分割出瞳平视显示系统和方法技术方案

描述了分割出瞳（或分割眼箱）平视显示（HUD）系统和方法。所描述的HUD系统和方法利用分割出瞳设计方法，其实现模块化HUD系统并允许观察眼箱尺寸的HUD系统能够被调整同时减小总体HUD体积方面。HUD模块利用高亮度小尺寸微像素成像器，以生成具有给定观察眼箱段尺寸的HUD虚拟图像。当被一起集成到HUD系统时，显示相同图像的多个这种HUD模块会实现这种集成的HUD系统，以具有基本大于HUD模块的眼箱尺寸的眼箱尺寸。所得到的集成HUD系统的体积基本在体积上小于使用单个较大成像器的HUD系统。此外，集成的HUD系统可包括多个HUD模块，以缩放眼箱尺寸以匹配所打算的应用同时保持给定期望的总体HUD系统亮度。

Split pupil head up display system and method

A split eye (or split eye) head up display (HUD) system and method are described. The described HUD system and method utilize the split out pupil design method to implement modular HUD systems and allow the HUD system to observe eye case size to be adjusted while reducing the overall HUD volume. The HUD module uses a high brightness, small size, micro pixel imager to generate HUD virtual images with a given observer case size. When integrated into the HUD system, a plurality of such HUD modules displaying the same image implement the integrated HUD system with an eye size that is substantially larger than the eye size of the HUD module. The volume of the resulting integrated HUD system is substantially smaller in volume than the HUD system using a single larger imager. In addition, an integrated HUD system may include a plurality of HUD modules to scale the eye case size to match the intended application while maintaining the desired overall HUD system brightness.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】分割出瞳平视显示系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求2014年9月2日提交的美国临时专利申请No.62/044,831的权益。
技术介绍
1.
本专利技术一般涉及平视显示器（heads-updisplay，HUD），并且更具体地，涉及生成虚拟图像的HUD系统。2.现有技术引用的参考文献：[1]美国专利No.7,623,560，El-Ghoroury等人，QuantumPhotonicImagerandMethodsofFabricationThereof，2009年11月24日。[2]美国专利No.7,767,479，El-Ghoroury等人，QuantumPhotonicImagerandMethodsofFabricationThereof，[3]美国专利No.7,829,902，El-Ghoroury等人，QuantumPhotonicImagerandMethodsofFabricationThereof，[4]美国专利No.8,049,231，El-Ghoroury等人，QuantumPhotonicImagerandMethodsofFabricationThereof，[5]美国专利No.8,098,265，El-Ghoroury等人，QuantumPhotonicImagerandMethodsofFabricationThereof，[6]美国专利申请公开No.2010/0066921，El-Ghoroury等人，QuantumPhotonicImagerandMethodsofFabricationThereof，[7]美国专利申请公开No.2012/0033113，El-Ghoroury等人，QuantumPhotonicImagerandMethodsofFabricationThereof，[8]美国专利No.4,218,111，Withrington等人，HolographicHeads-upDisplays，1980年8月19日。[9]美国专利No.6,813,086，Bignolles等人，HeadUpDisplayAdaptabletoGivenTypeofEquipment，2004年11月2日。[10]美国专利No.7,391,574，Fredriksson，Heads-upDisplay，2008年6月24日。[11]美国专利No.7,982,959，Lvovskiy等人，Heads-upDisplay，2011年7月19日。[12]美国专利No.4,613,200，Hartman，Heads-UpDisplaySystemwithHolographicDispersionCorrecting，1986年9月23日。[13]美国专利No.5,729,366，Yang，Heads-UpDisplayforVehicleUsingHolographicOpticalElements，1998年3月17日。[14]美国专利No.8,553,334，Lambert等人，Heads-UpDisplaySystemUtilizingControlledReflectionfromDashboardSurface，2013年10月8日。[15]美国专利No.8,629,903，Seder等人，EnhancedVisionSystemFull-WindshieldHUD，2014年1月14日。[16]B.H.Walker，OpticalDesignofVisualSystems，Tutorialtestsinopticalengineering，国际光学工程学会（SPIE）出版，第139-150页，ISBN0-8194-3886-3，2000年。[17]C.Guilloux等人，VariluxSSeriesBrakingtheLimits[18]M.Born，PrinciplesofOptics，第七版，剑桥大学出版社，1999年，第5.3节，第236-244页。正在寻求作为可视辅助技术的平视显示器，其可通过使汽车驾驶员在不使其视线和注意力离开道路的情况下更加直观地意识到和获知汽车仪表板信息而有助于汽车安全。然而，当前可获得的平视显示器体积大且过于昂贵而不能成为供汽车中使用的一种可行的选择。在小型飞机和直升机的平视显示器的应用中遇到同样类型的困难，尽管在较小程度上是由于成本因素。在平视显示器汽车应用的情况下，各种各样的交通工具尺寸、类型和价格范围进一步加剧了体积和成本约束。因此，需要一种适合于在诸如汽车、小型飞机和直升机之类的小型交通工具中使用的低成本和小体积的平视显示器。现有技术HUD系统可分为两种类型：光瞳成像HUD和非光瞳成像HUD。光瞳成像HUD通常包括负责中间图像递送和光瞳信息的中继模块以及负责图像准直和观察者眼睛位置（本文中称为眼箱（eye-box））处的光瞳成像的准直模块。光瞳成像HUD的准直模块通常实现为倾斜弯曲的或平面的反射器或者全息光学元件（HOE），并且中继模块通常被倾斜用于使光路弯曲并补偿光学像差。非光瞳成像HUD通过显示器处的光锥角或在中间图像位置处通过扩散限定系统孔径。对于中间图像HUD系统，也需要中继模块，但是HUD孔径单独由准直光学器件来决定。准直光学器件通常具有轴对称性，但是具有折叠镜以满足体积约束。这由像差校正需要和系统体积方面来决定。在参考文献[8]中描述的现有技术（在图1-1中示出）使用凹面HOE反射器（图1-1中11）作为组合器和准直器以便最小化准直光学器件并减小HUD系统体积方面。结果得到的HUD系统需要复杂的倾斜中继光学器件（图1-1中10）以补偿像差并递送中间图像。另外，该HUD系统只对窄光谱起作用。在参考文献[9]中描述的现有技术（在图1-2中示出）使用中继光学器件（REL）模块，在会聚组合器（CMB）反射镜（图1-2中的CMB）的焦平面处递送中间图像并限定系统光瞳。CMB反射镜准直中间图像，并将系统光瞳成像到观察者的眼睛上以促进观察。该光瞳成像HUD方法总是涉及复杂的REL模块以用于封装和像差补偿。在参考文献[10]中描述的现有技术（在图1-3中示出）使用投影透镜（3）将中间图像投射在漫射表面（图1-3中51）上，作为图像源和半透明准直反射镜（图1-3中7）。准直反射镜在无限远处形成图像以及准直光学器件的孔径由扩散器的角宽度限定。在参考文献[11]中描述的现有技术（在图1-4中示出）使用包括两个液晶显示器（LCD）面板（图1-4中23）的图像形成源，以便在放置在准直光学器件模块（图1-4中1）的焦平面处的漫射屏（图1-4中5）上形成中间图像。图像形成源中的两个LCD面板的主要目的是实现足够亮度以用于所形成图像的可视性。为了实现该目的，图像形成源中两个LCD面板被配置成在漫射屏处形成两个连续的并排图像或在漫射屏处使水平和垂直相互移位半个像素的两个图像重叠。参考文献[12]中描述的现有技术使用一对反射全息光学元件（HOE），以实现全息色散校正并在观察者的视场内投射宽带显示源的虚拟图像。参考文献[13]中描述的现有技术也使用一对反射全息光学元件（HOE）；一个为透射的并且另一个为反射的，以将图像投射到交通工具风挡上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于交通工具的平视显示器，包括：多个模块，每个所述模块具有：固态发射像素阵列成像器；以及凹面镜，其被设置成准直、放大并反射由所述固态发射像素阵列成像器朝向交通工具风挡生成的图像，以形成在眼箱段内可见的虚拟图像；所述多个模块被设置成，使得各眼箱段合并以提供具有大于每个模块的眼箱的集合眼箱的平视显示器，所述集合眼箱位于交通工具的驾驶员的标称头部位置处。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.02 US 62/044831;2014.12.22 US 14/5800091.一种用于交通工具的平视显示器，包括：多个模块，每个所述模块具有：固态发射像素阵列成像器；以及凹面镜，其被设置成准直、放大并反射由所述固态发射像素阵列成像器朝向交通工具风挡生成的图像，以形成在眼箱段内可见的虚拟图像；所述多个模块被设置成，使得各眼箱段合并以提供具有大于每个模块的眼箱的集合眼箱的平视显示器，所述集合眼箱位于交通工具的驾驶员的标称头部位置处。2.根据权利要求1所述的平视显示器，其中：每个模块被配置和定位成在距交通工具风挡的相同位置处形成相应的虚拟图像，以及具有其相应眼箱段的每个模块被定位在相应模块的出瞳处，使得所述多个模块的相邻眼箱段重叠和合并以形成分割出瞳眼箱，从而在所述集合眼箱中呈现给交通工具的驾驶员的图像信息为在集合角视场上延伸的虚拟图像的角度复用视图。3.根据权利要求2所述的平视显示器，其中所述多个模块的眼箱段的重叠形成分割出瞳集合眼箱。4.根据权利要求2所述的平视显示器，其中每个模块的眼箱段的尺寸和所述平视显示器中模块的数量被选择成提供集合眼箱尺寸，以适应驾驶员头部位置的范围。5.根据权利要求2所述的平视显示器，其中所述平视显示器的分割出瞳眼箱使得平视显示器具有可调整尺寸的眼箱和体积方面，从而在使用相同的平视显示器模块时匹配各种各样的交通工具需求。6.根据权利要求2所述的平视显示器，其中所述集合眼箱具有通过结合一个或多个附加模块在宽度和/或高度上可扩展的尺寸。7.根据权利要求2所述的平视显示器，其中所述集合眼箱的边界为眼箱段重叠的区域，在该重叠的区域内虚拟图像的亮度跨所述集合眼箱在给定阈值内是均匀的。8.根据权利要求7所述的平视显示器，其中：眼箱段之间的重叠导致驾驶员对虚拟图像中任何点的感知以结合来自多个模块中多于一个模块的光学贡献，从而导致多个模块的个别凹面镜的像差引起的光学失真或光线方向偏差在虚拟图像中的任何点处被平均，减少驾驶员感知的任何游泳效应。9.根据权利要求1所述的平视显示器，其中所述凹面镜具有非球面的或自由形态的反射表面，从而选择所述反射表面的非球面的或自由形态的因素，以便将其光学像差最小化。10.根据权利要求9所述的平视显示器，其中所述固态发射像素阵列成像器各自包括平衡相应凹面镜产生的离轴失真和倾斜像差的相关光学器件，其中所述相关光学器件为单独的透镜光学元件或直接附着到相应的固态发射像素阵列成像器上。11.根据权利要求10所述的平视显示器，其中：多个凹面镜中的每一个凹面镜的孔径大小实现的像差，凹面镜的非球面的或自由形态的因素，以及固态发射像素阵列成像器相关联的光学器件的离轴失真和倾斜像差平衡效应共同使凹面镜导致的光学失真最小化，从而使平视显示器相关联的任何游泳效应最小化。12.根据权利要求1所述的平视显示器，其中每个模块提供光学孔径尺寸和像素分辨率，该像素分辨率提供比人类视觉系统在虚像位置处能够分辨的分辨率更高的分辨率，专门用于数字图像扭曲的另外的分辨率预补偿凹面镜产生的像差导致的残留光学失真，由此减少平视显示器的驾驶员感知的任何游泳效应。13.根据权利要求1所述的平视显示器，其中通过选择包括平视显示器的模块的数量，使得平视显示器的体积尺寸匹配交通工具仪表板区域中可用的体积。14.根据权利要求1所述的平视显示器，进一步包括：组件，所述组件具有：多个模块；多个光电检测器；以及控制器；所述多个光电检测器的每一个被放置在所述组件内，以检测从模块中的相应的一个的固态发射像素阵列成像器发射的光；所述控制器耦合到要显示的虚拟图像的图像数据源、所述光电检测器的输出和所述固态发射像素阵列成像器的输入，所述控制器响应所述光电检测器的输出以实现电子硬件和/或软件的控制功能来控制所述固态发射像素阵列成像器，以便确保跨集合眼箱的多个眼箱段的色彩和亮度的均匀性。15.根据权利要求14所述的平视显示器，其中所述控制器进一步包括用于耦合到用来控制交通工具仪表板亮度的交通工具环境光光电检测器的输出的连接。16.根据权利要求14所述的平视显示器，其中：图像数据源为驾驶员辅助系统，以及控制器中电子硬件和/或软件实现的控制功能包括：均匀性循环功能，其响应于光电检测器的输出以计算相应的色彩和亮度校正，并且将该校正耦合到要求提供跨平视显示器的集合眼箱的色彩和亮度的均匀性的相应的多个固态发射像素阵列成像器中的每个；第一控制功能，其合并由所述均匀循环功能利用要从用来控制交通工具仪表板亮度的交通工具环境光光电检测器传感器接收的输入计算的色彩和亮度校正；接口功能，其从交通工具的驾驶员辅助系统接收图像数据，结合到向每个固态发射像素阵列成像器提供的图像数据中，所述控制功能提供的特定色彩和亮度校正；以及第二控制功能，其用于通过提供针对相应的固态发射像素阵列成像器进行校正的图像数据，来控制所述多个固态发射像素阵列成像器中的每个。17.根据权利要求16所述的平视显示器，其中：所述控制器包括用于耦合至外部色彩和亮度调整输入的外部色彩和亮度连接，以及其中所述接口功能进一步包括接收外部色彩和亮度调节并将其结合到每个固态发射像素阵列成像器的图像数据中、由所述控制功能提供的特定色彩和亮度校正的能力；以及第二控制功能被配置成通过提供针对相应的固态发射像素阵列成像器进行校正并根据外部色彩和亮度调节来调整的图像数据，来控制多个固态发射像素阵列成像器。18.根据权利要求16所述的平视显示器，其中所述接口功能进一步被配置成实行数字图像扭曲，以预补偿凹面镜产生的像差导致的残留光学失真，由此减少驾驶员感知的游泳效应。19.根据权利要求14所述的平视显示器，其中所述控制器进一步包括用于耦合到环境光光电检测器的输出的连接，所述环境光光电检测器的输出通过控制多个固态发射像素阵列成像器相对于环境光光电检测器检测到的环境光亮度的发射亮度，被所述控制器用来控制平视显示器的虚拟图像的亮度。20.根据权利要求14所述的平视显示器，进一步包括形成光学接口窗口的玻璃罩，选择所述玻璃罩以衰减日光红外发射，以减小或阻止多个固态发射像素阵列成像器的每一个上的日光热负荷。21.一种用于交通工具的平视显示器，包括：多个模块，其中每个所述模块具有；固态发射像素阵列成像器；以及具有非球面的或自由形态的反射表面的凹面镜，其被设置成准直、放大并反射由所述固态发射像素阵列成像器生成的图像朝向交通工具风挡，以形成在眼箱段内可见的虚拟图像；所述多个模块被设置成提供具有大于每个模块的眼箱段的集合眼箱的平视显示器，所述集合眼箱位于交通工具的驾驶员的标称头部位置；每个模块被配置和定位成在距交通工具风挡的相同位置处形成相应的虚拟图像，以及具有其相应眼箱段的每个模块被定位在相应模块的出瞳处，使得所述多个模块的一些眼箱段重叠和合并以形成分割出瞳眼箱，从而在所述集合眼箱中呈现给交通工具的驾驶员的图像信息为在集合角视场上延伸的虚拟图像的角度复用视图。22.根据权利要求21所述的平视显示器，其中所述集合眼箱的边界为眼箱段重叠的区域，在该重叠的区域内虚拟图像的亮度跨所述集合眼箱在给定阈值内是均匀的。23.根据权利要求21所述的平视显示器，其中所述集合眼箱具有通过结合一个或多个附加模块在宽度和/或高度上可扩展的尺寸。24.根据权利要求21所述的平视显示器，其中所述固态发射像素阵列成像器各自包括平衡相应凹面镜产生的离轴失真和倾斜像差的...

【专利技术属性】
技术研发人员：HS埃尔古劳里，蔡靖波，庄奇理，M迈尔斯，
申请(专利权)人：奥斯坦多科技公司，
类型：发明
国别省市：美国,US