任意距离无鬼像投影的制作方法

本公开涉及一种显示系统。特别地，但不排他地，本公开涉及用于在任意投影距离处以无鬼像方式在屏幕上显示图像的装置。

背景技术：

1、抬头显示器(hud)是已知的显示器，在hud中，图像被投射到透明表面上，例如挡风玻璃或遮阳板。这种显示器在包括车辆在内的许多不同环境中是公知的。

2、在汽车工业中，大多数商用hud利用分离的光学屏幕(组合型hud)，或者直接显示在挡风玻璃上(挡风玻璃型hud)。组合型hud可以，无需大量改动，被安装在大多数类型的汽车上。他们利用透明塑料投影屏幕将真实驾驶环境和投影虚拟图像结合起来。虽然安装成本相对较低，但塑料屏幕将部分遮挡驾驶员的视线，此外，当该单元经历振动时，其性能较差。

3、挡风玻璃型hud利用车辆的挡风玻璃来结合虚拟图像和真实环境。由于挡风玻璃的厚度有限(通常比组合型hud中使用的屏幕大得多)，投影图像将在挡风玻璃的前表面和后表面反射，从而产生主图像和二次偏移“鬼”像。术语“鬼像”在本领域中使用，并且在整个说明书中用于描述二次偏移图像。为了消除这种影响，可以在挡风玻璃上应用一种特殊的膜，该特殊的膜增强前表面的反射(从而减少后表面的后续反射，减少鬼像)。虽然成本相对较低，但这种膜在视觉上没有吸引力，对图像质量有不利影响，并且长期暴露于阳光后效果会降低。另一个解决方案是提供一种特殊的多层楔形挡风玻璃，它有效地重叠了两个反射图像，使得驾驶员可以看到单一、清晰的图像。楔形挡风玻璃的示意图如图1所示。这些专门生产的挡风玻璃必须专门为每种应用而设计，而且建造成本很昂贵。

4、另一种方法是设计具有一层或多层发射/散射纳米粒子的挡风玻璃。当被扫描激光投影仪激发时，每层将在r/g/b波段中的一个处生成可见光发射。通过叠加多个波段的图像，在挡风玻璃上显示彩色图像。这种所谓的全挡风玻璃hud具有无限的视角、无限的显示位置以及无激光散斑，但是生产起来又是昂贵和复杂的。此外，由于驾驶员必须将注意力集中在挡风玻璃上才能查看显示的信息，因此无法体验到多深度图像(即，具有不同视深度的元素的图像)。

5、当为挡风玻璃具有大倾斜角的应用(例如火车和卡车)设计hud时，会出现另外的困难。对于小型车，挡风玻璃的倾斜角通常在30°到45°之间，hud系统安装在仪表板的正下方，使得hud系统的设计更加容易。然而，对于大型车辆，挡风玻璃的倾斜角可以在一定范围内变化。例如，大多数火车挡风玻璃的倾斜角为60°至80°。至于卡车和公共汽车，倾斜角甚至可以更高—高达90°。更大的倾斜角与大型车辆中使用的更厚的挡风玻璃相结合，不仅通过增加从挡风玻璃的前表面和后表面反射的图像的偏移而使鬼像问题更加突出，而且还增加了上述传统缓解技术的成本。

6、因此，现有方法不允许跨多个不同系统减少鬼像。

7、本发明的目的是减少上述现有技术的一些缺陷

技术实现思路

1、本发明的方面和实施例提供根据所附权利要求书中要求的装置。

2、根据本发明的第一方面，提供了一种用于提供无鬼像抬头显示器的图像生成系统。该系统包括：显示屏，该显示屏具有前表面和后表面；图片生成单元，用于朝向该显示屏投射图像以朝向眼盒反射；场透镜；以及各向异性光学组件，该各向异性光学组件具有沿着第一轴的第一光功率和沿着第二轴的第二光功率，其中，第一轴和第二轴是垂直的，其中，该图片生成单元被配置为投射光使其通过该场透镜，使得光入射到该显示屏的该前表面上，形成第一虚拟图像，其中，光的一部分透射该显示屏并且入射到该显示屏的该后表面上，形成第二虚拟图像，其中，该第一虚拟图像和该第二虚拟图像沿着第一轴偏移，其中，该场透镜被配置为在第一投射距离处投射该第一虚拟图像，并且在第二投射距离处投射该第二虚拟图像，使得该偏移低于阈值幅度，并且从该眼盒观看时，该第一虚拟图像和该第二虚拟图像基本上重叠，其中，该各向异性光学组件被配置为仅沿着该第二轴放大该第一虚拟图像和该第二虚拟图像。

3、这种方法使无鬼像投影成为可能，而不需要对显示屏表面或内部结构进行任何改动。它还使图像以比消除鬼像所需的更短的视投影距离显示成为可能。

4、可选地，该场透镜被配置为在第一投影距离和第二投影距离处来投射该第一虚拟图像和该第二虚拟图像，使得该第一虚拟图像和该第二虚拟图像之间的该偏移低于阈值角分辨率。

5、可选地，该阈值角分辨率等于像素的尺寸。

6、可选地，该阈值角分辨率等于人眼的角分辨率。通过将该偏移减小到显示器和/或人眼分辨能力的极限以下，有效地消除了鬼像。

7、可选地，该各向异性光学组件由自由曲面镜、自由曲面透镜、柱面镜或柱面透镜中的一个提供。

8、可选地，该场透镜由凹面镜、自由曲面、菲涅耳透镜(fresnel lens)、波导、衍射光学元件、全息光学元件或一个或多个锥形光纤中的一个提供。锥形光纤特别使投影图像光纤空间的无透镜放大成为可能，从而缩短光的光路并且使系统的整体空间足迹减小。

9、可选地，该图片生成单元包括光源和空间光调制器。

10、可选地，该图片生成单元包括投影仪和用于实现投影图像的散射器。

11、可选地，该图片生成单元包括激光器和2d扫描镜。

12、可选地，该图片生成单元包括用于产生计算机生成全息图的全息单元和用于实现该全息图的散射器。

13、可选地，该图片生成单元包括lcd器件、led器件、微led器件、oled器件或数字光处理数字微镜器件中的一个或多个。这些器件能够通过施加电流来激活，电流可以根据需要进行定位和调制。它们还可以提供灵活的多色显示器。

14、可选地，该系统还包括在该图片生成单元、该场透镜、该显示屏和/或该各向异性光学组件中的任一个之间的中间光学器件。这种中间光学器件允许光的路径被布置在安装环境的物理范围周围，以及补偿挡风玻璃本身的任何光学效应。

15、可选地，该中间光学器件包括折叠镜、波导、衍射光学元件或全息光学元件中的一个。

16、可选地，该系统还包括与该图片生成单元通信的图像处理器，其中，该图像处理器被配置为考虑由光学设置引起的失真，使得该图像在该显示屏上看起来不失真。这避免了对任何图像生成后校正以及笨重的校正光学器件的需要。另外，它提供了更高程度的灵活性，可以适应不同的显示表面和光学设置。

17、可选地，该抬头显示器的该显示屏是车辆的挡风玻璃。

18、可选地，该场透镜、投影单元、各向异性光学组件和/或中间光学组件(如果存在的话)中的一个或多个相对于彼此是可移动的。

19、可选地，该图像包括第一区域和第二区域，其中，该系统被布置为使得该第一区域和该第二区域被投射通过该场透镜，而仅该第二区域被投射通过该各向异性光学组件。通过hud系统在多个距离上投射图像可以产生真实对象的令人信服的表示。

20、根据本发明的第二方面，提供了一种用于提供无鬼像抬头显示器的方法。该方法包括：在图片生成单元处生成图像，该图像将被渲染在显示屏上以朝向预定的眼盒反射，该显示屏具有前表面和后表面；在该图片生成单元和该显示屏之间提供场透镜；在该图片生成单元和该显示屏之间提供各向异性光学组件，该各向异性光学组件具有沿着第一轴的第一光功率和沿着第二轴的第二光功率，其中，该第一轴和该第二轴是垂直的，其中，入射到该显示屏的该前表面上的光的一部分被反射，形成第一虚拟图像，并且该光的一部分透射该显示屏并且入射到该后表面上，形成第二虚拟图像，其中，该第一虚拟图像和该第二虚拟图像沿着该第一轴偏移；配置该场透镜在第一投影距离处投射该第一虚拟图像，并且在第二投影距离处投射该第二虚拟图像，使得该偏移低于阈值幅度，并且从该眼盒观看时，该第一虚拟图像和该第二虚拟图像基本上重叠，以及配置该各向异性光学组件仅沿着该第二轴放大该第一虚拟图像和该第二虚拟图像。

21、本发明的其他方面将从所附的权利要求书中显而易见。