一种无重影像的高能量利用率增强现实抬头显示系统

技术领域

本发明涉及增强现实技术领域，特别涉及一种无重影像的高能量利用率增强现实抬头显示系统。

背景技术

抬头显示能够提升驾驶员的安全性和体验感，在车载市场的应用以及市场占有率逐步提升，具有重要的价值。

目前，基于普通风挡反射式的增强现实抬头显示系统中存在两大问题：(1)由于普通风挡前后表面反射导致观看到的图像出现重影像；(2)普通风挡玻璃的反射率低，大量图像光透射浪费，导致整个增强现实显示系统的效率降低。第一个问题的解决方式主要是在普通风挡玻璃中嵌入楔形夹层膜，使得通过风挡前后表面反射后的光线位于同一方向上，从而减弱重影像的存在或消除重影像，但是采用楔形夹层膜的风挡玻璃的成本相比于普通风挡玻璃的成本高很多，不利于市场推广应用(普通风挡玻璃定义为：未嵌楔形膜的风挡玻璃，直接使用传统的HUD系统进行投影显示存在重影像问题)；第二个问题的解决通常通过在普通风挡上贴膜增加反射率以提升能量利用率，但由于普通风挡玻璃的安全性要求，反射率不高于20％，仍然导致大量的能量浪费。

研发出一种无重影像的高能量利用率的的抬头显示系统至关重要。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种无重影像的高能量利用率增强现实抬头显示系统，旨在解决现有增强现实显示系统能量利用率低以及通过普通风挡反射存在重影像问题。

为实现上述目的，本发明提出一种无重影像的高能量利用率增强现实抬头显示系统，包括：图像生成单元、投影系统、全息光学元件、普通风挡玻璃、控制单元、控和制软件；

所述图像生成单元用于产生所需显示的图像源；所述投影系统用于对所述图像源产生的图像进行投影放大；所述全息光学元件位于所述普通风挡玻璃内表面，用于接收来自所述投影系统的图像并将所述图像衍射至人眼观看区域，所述普通风挡玻璃用于承载所述全息光学元件；所述控制单元与车机系统相连接，用于存储及控制所述图像生成单元所需显示的图像；所述控制软件装载于所述控制单元的操作系统及应用软件，用于显示内容的控制；

所述图像生成单元产生的图像光通过所述投影系统后，投射至位于所述普通风挡玻璃内表面的所述全息光学元件上，一部分光满足反射定理在所述全息光学元件与空气的接触面上产生反射，反射光反向传播至远离驾驶员一侧，而被所述全息光学元件强烈衍射的再现光投射至人眼，另外有一部分直透光在所述普通风挡玻璃外表面与空气界面发生反射，透过所述普通风挡玻璃后入射至远离驾驶员的一侧。

本发明的进一步技术方案是，所述图像生成单元包括基于被动发光微显示屏的微型投影光机，或者主动发光的微型显示屏的微投影光机。

本发明的进一步技术方案是，所述基于被动发光微显示屏的微型投影光机为基于LCoS显示屏、DMD显示屏或者LCD显示屏显示光机，所述基于被动发光微显示屏的微型投影光机包括照明光路部分以及投影光路部分。

本发明的进一步技术方案是，所述主动发光的微型显示屏的微投影光机为LBS激光扫描的微型投影光机，所述LBS激光扫描的微型投影光机包括投影镜头部分，但不包括照明光路部分。

本发明的进一步技术方案是，所述投影系统包括基于自由曲面反射镜组组成的投影系统或者基于光波导的投影系统，将所述图像生成单元产生的图像进行投影，投射至位于所述普通风挡玻璃上的体全息光学元件上。

本发明的进一步技术方案是，所述全息光学元件为体全息光学元件，采用激光干涉方式，体全息感光材料制作的衍射光学元件。

本发明的进一步技术方案是，所述控制单元包括存储芯片、数据处理芯片，所述存储芯片、数据处理芯片与所述图像生成单元相连用于存储及控制显示内容。

本发明无重影像的高能量利用率增强现实抬头显示系统的有益效果是：

本发明通过上述技术方案：包括：图像生成单元、投影系统、全息光学元件、普通风挡玻璃、控制单元、控和制软件；图像生成单元用于产生所需显示的图像源；投影系统用于对图像源产生的图像进行投影放大；全息光学元件位于普通风挡玻璃内表面，用于接收来自投影系统的图像并将图像衍射至人眼观看区域，普通风挡玻璃用于承载全息光学元件；控制单元与车机系统相连接，用于存储及控制图像生成单元所需显示的图像；控制软件装载于控制单元的操作系统及应用软件，用于显示内容的控制；图像生成单元产生的图像光通过投影系统后，透射至位于普通风挡玻璃内表面的全息光学元件上，一部分光满足反射定理在全息光学元件与空气的接触面上产生反射，反射光反向传播至远离驾驶员一侧，而被全息光学元件强烈衍射的再现光透射至人眼，另外有一部分直透光在普通风挡玻璃外表面与空气界面发生反射，透过普通风挡玻璃后入射至远离驾驶员的一侧，解决了现有增强现实显示系统能量利用率低以及通过普通风挡反射存在重影像问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是基于自由曲面反射镜组的无重影像的高能量利用率增强现实抬头现实系统的结构示意图。

图2是基于光波导的无重影像的高能量利用率增强现实抬头显示系统的结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

为解决现有增强现实显示系统能量利用率低以及通过普通风挡反射存在重影像问题，本发明提出一种解决方案。

具体地，本发明提出一种无重影像的高能量利用率增强现实抬头显示系统，本发明无重影像的高能量利用率增强现实抬头显示系统第一实施例包括图像生成单元、投影系统、全息光学元件、普通风挡玻璃、控制单元、控和制软件。

其中，图像生成单元用于产生所需显示的图像源；投影系统用于对图像源产生的图像进行投影放大；全息光学元件位于普通风挡玻璃内表面，用于接收来自投影系统的图像并将图像衍射至人眼观看区域，普通风挡玻璃用于承载全息光学元件；控制单元与车机系统相连接，用于存储及控制图像生成单元所需显示的图像；控制软件装载于控制单元的操作系统及应用软件，用于显示内容的控制。

图像生成单元产生的图像光通过投影系统后，投射至位于普通风挡玻璃内表面的全息光学元件上，一部分光满足反射定理在全息光学元件与空气的接触面上产生反射，反射光反向传播至远离驾驶员一侧，而被全息光学元件强烈衍射的再现光透射至人眼，另外有一部分直透光在普通风挡玻璃外表面与空气界面发生反射，透过普通风挡玻璃后入射至远离驾驶员的一侧。

全息光学元件为一个体全息光学膜，具有特定方向特定波段高的衍射效率，从而可以将70％以上的光衍射至人眼，而直透光通过普通风挡后表面的反射光和照射到全息光学元件表面与空气表面的反射光比例非常低，约为0.03+0.3*0.03＝0.039。且前后表面反射光投射至远离人眼的一端不会进入人眼，人眼仅能看到由全息光学元件衍射投射至人眼的图像，且全息光学元件的衍射效率高，可达到70％以上，从而提升了能量利用率。

图像生成单元包括基于被动发光微显示屏的微型投影光机，或者主动发光的微型显示屏的微投影光机。

基于被动发光微显示屏的微型投影光机为基于LCoS显示屏、DMD显示屏或者LCD显示屏显示光机，基于被动发光微显示屏的微型投影光机包括照明光路部分以及投影光路部分。

主动发光的微型显示屏的微投影光机为LBS激光扫描的微型投影光机，LBS激光扫描的微型投影光机包括投影镜头部分，但不包括照明光路部分。

投影系统包括基于自由曲面反射镜组组成的投影系统或者基于光波导的投影系统，将图像生成单元产生的图像进行投影，投射至位于普通风挡玻璃上的体全息光学元件上。

全息光学元件为体全息光学元件，采用激光干涉方式，体全息感光材料制作的衍射光学元件。

普通风挡玻璃为普通的风挡玻璃而传统方法中非嵌入楔形夹层膜用于消除重影像的风挡玻璃。

控制单元包括存储芯片、数据处理芯片，存储芯片、数据处理芯片与图像生成单元相连用于存储及控制显示内容。

请参照图1，图1是基于自由曲面反射镜组的无重影像的高能量利用率增强现实抬头现实系统的结构示意图，图1所示的基于自由曲面反射镜组的无重影像的高能量利用率增强现实抬头现实系统中，投影系统包括基于自由曲面反射镜组组成的投影系统，将图像生成单元产生的图像进行投影，投射至位于普通风挡玻璃上的体全息光学元件上。

图1中控制单元100与车机系统连接，实现内容存储及控制图像生成单元101产生所需显示的图像的功能；图像生成单元101，包含基于微显示芯片的投影系统，如LCoS，DMD，LCD等实现的投影系统以及基于激光扫描LBS的投影系统。图像生成单元产生的图像通过自由曲面反射镜102和自由曲面反射镜103组合的自由曲面反射镜组后将图像投影至位于普通风挡玻璃105前表面的全息光学元件104上。如图1所示，A是来自图像生成单元的一根光线，其经过自由曲面反射镜102和103反射之后为A′，位于法线的靠近观看者106的一侧，根据反射定理可知，在全息光学元件104与空气的表面产生界面反射，反射光为B，位于法线的另一侧。全息光学元件104使得图像光A′照射其上时强烈的向人眼衍射，形成衍射光B′，衍射效率可达到70％以上，而全息光学元件104为一层透明的光学元件膜，有85％以上的透过率，人眼通过衍射光看到位于远处的虚像以及看到环境，达到增强现实的目的。部分未被全息光学元件104与空气表面反射及衍射的光会透过全息光学元件104后到达普通风挡玻璃105的后表面发生反射，反射光反向传播透过普通风挡玻璃105及全息光学元件104后的光为C，反射光为远离观看者106的一段，反射光和衍射光分离从而不可能同时进入人眼，从而避免了重影像的产生，且全息光学元件104的衍射效率可达到70％以上，从而相比于传统的方式(不高于20％)的反射率提升了能量利用率。

全息光学元件104的制造及图像生成单元101的具体内部实现为现有技术，不做展开。在此系统中自由曲面反射镜组可通过光学软件进行优化获得，具体型面不做限制。

体全息光学元件为全息膜材，存在以下几种形态：

对于单色显示而言，仅包含一层与该颜色对应的体全息光栅，通过该颜色的单纵模激光器双光束曝光制造而成。

对于彩色而言，包含一层膜，该层膜中的全息感光材料感全彩光，可通过三原色单纵模激光进行同时曝光或分次曝光制造而成；或包含两层膜，其中一层为感两种光的全息感光材料，而另一层为感另外一种光的全息感光材料，分别在对应激光器下双光束曝光制造而成并贴合为一体；或包含三层，每一层为一种感光材料，通过对应的三色激光器分别制造而成再贴合为一体。

从投影模块出来的光线基本与普通风挡玻璃垂直，出射的光线通过普通风挡玻璃后的反射光远离投向人眼的衍射光的方向，具体角度不做限制，比如±15°的范围内。

请参照图2，图2是基于光波导的无重影像的高能量利用率增强现实抬头显示系统，包括控制器200、图像生成单元201、光波导202。控制器200与车机相连且用于控制图像生成单元201显示的图像。图像生成单元201包含基于微显示芯片的投影系统，如LCoS，DMD，LCD等实现的投影系统以及基于激光扫描LBS的投影系统。图像生成单元201产生的准直图像光耦合进入光波导202后从光波导202的耦出区域耦出投射至位于普通风挡玻璃204内表面的全息光学元件203上被强烈衍射投射至观察者205。光波导202的类型为阵列光波导、浮雕光栅光波导或体全息光波导，具体类型不做限制，光波导的扩瞳模式为一维扩瞳光波导或二维扩瞳光波导，具体类型也不限制。

如图所示A′是来光波导202的一条光线，位于法线的靠近观看者205的一侧，根据反射定理可知，在全息光学元件203与空气的表面产生界面反射，反射光为B，位于法线的另一侧。全息光学元件203使得图像光A′照射其上时强烈的向人眼衍射，形成衍射光B′，衍射效率可达到70％以上，而全息光学元件203为一层透明的光学元件膜，有85％以上的透过率，人眼通过衍射光看到位于远处的虚像以及看到环境，达到增强现实的目的。部分未被全息光学元件203与空气表面反射及衍射的光会透过全息光学元件203后到达普通风挡玻璃的后表面发生反射，反射光反向传播透过普通风挡玻璃204及全息光学元件203后的光为C，反射光为远离观看者106的一侧，反射光和衍射光分离从而不可能同时进入人眼，从而避免了重影像的产生，且全息光学元件203的衍射效率可达到70％以上，从而相比于传统的方式(不高于20％)的反射率提升了能量利用率。

体全息光学元件的结构，彩色显示时的组合方式与图1所示例中介绍相同不做赘述。

从光波导202耦出的光线基本与普通风挡玻璃204垂直，出射的光线通过普通风挡玻璃204后的反射光远离投向人眼的衍射光的方向，具体角度不做限制，比如±15°的范围内。

图2所示基于光波导的无重影像的高能量利用率增强现实抬头显示系统相比于图1所示基于自由曲面反射镜组的无重影像的高能量利用率增强现实抬头现实系统，投影部分的体积大大减小，且对图像生成单元201的体积要求减少，具有更大的优势，是未来增强现实抬头显示发展的关键技术，具有更为广阔的应用前景。

本发明无重影像的高能量利用率增强现实抬头显示系统的有益效果是：

本发明通过上述技术方案：包括：图像生成单元、投影系统、全息光学元件、普通风挡玻璃、控制单元、和控制软件；图像生成单元用于产生所需显示的图像源；投影系统用于对图像源产生的图像进行投影放大；全息光学元件位于普通风挡玻璃内表面，用于接收来自投影系统的图像并将图像衍射至人眼观看区域，普通风挡玻璃用于承载全息光学元件；控制单元与车机系统相连接，用于存储及控制图像生成单元所需显示的图像；控制软件装载于控制单元的操作系统及应用软件，用于显示内容的控制；图像生成单元产生的图像光通过投影系统后，透射至位于普通风挡玻璃内表面的全息光学元件上，一部分光满足反射定理在全息光学元件与空气的接触面上产生反射，反射光反向传播至远离驾驶员一侧，而被全息光学元件强烈衍射的再现光投射至人眼，另外有一部分直透光在普通风挡玻璃外表面与空气界面发生反射，透过普通风挡玻璃后入射至远离驾驶员的一侧，解决了现有增强现实显示系统能量利用率低以及通过普通普通风挡反射存在重影像问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。