能够保形的平视显示器

技术领域

本发明通常涉及平视显示器（HUD），且更具体地涉及可使用交通工具挡风玻璃作为组合器（combiner）并能够进行保形以及不保形操作的HUD。

背景技术

平视显示器（HUD）在航天工业中变得日益普遍。已知的HUD一般包括至少投影仪、组合器和图像生成器。投影仪接收由图像生成器供应的图像，且HUD将通常包括光准直仪，诸如凸透镜或凹透镜，以产生被感知为在无限远处的图像。

组合器反射由投影仪投影的图像，其方式是这样的以便同时看到视场和投影的无限远图像。组合器通常被非常精确地设计和控制的光学元件，且可以是平的或弯曲的。一些组合器也可具有特殊涂层，其反射从投影仪投影在它上的某些波长的光，同时允许所有其它波长的光穿过。

传统现有技术HUD通常依赖于复杂的光学器件来满足对航空电子学使用的性能要求。这些性能要求包括精确的角度控制和在大到足以包括飞行员或其他用户的双眼的出射光瞳或网前箱（head box）之上的均匀性。作为示例，庞大的头顶（overhead）单元（OHU）的尺寸、重量和成本在很大程度上可由所需的性能水平驱动。

因此，存在对不依赖于复杂的光学器件来满足在航空电子学环境中使用所需的性能要求的HUD的需要。本发明至少解决这个需要。

发明内容

在一个实施例中，能够保形（conformal-capable）的平视显示系统包括投影仪和挡风玻璃。投影仪配置成分开地生成并投影预变形的右眼图像和预变形的左眼图像。挡风玻璃定位成接收预变形的右眼图像和预变形的左眼图像。挡风玻璃反射预变形的右眼图像以将所反射的右眼图像供应到右眼盒（right eyebox）并反射预变形的左眼图像以将所反射的左眼图像供应到左眼盒。所反射的右眼图像和所反射的左眼图像每个是无变形图像。

在另一实施例中，显示能够保形的平视显示图像的方法包括分开地生成并朝着挡风玻璃投影预变形的右眼图像和预变形的左眼图像。预变形的右眼图像由挡风玻璃反射以将所反射的右眼图像供应到右眼盒，且预变形的左眼图像由挡风玻璃反射以将所反射的左眼图像供应到左眼盒。所反射的右眼图像和所反射的左眼图像每个是无变形图像。

在又一实施例中，能够保形的平视显示系统包括投影仪和挡风玻璃。挡风玻璃具有一个或多个光学特性并定位成接收预变形的右眼图像和预变形的左眼图像。挡风玻璃配置成反射预变形的右眼图像以将所反射的右眼图像供应到右眼盒并反射预变形的左眼图像以将所反射的左眼图像供应到左眼盒。投影仪配置成基于挡风玻璃的一个或多个光学特性分开地生成预变形的右眼图像和预变形的左眼图像。投影仪还配置成朝着挡风玻璃投影预变形的右眼图像和预变形的左眼图像。所反射的右眼图像和所反射的左眼图像每个是无变形图像。

此外，根据结合附图和前述背景技术进行的随后的详细描述和所附权利要求，能够保形的平视显示系统和方法的其它希望的特征和特性将变得明显。

附图说明

将在下文中结合下面的绘制图形来描述本发明，其中相似的数字表示相似的元件，且其中：

图1描绘能够保形的平视显示系统的实施例的功能框图；

图2和3描绘可用于实施图1的系统的投影仪的两个不同的示例性实施例的功能框图；

图4到7描绘无变形、变形和预变形的图像视图的示例，其中预变形用于补偿否则变形的图像视图。

具体实施方式

下面的详细描述在性质上仅仅是例证性的，且并不旨在限制本发明或本发明的应用和使用。如本文使用的，词“示例性”意指“用作示例、实例、或例证”。因此，在本文被描述为“示例性”的任何实施例并不一定被解释为相比于其它实施例是优选的或有利的。本文描述的所有实施例是示例性实施例，其被提供以使本领域中的技术人员能够实现或使用本发明且并不限制由权利要求限定的本发明的范围。此外，没有意图由在前述技术领域、背景技术、发明内容或下面的详细描述中提出的任何明确的或暗示的理论限制。

参考图1，能够保形的平视显示系统100的一个实施例的功能框图被描绘并包括投影仪102和挡风玻璃104。投影仪102配置成分开地生成并投影右眼图像106-R和左眼图像106-L。挡风玻璃104定位成接收右眼图像106-R和左眼图像106-L，并将右眼图像106-R反射到右眼盒108-R以及将左眼图像106-L反射到左眼盒108-L。在进一步进行之前，注意，如在本文使用的术语“眼盒”相当于术语“眼睛运动的盒子（eye motion box）”。而且，在一些实施例中，眼盒108可采取光学系统的出射光瞳的形式。如在本文使用的术语“能够保形”指示所描述的（多个）实施例可配置成显示与通过挡风玻璃或其它图像组合器元件可观察的前向场景实质上共形（conformal）的成像，然而系统也可在非保形模式和应用以及具有对外部场景几乎没有看透（see-through）的配置中被使用。

投影仪102可不同地被配置成实施其功能，但在所描绘的实施例中，它包括投影单元112和一对图像生成器114——右眼图像生成器114-R和左眼图像生成器114-L。投影单元112接收由图像生成器114中的每个分开地生成的预变形的图像，并接着将预变形的图像投影到挡风玻璃104。将认识到，投影单元112可以被不同地实施。两个示例性实施方式在图2和3中被描绘，并将现在参考其被简要描述。在这么做之前，注意，所描绘的示例两者是展开的，且不包括由挡风玻璃104或任何其它折叠（folding）或校正光学器件（例如准直仪）的任何折叠。

首先参考图2中描绘的实施例，这个投影单元112包括右照明器202-R、左照明器202-L、透镜204和有源矩阵液晶显示器（AMLCD）206。AMLCD 206配置成在场连续模式中操作，并耦合成交替地接收和显示分别地由图像生成器114生成的预变形的右眼和左眼图像。右眼和左眼照明器202-R、202-L用来从背后照亮AMLCD 206，并使其计时同步，使得右眼照明器202-R照亮预变形的右眼图像且左眼照明器202-L照亮预变形的左眼图像。

将认识到，右和左照明器202-R、202-L可被实施为具有电子地可修改的光阀的单个相对较大的照明器，诸如LCD，以限定并适当地同步有效输出孔径。

可以是菲涅耳透镜等的透镜204被设置在右和左照明器202-R、202-L和AMLCD 206之间。透镜204被配置成使右和左照明器202-R、202-L中的每个分别重新成像到对应的右眼盒108-R和左眼盒108-L。在所示示例中，每个照明器的输出在放大的情况下被重新成像，但是其它配置当然是可能的。

如图2进一步描绘的，投影单元112另外包括运动机构208。所描绘的运动机构208耦合到并配置成选择性地移动右和左照明器202-R、202-L。在其它实施例中，运动机构208可替代地耦合到并配置成选择性地移动透镜204。虽然只描绘了一个运动轴，但是这不应以任何方式被解释为限制性的，且可实施其它平移或旋转运动轴。下面将进一步描述包括运动机构208的目的。

现在参考图3，示出了第二示例性实施例。这个实施例包括接收对应的预变形的右眼和左眼图像的右302-R和左302-L图像投影仪和透镜304（例如菲涅耳透镜）。然而，不是AMLCD 206，所描绘的实施例包括高增益扩散器306。高增益扩散器306在这个实施例中配置成用作后投影屏幕，投影仪聚焦在其上。扩散器306的增益轮廓（profile）被选择成展开视角并从而扩展右和左眼盒108-R、108-L，同时防止（或至少最小化）在右和左眼盒108-R、108-L之间的串扰（crosstalk）。如果需要，不对称增益轮廓可被选择成在一个方向（例如垂直方向）上而不是在其它上进一步展开放大眼盒。与图2的实施例一样，也可以可选地包括运动机构208以移动投影仪或菲涅耳透镜。

现在返回到图1，图像生成器114生成并单个地校正与观察者（例如飞行员）的每只眼相关的图像。也就是说，右眼图像生成器114-R生成与观察者的右眼相关的预变形的图像，并且左眼图像生成器114-L生成与观察者的左眼相关的预变形的图像。图像生成器114单个地使所生成的图像预变形，使得每个所显示的特征的所感知的双眼图像在被挡风玻璃104反射之后位于那个特征的期望目标位置处。优选地，期望目标位置具有对应于光学无限远或远距离的双眼聚散度。然而在一些实施例中，通过适当地移动右眼和左眼图像中的任一个或两者中的显示特征，图像生成器112可以能够将目标位置移动得更靠近，调整有效聚散度距离用于观察特征。

在进一步进行之前，现在将描述单个地和分开地使右眼和左眼图像预变形的原因。为了这么做，应首先参考图4，其描绘具有垂直的行和列线和方角的单个直线网格402。在下面的讨论中，假定这个单个直线网格402是由图像数据源114供应的并由投影单元112朝着挡风玻璃104投影的图像。另外假定这个图像还没有被预变形。

由挡风玻璃104反射到右和左眼盒108-R、108-L的对应示例性图像在图5中被描绘，并示出挡风玻璃104可如何使所反射的图像变形。特别地，变形的图像502描绘直线网格402可如何出现在右眼盒108-R处，且变形的图像504描绘直线网格402可如何出现在左眼盒108-L处。通常，该两个图像502、504将不重合（coincide），且强烈地取决于特定的挡风玻璃形状和观看配置的几个易误解的视觉线索（cue）可能产生。所描绘的系统100特别针对将易误解或甚至观看起来不舒服的聚散度线索最小化。与配置成特别和故意修改右和左图像的横向分离（被称为会聚和有关的潜在发散的聚散度线索的子集）以描绘深度或离观察者的表观距离的一些已知的显示系统（诸如立体显示器）不同，所描述的系统100基于特定的观察瞳孔位置在图像变形挡风玻璃的存在下补偿那个横向分离以消除欺骗性的和可能强烈的表观距离误差。

非对称挡风玻璃反射率轮廓（例如在图5中描绘的示例）的一个特别成问题的视觉异常是双目垂直角差（dipvergence），其是在右眼和左眼所看到的视图之间的垂直差异。这样的垂直差异观看起来非常不舒服，且清楚地存在于在图5中描绘的不同地变形的双眼视图中。在图5中描绘的示例另外地示出双目垂直角差和会聚两者可如何跨有效视场显著地变化。特别地，应看到左眼所看到的表观左上角506在如右眼看到的对应角508的上方和右边两者，而几何关系对于表观左下角512、514并且还有其它角是非常不同的。

本文描述的系统100通过将适当的但明显不同的几何校正因子（诸如，预变形）分开地应用于右和左图像数据使得两者将以优选地零双目垂直角差并以期望会聚度彼此重叠（overlay）来解决这些上面描述的差异。在图6和7中更清楚地示出这个功能。特别地，图6描绘预变形的右眼图像602、变形的图像502和将从右眼盒108-R看到的所得到的标称图像604，并且图7描绘预变形的左眼图像702、变形的图像504和将从左眼盒108-L看到的所得到的标称图像704。如图6和7清楚地描绘的，所得到的标称图像604、704是无变形的并对应于直线网格402。

在被期望出现在离开观察者的大的距离处（诸如，与完全被准直类似）的特征的情况下，通过调整变形-补偿的标称图像602和702的有效横向分离来将会聚进一步调整到零（诸如平行光线）以优选地匹配观察者的瞳孔间距离（IPD）。这样，所感知的双眼位置将在远距离处。特征的位置也可被调整成与不是正显示的图像的部分的特征或对象共形，但可在视场内看到，诸如通过挡风玻璃104或在挡风玻璃104的前方。这通过移动所显示的特征和可选地调整如观察者所看到的最终会聚来完成，但同时将观察者所看到的双目垂直角差保持到最小值，优选地零。以这种方式，每只眼将看到与对应的非图像特征或对象对准的所显示的特征，且这个保形性可被建立，假定提供适当的会聚度，不管对象在远处还是在附近。

再一次返回到图1，用作组合器的挡风玻璃104优选地是安装在诸如各种类型的飞行器、各种类型的陆运工具（例如汽车）或各种类型的水运工具之类的交通工具中的常规挡风玻璃。因此，挡风玻璃104未被特别设计有最佳光学特性，然而这样的优化是可选的，并可改进总性能。然而，挡风玻璃104的光学特性已被测量，且这些特性优选地存储在图像生成器114的每个中。这样，右眼图像106-R和左眼图像106-L不仅基于图像内容而且基于挡风玻璃104和可存在的任何可选的准直或校正光学器件的光学特性来生成。而且，挡风玻璃104相对于在接收右和左眼图像106-R、106-L的区域中的眼盒108的位置可以不是对称的。实际上，在一些实施例中，使右眼盒106-R与左眼盒106-L相关的对称轴不匹配挡风玻璃的任何对称轴（如果这样的对称轴甚至存在）。将认识到，所公开的系统100和方法也可使用各种其它组合器元件（例如非挡风玻璃）来实施，其中这样的校正将简化与精确设计的光学系统有关的光学要求。

在一些实施例中，图像生成器114可配置成针对挡风玻璃104的轻微变形主动补偿图像。例如，在一个实施例中，系统100可另外包括一个或多个挡风玻璃传感器118（诸如118-1、118-2、118-3…118-N）。每个挡风玻璃传感器118配置成感测表示挡风玻璃104的光学特性的一个或多个参数，并向投影仪102供应表示其的参数信号。将认识到，挡风玻璃传感器118的数目可变化。将另外认识到，每个传感器可不同地被配置和实施以感测可影响其光学特性的挡风玻璃104的各种参数。例如，挡风玻璃传感器118可感测挡风玻璃变形、移动或温度，仅举几例。将认识到，挡风玻璃传感器118可布置成与挡风玻璃104接触或远离挡风玻璃104。作为后者的一个示例，光源可指向挡风玻璃104，且反射光可由传感器监控以检测挡风玻璃104的变形。

不管所感测的参数的数目和类型，投影仪102且更具体地每个图像生成器114进一步配置成响应于参数信号来确定挡风玻璃104的光学特性。图像生成器114基于所确定的光学特性来针对挡风玻璃104的光学特性中的任何变化补偿所生成的右眼和左眼图像106-R、106-L。

在另一实施例中，系统100可替代地（或另外地）包括航空电子学数据源122。可使用单独的传感器、单独的系统或子系统或作为单个系统实施的航空电子学数据源122被配置成供应表示一个或多个航空电子学参数的航空电子学数据。航空电子学参数可以变化，但优选地是可影响挡风玻璃104的光学特性的参数。这样的航空电子学参数的一些非限制性示例包括高度、空速和压差，仅举几例。

再次，不管由航空电子学数据源供应的航空电子学数据的数目和类型，投影仪102且更具体地每个图像生成器114进一步配置成响应于航空电子学数据来确定挡风玻璃104的光学特性。图像生成器114基于所确定的光学特性来针对挡风玻璃104的光学特性中的任何变化补偿所生成的右眼和左眼图像106-R、106-L。

系统100可配置成使得眼盒108是静止的或动态的。如可认识到的，对于其中眼盒108不可移动的实施例，从其可以看到显示器的有用的头部运动的范围是有限的。在这些实施例的一些中，眼盒108保持固定在其位置上，但所显示的图像内容基于在眼盒内的每只眼的位置被动态地调整。在这些实施例中，每只眼的位置且更具体地每只眼的瞳孔的位置被确定，且诸如图像扭曲或变形校正（预变形）之类的图像补偿基于所确定的瞳孔位置被主动地（actively）应用于每个图像106-R、106-L的每个帧。

在其它实施例中，眼盒108的位置本身被动态地重新定位以跟随相应的眼的位置。因此，右眼盒108-R和左眼盒108-L的图像预变形和位置两者可分别随着观察者的右眼和左眼的位置而改变。在诸如这里和前面的段落中描述的动态实施例中且如图1进一步描绘的，系统可优选地包括瞳孔位置跟踪器（tracker）124。瞳孔位置跟踪器124配置成感测观察者的右眼和左眼的位置，并将表示每只眼位置的眼位置信号供应到投影仪102。应注意，瞳孔位置跟踪器124不一定被配置成感测并确定其中观察者可能正在注视的方向。更确切地，它配置成感测观察者的右眼和左眼的三维位置。

可使用许多已知的头部和/或眼跟踪方案中的任何一个来实施瞳孔位置跟踪器124。在一个实施例中，使用双照相机系统。在这个示例性系统中，每个照相机和相关的图像分析算法检测在相应的照相机图像中的每只眼瞳孔的位置。然后经由三角测量或图像对的相似分析来确定每只眼的真实空间位置。另外将认识到，用于动态地重新定位眼盒108的装置可改变。例如，系统100可包括在图2和3中描绘并在上面简要描述的运动机构208，以移动例如右和左照明器202-R、202-L或移动透镜204。在其它实施例中，系统100可替代地包括扫描镜系统或在投影单元112内电子地可寻址的照明源或孔径以改变眼盒位置，仅举几例。应注意，使用这些动态实施例中的每个，系统100也可配置成确定观察者的眼之一是否已经移动超出其相应的眼盒范围并进入相反的眼盒范围。例如，如果观察者的右眼移动到左眼盒108-L中且观察的左眼在左眼盒108-L之外，则瞳孔位置跟踪器124可将观察者的右瞳孔的位置提供到图像数据源114，使得观察者的右眼可观察其特定位置的适当校正的图像。

本文描述的这个系统和方法使用相对简单的HUD光学器件来实施，同时如果需要，则主动维持最小聚散度误差，特别是最小双目垂直角差误差以及高保形性。特别地，通过实施主动补偿，每个投影的眼盒的光学要求极大地被简化，这允许紧凑和低成本光学器件的使用。特别地，通过任何可选的另外光学器件进行的图像准直的所需程度可明显减小或可能消除。

本领域中的技术人员将认识到，结合本文公开的实施例描述的各种例证性逻辑块、模块、电路和算法步骤可被实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。在上面就功能和/或逻辑块部件（或模块）和各种处理步骤方面描述了实施例和实施方式中的某些。然而，应认识到，这样的块部件（或模块）可由配置成执行指定功能的任何数目的硬件、软件和/或固件部件来实现。为了清楚地说明硬件和软件的这个可互换性，各种例证性部件、块、模块、电路和步骤在上面已就其功能方面被一般性地描述。这样的功能是被实施为硬件还是软件取决于特定的应用和在整个系统上强加的设计约束。技术人员可以对每个特定的应用以变化的方式实施所描述的功能，但这样的实施方式决定不应被解释为引起从本发明的范围的偏离。例如，系统或部件的实施例可采用可在一个或多个微处理器或其它控制设备的控制下执行各种功能的各种集成电路部件，诸如存储器元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查找表等。另外，本领域中的技术人员将认识到，本文所述的实施例仅仅是示例性实施方式。

可使用设计成执行本文所述的功能的通用处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或其它可编程逻辑设备、分立门或晶体管逻辑、分立硬件部件或其任何组合来实施或执行结合本文公开的实施例描述的各种例证性逻辑块、模块和电路。通用处理器可以是微处理器，但替代地，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以被实施为计算设备的组合，例如DSP和微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核结合的一个或多个微处理器、或任何其它这样的配置。

结合本文公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接包含在硬件中、在处理器所执行的软件模块中、或在两者的组合中。软件模块可驻留于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域中已知的任何其它形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器，使得处理器可从存储介质读取信息并将信息写到存储介质。替代地，存储介质可与处理器整合。处理器和存储介质可驻留于ASIC中。ASIC可驻留于用户终端中。替代地，处理器和存储介质可作为分立部件驻留于用户终端中。

在本文献中，诸如第一和第二等之类的关系术语可以仅用于区分开一个实体或动作与另一实体或动作，而不一定需要或暗示在这样的实体或动作之间的任何实际的这种关系或顺序。数字序数，例如“第一”、“第二”、“第三”等仅仅表示多个中的不同单个，且并不暗示任何顺序或次序，除非由权利要求语言特别限定。在权利要求的任何一个中的文本的次序并不暗示过程步骤必须根据这样的次序以时间或逻辑顺序被执行，除非它被权利要求的语言特别限定。过程步骤可以按任何顺序被交换，而不偏离本发明的范围，只要这样的互换不与权利要求语言矛盾且在逻辑上不是无意义的即可。

此外，取决于上下文，在描述不同的元件之间的关系方面使用的词，例如“连接”或“耦合到”并不暗示必须在这些元件之间进行直接物理连接。例如，两个元件可物理地、电子地、逻辑地或以任何其它方式通过一个或多个另外的元件彼此连接。

虽然在本发明的前述详细描述中已经提出至少一个示例性实施例，但是应认识到，存在大量变形。还应认识到，一个或多个示例性实施例仅仅是示例，且并不旨在以任何方式限制本发明的范围、可应用性或配置。更确切地，前述详细描述将给本领域中的技术人员提供用于实施本发明的示例性实施例的方便道路图，应理解，可在示例性实施例中描述的元件的功能和布置方面进行各种变化，而不偏离如在所附权利要求中所阐述的本发明的范围。