本揭所討論的實施例概略涉及光學、抬頭顯示器(hud)和擴增實境(ar)系統(tǒng)，并且特別是牽涉到光學元件和裝置的配置與排布以藉由改善景深來增強和/或改善視覺人體工學。

背景技術(shù)：

1、抬頭顯示器(hud)是一種透明顯示器，無需要求觀看者移開他們的視線就能呈現(xiàn)資訊。典型的hud包含組合器、光投影裝置(稱為「投影機」或「投影單元」)，以及視訊/影像產(chǎn)生電腦裝置。組合器通常是位于觀看者正前方的一塊玻璃，它可以重定向來自投影機的投影影像，以便同時看到真實世界環(huán)境和投影的虛擬影像。投影機通常是一個光學單元，包含具有陰極射線管的透鏡或鏡子、發(fā)光二極體(led)顯示器或產(chǎn)生影像的液晶顯示器(lcd)。然而，這些經(jīng)典的hud經(jīng)常會產(chǎn)生光學像差，并且需要多個反射鏡或透鏡來校正這些像差。全像hud(hhud)通常包含雷射投影機以及作為組合器的全像光學元件(hoe)。有些hhud是將hoe放置在顯示器螢?zāi)粌?nèi)，像是汽車或飛機的擋風玻璃或風遮裝置。

2、當實作在像是汽車或飛機等載具內(nèi)時，hud可以減少車輛操作員將目光從擋風玻璃上移開的持續(xù)時間與頻率。然而，基于hud的擴增實境(ar)應(yīng)用在一定程度上受到限制，原因在于狹窄的視場以及固定的虛擬影像距離。這些限制使得將虛擬影像匹配或以其他方式投影到相關(guān)的真實物體變得困難。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本揭示描述用于擴增實境(ar)系統(tǒng)，像是抬頭顯示器(hud)和/或全像hud(hhud))，之光學元件的各種配置和排布。本案的實施例藉由提供sdof來改善視覺人體工學。這種立體景深(sdof)是透過ar系統(tǒng)中虛擬影像表面(vis)的形狀及方向所創(chuàng)建。ar系統(tǒng)之各種光學元件的配置和排列，例如后文所述，提供vis的形狀和指向，其可產(chǎn)生sdof。當這類ar系統(tǒng)是實作于車輛內(nèi)的hud或hhud(統(tǒng)稱為「(h)hud」)時，改善的視覺人體工學可提供改進的駕駛舒適性與安全性。

2、第一個傳統(tǒng)的hud，像是美國專利案no.10,814,723所討論者，可透過vis在垂直視場(fov)方向上的傾斜來達到sdof，且因此，位于fov下部區(qū)域的虛擬物體看起來比位于fov上部區(qū)域的虛擬物體更靠近。換言之，第一個傳統(tǒng)hud提供垂直fov方向上的sdof，其傾向于比水平fov顯著地較為狹窄(至少兩倍)。此外，狹窄的垂直fov限制了提供足夠的sdof以供顯著地改善視覺人體工學。此外，在第一個傳統(tǒng)hud中的sdof的困難顯著改善，雖然保持虛擬物體的可用尺寸不變，但是不會超過立體閾值(亦即觀察者不會感知到是傾斜的)，這是由于fov垂直尺寸的限制所造成的。

3、第二個傳統(tǒng)的hud，像是日本申請案no.2017227681所討論者，可藉由形成具有彎曲形狀的vis來達到sdof。然而，彎曲形狀的凸側(cè)是遠離觀察者。在第二個傳統(tǒng)hud中，fov的中心區(qū)域內(nèi)的虛擬物體看起來比fov的側(cè)面區(qū)域上的虛擬物體更遠。視覺人體工學的這種限制導致駕駛舒適性及駕駛安全性方面的缺陷，并且是由前文描述的彎曲vis空間定向所造成的。因此，出現(xiàn)在vis側(cè)面并且顯示駕駛方向虛擬物體(例如，導航箭頭或其他圖形元素/物體)的虛擬介面元素與被觀察者看到的真實駕駛方向的自然感知會不一致。此外，存在有這種風險：vis的中心部分將會要不與本車輛前方的移動車輛相交，要不位于本車輛前方的移動車輛前方，這會對車輛視覺感知的舒適度產(chǎn)生負面影響。

4、此外，前文述及的第二個傳統(tǒng)hud的vis空間方向提供虛擬物體表示的倒轉(zhuǎn)視角。這意味著距離觀察者較遠的虛擬物體將比距離觀察者較近的虛擬物體具有更大的角度尺寸，這與三維(3d)空間的自然感知不一致。此外，第二個傳統(tǒng)hud增加sdof會很困難，原因是光學系統(tǒng)的固有性質(zhì)對fov大小的限制之故。這里，fov大小的增加也會影響系統(tǒng)尺寸。

5、傳統(tǒng)hud的主要缺點(例如前文所討論者)是有限制的視覺人體工學。有限制的視覺人體工學與sdof所提供的價值不足有關(guān)。增加傳統(tǒng)hud中sdof的能力是受限于fov大小以及未被感知為傾斜之虛擬物體的可用大小。有限的視覺人體工學導致駕駛舒適性和駕駛安全性的缺點。這些缺點是由其凸側(cè)遠離觀察者的虛像形狀所引起的。

6、與傳統(tǒng)的hud相比，本揭所討論的光學系統(tǒng)/裝置能夠改善視覺人體工學。特別地，與傳統(tǒng)的hud相比，本揭所討論的光學系統(tǒng)/裝置提供較大的sdof。這個較大的sdof是由vis的適當形狀及空間指向提供，能夠?qū)@示的虛擬物體(例如，hud系統(tǒng)產(chǎn)生的物體/影像)與真實物體(例如，透過車輛擋風玻璃看到的物體)相一致。vis的正確形狀和空間指向也降低vis中心區(qū)域與車輛前方行駛之車輛相交的可能性。以這些方式，本揭所討論的光學系統(tǒng)/裝置提高操作車輛時的舒適度與安全性。

技術(shù)特征：

1.一種光學系統(tǒng)，其中包含：

2.如權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中該單調(diào)增加的光學路徑長度從視場(fov)的中心點在hfov的方向上單調(diào)地增加。

3.如權(quán)利要求2所述的光學系統(tǒng)，其中第一主光線與該vis的法線之間的第一角度小于第二主光線與該vis的法線之間的第二角度，其中第一主光線比第二主光線更靠近該fov的中心，并且第一和第二主光線均沿著該hfov的方向瞄準。

4.如權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中該vis具有圓柱形形狀，該圓柱形形狀的凸側(cè)朝向觀察者，并且該圓柱形形狀具有準線，其為在該hfov的方向上延伸的連續(xù)曲線。

5.如權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中該組合器包含具有正光倍率的全像光學元件(hoe)。

6.如權(quán)利要求5所述的光學系統(tǒng)，其中該hoe的光倍率在1.1至6.6屈光度之間。

7.如權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中該校正光學組件包含至少一個光學元件，并且該至少一個光學元件包含復(fù)數(shù)個表面。

8.如權(quán)利要求7所述的光學系統(tǒng)，其中該多個表面形成為包含所述至少一個旋轉(zhuǎn)非對稱光學表面和一或多個附加光學表面的三維形狀，其中該一或多個附加光學表面中個別附加的光學表面系選自于由平面、球面、非球面、圓柱、環(huán)形、雙圓錐、自由形狀所組成的群組。

9.如權(quán)利要求7所述的光學系統(tǒng)，其中該至少一個光學元件是棱鏡，該些多個表面包含至少兩個折射光學表面和至少一個反射光學表面，并且該至少一個光學元件系經(jīng)形成為使得至少一個反射光學表面為設(shè)置在該些至少兩個折射光學表面中的個別折射光學表面之間。

10.如權(quán)利要求9所述的光學系統(tǒng)，其中該至少一個旋轉(zhuǎn)非對稱光學表面是該些至少兩個折射光學表面其中之一。

11.如權(quán)利要求9所述的光學系統(tǒng)，其中該些至少兩個折射光學表面中的第一表面為球形表面、非球形表面、雙錐表面或自由形狀表面；并且該些至少兩個折射光學表面的第二表面為球形表面、非球形表面、雙錐表面或自由形狀表面。

12.如權(quán)利要求9所述的光學系統(tǒng)，其中該至少一個反射光學表面為平面、球形表面、非球形表面、圓柱形表面、環(huán)形表面、雙錐表面或自由形狀表面。

13.如權(quán)利要求9所述的光學系統(tǒng)，其中該些至少兩個折射光學表面中的各者為自由形狀光學表面，并且該至少一反射光學表面是平面光學表面。

14.如權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中該光學系統(tǒng)是或被包含在具有改進的視覺人體工學的擴增實境(ar)抬頭顯示器(hud)裝置中。

15.一種具有改進的視覺人體工學的擴增實境(ar)抬頭顯示器(hud)裝置的光學系統(tǒng)，該光學系統(tǒng)包含：

16.如權(quán)利要求15所述的光學系統(tǒng)，其中該單調(diào)地增加的光學路徑從視場(fov)的中心點沿hfov的方向單調(diào)地增加。

17.如權(quán)利要求15所述的光學系統(tǒng)，其中該至少一個旋轉(zhuǎn)非對稱光學表面被配置為基于自該pgu傳播的光線形成彎曲虛擬影像表面(vis)，并且其中該彎曲vis具有圓柱形狀，彎曲vis的頂點的指向為朝向觀察者，并且彎曲vis的準線是在hfov方向上延伸的連續(xù)曲線。

18.如權(quán)利要求17所述的光學系統(tǒng)，其中該校正光學組件包含至少一光學元件，并且該至少一光學元件包含至少兩個折射光學表面和至少一個反射光學表面。

19.如權(quán)利要求18所述的光學系統(tǒng)，其中該至少一光學元件形成為具有棱柱形狀，并且該至少一反射光學表面設(shè)置在該些至少兩個折射光學表面中的個別折射光學表面之間。

20.如權(quán)利要求18所述的光學系統(tǒng)，其中該至少一旋轉(zhuǎn)非對稱光學表面是該些至少兩個折射光學表面之一，并且該些至少兩個折射光學表面中的另一者是平坦或平面表面、球形表面、非球形表面、圓柱形表面、環(huán)形表面、雙錐表面或自由形狀表面中的其中之一，并且其中該至少一反射光學表面為平面表面、球形表面、非球形表面、圓柱形表面、環(huán)形表面、雙錐表面或自由形狀表面中的其中之一。

21.如權(quán)利要求18所述的光學系統(tǒng)，其中該些至少兩個折射光學表面中的各者為自由形狀光學表面，并且該至少一反射光學表面是平面光學表面。

技術(shù)總結(jié)
所揭示的實施例是有關(guān)于擴增實境(AR)抬頭顯示器(HUD)裝置的光學系統(tǒng)。所揭示的光學系統(tǒng)在AR?HUD裝置中的實作可藉由提供增強的立體景深(SDoF)來改善視覺人體工學。SDoF是藉由形成虛擬影像表面(VIS)的適當形狀和空間方向而創(chuàng)建的，其中凸面為指向使用者或觀察者。當這種AR?HUD裝置的光學系統(tǒng)實作于車輛中時，改進的視覺人體工學可提高駕駛舒適度與安全性。

技術(shù)研發(fā)人員：安德烈·米凱爾洛維奇·貝爾金,克希妮亞·伊戈列芙娜·洛沃娃,維塔利·安德烈維奇·波諾馬洛夫,安東·阿列克謝維奇·謝耶比那,米凱爾·亞歷山德烈維奇·斯衛(wèi)里奇亞斯基
受保護的技術(shù)使用者：蘇菲亞·梨波
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9