶过程中如果需要看清呈现在前挡风玻璃上的hud投影信息就需要眼睛自动调焦，如果需要观察汽车前方的路况就需要眼睛快速将焦距调整到远处的物体上，从而使汽车前方的信息在视网膜上清晰成像；另一种做法是利用光学系统，使其投影显示在汽车引擎盖上或汽车前方道路上，这样驾驶者在观察汽车前方道路的时候，无须眼睛自动调焦，也能清晰地看到hud投影信息。
3.上述两种做法都是利用光学系统的成像原理实现的，由于成像位置不同所采用的光学系统结构迥异，尤其是后者的光学设计的复杂度很高，成本也非常昂贵。但是传统的平视显示装置投影图像成像方式只能采用上述两种方法之一，只能投影2d图像，而且其光学系统结构一旦确定，则成像位置就被固定，不能随意更改。
4.且由于受到半导体工艺的限制，当前商用像素化空间光调制器的像素尺寸难以达到可见光波长量级，且空间带宽积严重不足，致使空间光调制器再现出的3d图像的可视角度较小，一般小于5
°
，若后续直接加上目视系统让驾驶员直接观看，则驾驶员的眼动范围很小，体验感十分差，若在成像光路中加入漫反射元件，虽然可以增大眼动范围，但是破坏了空间光调制器所生成的全息3d图像的相位信息，驾驶员无法观察到更多景深的3d 信息。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于空间光调制器的车载平视显示系统，能够简化光学光路系统的结构，提高光源利用率，并且成像位置可调，眼动范围大。
6.为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种基于空间光调制器的车载平视显示系统，包括依次设置的光源组件、空间光调制器、投影光路、中继系统和目视系统，所述光源组件用于提供光源，所述光源入射到所述空间光调制器上，所述空间光调制器用于图像的显示，所述投影光路用于将所述图像放大投影到所述中继系统，所述中继系统用于扩大所述图像的视场角，所述目视系统用于将所述图像投射，便于驾驶员观察，所述中继系统为微透镜阵列或微透镜阵列组或衍射光学元件，中继系统既增大平视显示系统的眼动范围，又保留空间光调制器生成的全息3d图像的相位信息，使驾驶员既能有较好的体验感又能观察到多景深的3d显示信息。
7.进一步的，所述微透镜阵列组包括第一微透镜阵列和第二微透镜阵列，所述第一微透镜阵列的焦距大于所述第二微透镜阵列的焦距，所述第一微透镜阵列上的透镜单元数目和所述第二微透镜阵列上的透镜单元数目相等并一一对应。
8.进一步的，所述光源组件包括依次设置的光源、扩束准直器和偏振片。
9.进一步的，所述投影光路由多片透镜组成，包括依次设置的第一凸透镜、第一凹透镜和第二凸透镜，投影光路用于将空间光调制器上加载的图像投影到中继系统上。
10.进一步的，所述目视系统包括至少一个透镜和两个反射镜，包括第一透镜、第一反射镜、第二透镜和半透半反反射镜，第一透镜与中继系统共线设置，第一反射镜倾斜设置在第一透镜的一侧，半透半反反射镜与第一反射镜相对应，第二透镜设置在第一反射镜和半透半反反射镜之间。
11.进一步的，所述目视系统包括多个曲面反射镜。
12.进一步的，所述空间光调制器采用反射式空间光调制器，所述光源组件还包括分棱镜。
13.进一步的，还包括控制系统，所述控制系统分别与所述光源组件和所述空间光调制器相连，控制系统用于完成图像信息的全息图计算、加载以及空间光调制和光源的同步控制工作。
14.进一步的，所述控制系统包括主控制单元和分别与所述主控制单元相连的控制程序界面、外部通信接口、存储单元、全息图生成单元、slm驱动单元和光源驱动单元，所述空间光调制器与所述slm驱动单元相连，所述光源与所述光源驱动单元相连。
15.进一步的，所述控制系统将3d图像信息通过所述全息图生成单元转换为全息图形式，并输出加载到所述空间光调制器上进行显示，控制系统控制光源组件提供一个光源入射到空间光调制器上。
16.本实用新型具有的优点和积极效果是：由于采用上述技术方案，通过控制系统将需要显示的3d图像信息通过全息图算法转换为全息图形式，输出加载到空间光调制器上进行显示，并通过光源组件提供一个光源入射到空间光调制器上，利用全息成像原理再现出对应的3d图像信息，实现3d 显示。
17.投影光路由多片透镜组成，可将图像放大投影到中继系统上。
18.中继系统由两片焦距不同的微透镜阵列组成，通过中继系统，用来扩大图像的视场角，使眼动范围扩大，保留空间光调制器生成的全息3d图像的相位信息，使驾驶员既能有较好的体验感又能观察到多景深的3d显示信息。
19.通过目视系统的调节，使成像位置可调，驾驶员无需用眼睛进行调焦，且目视系统通过至少一个透镜和两个反射镜，将图像进行放大，以供驾驶员观察。
附图说明
20.图1是本实用新型结构图；
21.图2是本实用新型光源组件结构图；
22.图3是本实用新型控制系统结构图；
23.图4是本实用新型空间光调制器与微透镜阵列组分辨率图；
24.图5是本实用新型中继系统结构图。
25.图中：
26.1、光源组件；11、光源；12、扩束准直器；13、分光棱镜；14、偏振片； 2、控制系统；21、主控制单元；22、控制程序界面；23、外部通信接口； 24、存储单元；25、全息图生成单元；
26、slm驱动单元；27、光源驱动单元；3、空间光调制器；4、投影光路；5、中继系统；51、第一微透镜阵列；52、第二微透镜阵列；6、目视系统；61、第一透镜；62、第一反射镜；63、第二透镜；64、半透半反反射镜。
具体实施方式
27.下面结合实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。
28.如图1至图5所示，本实施例提供一种基于空间光调制器的车载平视显示系统，包括依次设置的控制系统2、光源组件1、空间光调制器3、投影光路4、中继系统5和目视系统6，控制系统2分别与光源组件1和空间光调制器3相连，控制系统2将全息图输出到空间光调制器3上显示，控制系统2控制光源组件1提供光源11入射到空间光调制器3上，通过投影光路4将显示图像放大投影到中继系统5上，通过目视系统6将显示图像投射进入人眼。
29.光源组件1用于提供光源11，光源11入射到空间光调制器3上，对空间光调制的照明工作；控制系统2用于完成图像信息的全息图计算、加载以及空间光调制和光源的同步控制工作；空间光调制器3用于图像的显示，投影光路4用于将空间光调制器3上加载的图像放大投影到中继系统5上；中继系统5用于扩大显示图像的视场角；目视系统6用于显示图像的投射，以供驾驶员观察。
30.光源组件1包括依次设置的光源11、扩束准直器12和偏振片14，光源11可以为具有相干性的一个单色激光光源或rgb彩色激光光源，也可以是单色或彩色的led光源。扩束准直器12用于对光源11进行扩束，使光源11准直为平行光入射到空间光调制器3上，并兼具滤波作用提高光束质量。偏振片14用来控制入射光束的偏振态，来保证空间光调制器3的工作状态。当空间光调制器3为反射式空间光调制器时，光源组件1还包括分光棱镜13，分光棱镜13用来偏折光路以使光束垂直入射到反射式空间光调制器上，当空间光调制器3为透射式空间光调制器时，则不需要分光棱镜 13。光源组件1提供图像处理系统中激光调制、激光驱动的接口。
31.控制系统2包括主控制单元21和分别与主控制单元21相连的控制程序界面22、外部通信接口23、存储单元24、全息图生成单元25、slm驱动单元26和光源驱动单元27，空间光调制器3与slm驱动单元26相连，光源11与光源驱动单元27相连。主控制单元21用于完成整个系统的控制工作。控制程序界面22用于提供人机接口界面。外部通信接口23包括有线接口或无线接口，有线接口包括视频、数据等，无线接口包括无线、蓝牙、红外等。全息图生成单元25用于将对应的图像信息或数据通过全息图算法生成全息图，并通过主控制单元21输出到空间光调制器3的驱动单元上，驱动空间光调制器3对入射到其上的光束进行调制，从而输出对应的图像信息，全息图生成单元25为专用的硬件设备，如现场可编程门阵列(fieldprogrammable gate array，fpga)、数字信号处理器(digital signalprocessor，dsp)、专用集成电路(application specific integratedcircuit，asic)或者是cpu等。存储单元24可以为ram、flash等，存储单元24可设置在外部或内部，主控制单元21可以通过内部或者外部的存储单元24事先存储的待显示的全息图，根据外部输入的信息选择单个或多个全息图通过简单的运算处理，然后输出到空间光调制器3，主控制单元 21可以实现对空间光调制和光源的同步驱动。
32.空间光调制可采用lcos、dmd、lcd等，显示的全息图可通过控制系统 2进行高速切
换，从而实现动态视频流的输出。
33.投影光路4由多片透镜组成，包括依次设置的第一凸透镜41、第一凹透镜42和第二凸透镜43，投影光路4用于将空间光调制器3上加载的图像投影到中继系统5上。
34.中继系统5采用微透镜阵列或微透镜阵列组或衍射光学元件，在本实施例中，中继系统5采用微透镜阵列组，微透镜阵列组由两片焦距不同的微透镜阵列构成，微透镜阵列由多个完全相同的正透镜或者负透镜单元组成，投影光路4将空间光调制器3上加载的图像作为像源，投影到微透镜阵列组上，微透镜阵列组的每一个单元上被投影一个或多个像素，若空间光调制器3产生的图像的分辨率为m*n，则微透镜阵列组的分辨率应为 (m/s)*(n/s)，其中s的范围为1
‑
100，即每个单位上被投影s个像素。
35.微透镜阵列组包括第一微透镜阵列51和第二微透镜阵列52，第一微透镜阵列51的焦距大于第二微透镜阵列52的焦距，第一微透镜阵列51上的透镜单元数目和第二微透镜阵列52上的透镜单元数目相等，且一一对应。
36.入射在第一微透镜阵列51上光线的入射角θ1较小，经过微透镜阵列组的每个单元后，光线发生折射，从第二微透镜阵列52出射光线的出射角θ2变大。第一微透镜阵列51的焦距为f1，第二微透镜阵列52的焦距为f2，f1＞f2，则有θ2:θ1＝f1:f2，且每个透镜单元组的角放大率一致，中继系统5的光线出射角放大后，平视显示系统的眼动范围增大。
37.目视系统6以微透镜阵列为像源，进行放大，以供驾驶员观察，目视系统6可通过反射式或折反式实现，反射式是由多个曲面反射镜将像源进行放大，折反式是由至少一个透镜和两个反射镜组合将像源进行放大。
38.目视系统6包括第一透镜61、第一反射镜62、第二透镜63和半透半反反射镜64，第一透镜61与中继系统5共线设置，第一反射镜62倾斜设置在第一透镜61的一侧，半透半反反射镜64与第一反射镜62相对应，第二透镜63设置在第一反射镜62和半透半反反射镜64之间，使光线依次经过第一透镜61，通过第一反射镜62反射射入第二透镜63，后通过半透半反反射镜64投射到人眼中。
39.因半透半反反射镜64设置在靠近驾驶员的一侧，使驾驶员既可以看到车外的信息又可以观察到平视显示系统提供的提示信息。
40.本实例的工作过程：
41.首先控制系统2将需要显示的3d图像信息通过全息图算法转换为全息图形式，或通过事先在系统内部存储待显示的全息图，根据外部输入的信息选择单个或多个全息图作简单的运算处理，后输出加载到空间光调制器3 上进行显示，此时同步控制光源组件1提供一个光源11入射到空间光调制器3上，利用全息成像原理再现出对应的3d图像信息，通过投影光路4将显示图像放大投影到中继系统5上，中继系统5由两片焦距不同的第一微透镜阵列51和第二微透镜阵列52构成，用来扩大显示图像的视场角，从而扩大平视显示系统的眼动范围，最后通过目视系统6将显示图像投射出来，供驾驶员观察。
42.本实用新型的有益效果是：
43.本实用新型通过控制系统2上的全息图生成单元25，使需要显示的3d图像信息转换为全息图形式，输出加载到空间光调制器3上进行显示，并通过控制系统2控制光源组件1,提供一个光源11入射到空间光调制器3上，利用全息成像原理再现出对应的3d图像信息，实现3d显示。
44.投影光路4第一凸透镜41、第一凹透镜42和第二凸透镜43组成，可将图像放大投影到中继系统5上。
45.由于空间光调制器的视场角较小，无法产生较大的眼动范围，因此在光路中加入由两片焦距不同的微透镜阵列构成的中继系统5，用来扩大平视显示系统的眼动范围，使得驾驶员在一个较大的范围内都能清晰的看到图像。
46.目视系统6使成像的位置可以随意更改，且可以同时存在多个成像位置。
47.根据提示信息的不同，在不同的成像位置显示，实现3d显示，驾驶员在观察汽车前方道路的时候，无须眼睛来回调焦，就能清晰地看到hud投影信息。
48.以上对本实用新型的一个或多个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本实用新型的专利涵盖范围之内。