КОНТРОЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСТРОЙСТВА БОРТОВОЙ ПРОЕКЦИОННОЙ ИНДИКАЦИИ (HUD)
CONTROL DEVICE FOR DEVICE OF ONBOARD PROJECTION INDICATION (HUD)

Настоящее изобретение относится к контрольному устройству для устройства бортовой проекционной индикации (head-up display - HUD), в частности, контактного аналогового HUD, к способу контроля такого HUD, и к использованию оптического элемента в таком контроле.
Современные автомобили все чаще снабжаются так называемыми устройствами бортовой проекционной индикации (HUD). С помощью проектора, например, в области приборной панели или в области крыши, изображения проецируются на ветровое стекло, отражаются там, и воспринимаются водителем как виртуальное изображение, находящееся (с его точки наблюдения) за ветровым стеклом. Таким образом, в поле зрения водителя могут быть спроецированы важные данные, например, текущая скорость движения, навигационные или предупредительные сообщения, которые водитель может воспринимать без необходимости отводить свой взгляд от дороги. Устройства бортовой проекционной индикации могут, таким образом, вносить значительный вклад в безопасность дорожного движения. Проекционное расстояние (расстояние между виртуальным изображением и водителем) общепринятого HUD для отображения статических данных обычно составляет приблизительно 2 м.
Более современный вариант HUD называется контактным аналоговым HUD или HUD с дополненной реальностью. Эти HUD отличаются большей HUD-областью (проекционной областью на стекле) и значительно большим проекционным расстоянием, составляющим по меньшей мере 5 м, обычно даже больше 7 м. Контактные аналоговые HUD открывают возможность больше не проецировать статически только считываемые данные на стекло, а вместо этого использовать оптическую информацию для идентификации элементов реальной среды транспортного средства - иллюстративными применениями этого являются оптическое обозначение границ дороги, оптическое выделение пешеходов на краю дороги, навигационные команды, находящиеся прямо на дороге, или обозначение транспортных средств, которые были распознаны системой помощи водителю. Большее проекционное расстояние создается посредством большей длины оптического пути лучей внутри проектора, например, посредством дополнительных зеркал и большего объема. Контактные аналоговые HUD известны, например, из документов DE102014001710A1, WO2014079567A1, US2013249942A1, US2014354692A1, US2014375816A1, и WO2013136374A1.
При разработке HUD принято исследовать оптическое качество изображения в контрольном устройстве. Ветровое стекло облучается блоком формирования изображения, генерирующим виртуальное изображение, соответствующее HUD-изображению, обычно в форме характеристической структуры из точек и линий. Это изображение захватывается через ветровое стекло блоком камеры из множества возможных положений глаз водителя. С использованием этих изображений можно затем подробно оценить возникновение искривлений, искажений, повторных изображений в результате множественных отражений для разных положений глаз.
В результате криволинейной геометрии общепринятых ветровых стекол и соответствующей кривизны поля изображения, виртуальное HUD-изображение не расположено в плоскости, а вместо этого также искривлено в пространстве. Это не является проблемой при контроле общепринятых HUD, поскольку изображение имеет относительно малую протяженность и, следовательно, может быть захвачено резко и полностью блоком камеры, несмотря на кривизну. Однако в случае контактных аналоговых HUD с их значительно более протяженным размером изображения, кривизна изображения может привести к тому, что части изображения будут всегда отображаться нерезко вследствие ограниченной глубины резкости блока камеры, что делает оценивание трудным или невозможным. Дополнительно, ошибки формирования изображения являются следствием астигматизма, поскольку излучение падает на ветровое стекло под углом относительно оптической оси.
Целью настоящего изобретения является обеспечение улучшенного контрольного устройства для устройства бортовой проекционной индикации (HUD), которое может быть также, в частности, использовано с контактными аналоговыми HUD.
Эта цель достигается согласно настоящему изобретению посредством контрольного устройства по пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления возникают на основании зависимых пунктов формулы изобретения.
Типичные контрольные устройства содержат по меньшей мере блок формирования изображения, устройство позиционирования, и блок камеры. Контрольное устройство согласно настоящему изобретению для устройства бортовой проекционной индикации (HUD), кроме того, включает в себя оптический элемент. Блок формирования изображения испускает излучение для генерирования виртуального изображения после отражения на ветровом стекле, подлежащего контролю, чье позиционирование и протяженность соответствуют более позднему HUD-изображению. Ветровое стекло, однако, облучается блоком формирования изображения не прямо, а непрямо через оптический элемент. Оптический элемент выполнен с возможностью отклонять излучение блока формирования изображения в направлении ветрового стекла, отклонять и, посредством этого, облучать HUD-область ветрового стекла для генерирования виртуального изображения. Устройство позиционирования выполнено с возможностью фиксировать ветровое стекло в заданном расположении относительно оптического элемента и блока формирования изображения. Ветровое стекло должно облучаться блоком формирования изображения так же, как позже HUD-проектором в транспортном средстве, так что изображение, генерируемое в контрольном устройстве, является хорошей моделью для более поздней HUD-проекции. Излучение блока формирования изображения должно, таким образом, падать в ту же область ветрового стекла, что и более позднее излучение HUD-проектора, и по существу под таким же углом падения и с такой же угловой апертурой. Блок камеры выполнен с возможностью захватывать виртуальное изображение через ветровое стекло из разных положений глаз. «Положения глаз» относятся к возможным положениям глаз более позднего зрителя/пользователя HUD.
Оптический элемент может уменьшить кривизну виртуального изображения в пространстве (кривизну поля изображения) таким образом, чтобы полное изображение могло быть резко захвачено блоком камеры, что является главным преимуществом настоящего изобретения. Для этого, оптический элемент реализуется таким образом, чтобы полное виртуальное изображение находилось в интервале глубины резкости блока камеры. Более точно, это означает, что протяженность изображения вдоль оптической оси (проходящей между блоком камеры и центром изображения) меньше или равна величине интервала глубины резкости блока камеры, чтобы можно было сфокусировать блок камеры на изображении таким образом, чтобы полное изображение находилось в этом интервале глубины резкости и, таким образом, отображалось резко. Строго говоря, изображение включает в себя наложение исходного изображения на повторное изображение, поскольку они оба должны быть отображены резко. В идеальном случае, исходное изображение расположено в одной плоскости, на которую блок камеры может быть сфокусирован. Однако допустимо небольшое отклонение от этой идеальной плоскостности, т.е. небольшая остаточная кривизна изображения. Допустимая степень кривизны зависит от используемой камеры и ее глубины резкости. Дополнительно к кривизне поля изображения, астигматизм может быть также скомпенсирован оптическим элементом согласно настоящему изобретению.
Одна из целей настоящего изобретения состоит в сокращении протяженности изображения; иначе невозможно будет захватить полное изображение в интервале глубины резкости камеры. Эта проблема возникает, в частности, в связи с контактными аналоговыми HUD. Следовательно, в предпочтительном варианте осуществления, без использования оптического элемента виртуальное изображение не могло бы полностью находиться в интервале глубины резкости блока камеры. Другими словами, протяженность изображения вдоль оптической оси без использования оптического элемента больше интервала глубины резкости блока камеры.
Другое преимущество настоящего изобретения состоит в том, что путь луча через оптический элемент является, так сказать, ломаным, в результате чего контрольное устройство может иметь значительно более экономную по объему конструкцию, которая является предпочтительной, в частности, в связи с контактными аналоговыми HUD и их большими проекционными расстояниями.
Настоящее изобретение также включает в себя способ контроля HUD, содержащий по меньшей мере следующие этапы, на которых:
(a) располагают ветровое стекло с HUD-областью посредством устройства позиционирования в заданном расположении относительно оптического элемента,
(b) облучают оптический элемент посредством блока формирования изображения, причем излучение отклоняется оптическим элементом в направлении ветрового стекла, и HUD-область облучается, причем посредством этого генерируется виртуальное изображение,
(c) захватывают виртуальное изображение посредством блока камеры из разных положений глаз,
причем оптический элемент (13) сконфигурирован таким образом, что полное виртуальное изображение (7) находится в интервале (Δd) глубины резкости блока (12) камеры.
Настоящее изобретение подробно описано ниже, причем предпочтительные варианты осуществления равным образом относятся к устройству и способу.
Оптический элемент предпочтительно является зеркалом, в частности, криволинейным зеркалом. Соответствующий расчет кривизны зеркала позволяет скомпенсировать нежелательную кривизну поля изображения виртуального изображения, а также любой астигматизм. Например, радиус кривизны зеркала может изменяться, начиная с центра, в направлении края для оказания влияния на расположение участков изображения, генерируемых соответствующими областями зеркала. При расчете зеркала, геометрия стекла, подлежащего контролю, имеет решающее значение; а также должно быть учтено положение блока камеры. Требуемый расчет, в частности, кривизны зеркала, может быть выполнен способами, принятыми в данной области техники, например, с использованием известных уравнений Коддингтона, в частности, с использованием так называемых способов отслеживания лучей. Оптический элемент особенно предпочтительно является хорошо отполированным металлическим зеркалом, которое может быть изготовлено с высокой точностью. Альтернативно, однако, могут быть также предложены другие оптические элементы, например, линзы с соответствующим профилем кривизны.
В предпочтительном варианте осуществления, оптический элемент, в частности, выполненный в виде зеркала, устанавливается не поворотно, а, вместо этого, статически. Таким образом может быть реализована более простая и менее подверженная ошибкам конструкция, обеспечивающая более высокую точность измерений и более быстрые измерения. Оптический элемент должен быть тогда рассчитан таким образом, чтобы весь глазной блок освещался одновременно. Это отличает оптический элемент согласно настоящему изобретению, в частности, от зеркала в HUD-проекторе, которое может облучать только ограниченное окно глазного блока и должно поворачиваться для покрытия всего глазного блока.
Контрольное устройство согласно настоящему изобретению, предпочтительно, особенно пригодно для контроля контактных аналоговых HUD (так называемых «устройств бортовой проекционной индикации с дополненной реальностью» (augmented reality head-up displays - AR-HUD)). Они имеют значительно большие проекционные расстояния (расстояния между изображением и зрителем), чем общепринятые HUD, и значительно большие проекционные изображения. В результате, эффект кривизны проекционного изображения становится более заметным, когда оно захватывается таким образом, что может оказаться невозможным захватить полное изображение с высокой резкостью, поскольку части изображения продолжаются за пределы интервала глубины резкости блока камеры. Этот эффект уменьшается устройством согласно настоящему изобретению. Общепринятые HUD имеют проекционные расстояния, меньшие 3 м, в то время как контактные аналоговые HUD имеют проекционные расстояния, большие (иногда значительно большие) 3 м. В результате, в особенно предпочтительном варианте осуществления, виртуальное изображение генерируют с проекционным расстоянием, большим 3 м, предпочтительно большим 4 м, особенно предпочтительно большим 5 м.
Проекционная установка для устройства бортовой проекционной индикации (HUD) содержит по меньшей мере ветровое стекло транспортного средства (в частности, моторного транспортного средства, например, пассажирского автомобиля) и проектор. Проектор облучает область ветрового стекла, где излучение отражается в направлении зрителя (водителя), посредством чего генерируется виртуальное изображение, которое зритель, расположенный в транспортном средстве, воспринимает со своей точки наблюдения как виртуальное изображение, находящееся за ветровым стеклом. Область ветрового стекла, которая может быть облучена проектором, называется HUD-областью. Проектор нацеливается на HUD-область. Направление облучения проектора может обычно изменяться зеркалами, в частности, вертикально, для адаптации проекции к размеру тела зрителя. Область, в которой глаза зрителя должны располагаться при данном положении зеркала, называется окном глазного блока. Это окно глазного блока может быть смещено вертикально посредством настройки зеркал, причем таким образом может быть доступна полная область (т.е., перекрытие всех возможных окон глазного блока), называемая глазным блоком. Зритель, расположенный в пределах глазного блока, может воспринимать виртуальное изображение. Это, конечно, означает, что глаза зрителя должны быть расположены в пределах глазного блока, а не, например, все тело. Глазной блок является, так сказать, суммой всех возможных расположений глаз зрителя, которые обычно называются положениями глаз. Луч, который проходит между проектором и центром глазного блока, обычно называется центральным лучом. Он является характеристическим эталонным лучом для расчета проекционной установки HUD.
Технические термины из области HUD, используемые здесь, обычно известны специалистам в данной области техники. Для получения полного представления следует обратиться к диссертации «Simulation-Based Metrology for Testing Head-Up Displays» за авторством Alexander Neumann, Informatics Institute of Munich Technical University (Munich: University Library of Munich TU, 2012), в частности, к разделу 2 «The Head-Up Display».
Восприятие HUD-проекции зависит от положения глаз. HUD обычно концептуально оптимизируют для центра глазного блока; и иногда, в случае других положений глаз, могут возникать искривления, более сильные повторные изображения, или другие нежелательные оптические эффекты. Это должно быть исследовано с использованием устройства согласно настоящему изобретению.
HUD-область ветрового стекла облучается посредством блока формирования изображения для генерирования виртуального контрольного изображения. Контрольное изображение является обычно структурой из точек и/или линий. Такие структуры могут быть затем легко оценены количественно в отношении оптических критериев. Структура может иметь предварительное искажение, чтобы любое искажение, неизбежно вызываемое ветровым стеклом, компенсировалось, и структура появлялась неискаженной в виртуальном изображении (по меньшей мере в отношении центрального луча). В предпочтительном варианте осуществления, блок формирования изображения содержит пластину и плоский источник света, который освещает пластину сзади. Структуру вводят в пластину в форме сквозных отверстий в стиле перфорированной пластины. Пластина может быть изготовлена, например, из металла или пластика. Альтернативно, однако, блок формирования изображения может быть, например, также реализован в виде дисплея (экрана), например, LED-, LCD-, или DLP-дисплея.
Излучение блока формирования изображения падает на оптический элемент и проецируется им на HUD-область ветрового стекла, зафиксированного в устройстве позиционирования. Устройство позиционирования является, например, держателем, в котором ветровое стекло зажимается таким образом, что его положение является воспроизводимым. Относительное расположение ветрового стекла, оптического элемента, и блока формирования изображения выбирают таким образом, чтобы излучение падало на ветровое стекло под тем же углом и с той же протяженностью, что и у излучения HUD-проектора, чтобы контрольное изображение было реалистичной моделью для HUD-проекции.
Виртуальное контрольное изображение, генерируемое таким образом, захватывается посредством блока камеры из разных положений глаз. Для этого может быть использована единственная камера, подвижно установленная, например, на руке робота таким образом, что она может быть перемещена между разными положениями глаз. Альтернативно, может быть использовано множество камер, каждая из которых связана с одним положением глаз. Перемещение во время контроля тогда становится ненужным, и камеры, следовательно, предпочтительно устанавливаются статически.
Изображения, захватываемые блоком камеры, затем анализируются с использованием программ обработки изображений, принятых в данной области техники. В частности, возникновение и интенсивность повторных изображений, искривлений, например, поворотных или трапецеидальных искривлений, и других оптических эффектов могут быть исследованы в зависимости от противоположения.
Ветровое стекло обычно содержит внешнее стекло и внутреннее стекло, соединенные друг с другом через термопластичный промежуточный слой. Ветровое стекло предназначено, в оконном проеме транспортного средства, для отделения внутренней среды от внешней среды. В контексте настоящего изобретения, «внутреннее стекло» относится к стеклу, обращенному к внутренней среде (внутренней среде транспортного средства). «Внешнее стекло» относится к стеклу, обращенному к внешней среде. Ветровые стекла обычно являются криволинейными, причем принятые радиусы кривизны находятся в диапазоне от приблизительно 10 см до приблизительно 40 м. В HUD-области, радиусы кривизны обычно составляют от 2 м до 20 м. Поверхность внутренней стороны внутреннего стекла по существу является вогнутой; поверхность внешней стороны внешнего стекла является выпуклой. «Поверхность внутренней стороны» относится к поверхности, которая обращена к внутренней среде транспортного средства в установленном положении. «Поверхность внешней стороны» относится к поверхности, которая обращена к внешней среде в установленном положении.
Как и в HUD, ветровое стекло в контрольном устройстве облучают, начиная с внутренней стороны. HUD-проектор и блок формирования изображения, таким образом, расположены на внутренней стороне ветрового стекла таким образом, что его внутреннее стекло обращено к ним. Ветровое стекло облучают через поверхность внутренней стороны внутреннего стекла.
Проблема так называемых повторных изображений является обычной в случае HUD. Проектор расположен во внутренней среде транспортного средства и его излучение падает на поверхность внутренней стороны внутреннего стекла, причем часть его отражается по направлению к глазам водителя и создает требуемое виртуальное изображение, которое водитель воспринимает со своей точки наблюдения как виртуальное изображение, находящееся за ветровым стеклом, т.е., снаружи. Большая часть излучения проходит через ветровое стекло, причем часть его снова отражается на поверхности внешней стороны внешнего стекла. Это вторичное отражение создает другое HUD-изображение - повторное изображение, которое отвлекающим образом воспринимается водителем как повторное изображение, немного смещенное относительно исходного изображения и имеющее меньшую интенсивность. Типичные ветровые стекла являются клинообразными, чтобы поверхность внутренней стороны внутреннего стекла и поверхность внешней стороны внешнего стекла были расположены под углом друг относительно друга для наложения повторного изображения на исходное изображение или по меньшей мере для уменьшения расстояния между ними таким образом, чтобы повторное изображение было менее отвлекающим. Однако, эта компенсация часто не идеальна, а также зависит от положения глаз.
Клинообразная форма ветрового стекла обычно обеспечивается посредством использования клинообразного термопластичного промежуточного слоя. Толщина промежуточного слоя является переменной, по меньшей мере на участках, в вертикальном направлении между верхним краем и нижним краем ветрового стекла. Здесь, «на участках» означает, что вертикальное направление между верхним краем и нижним краем имеет по меньшей мере один участок, на котором толщина промежуточного слоя изменяется в зависимости от положения, т.е., промежуточный слой имеет угол клина. Толщина промежуточного слоя является переменной по меньшей мере в HUD-области. Однако, эта толщина может также изменяться на множестве участков или по всему вертикальному направлению, например, может увеличиваться по существу непрерывно от нижнего края к верхнему краю. Термин «вертикальное направление» относится к направлению между верхним краем и нижним краем, причем это направление ориентировано по существу перпендикулярно верхнему краю. Поскольку в ветровых стеклах верхний край может сильно отклоняться от прямой линии, вертикальное направление в контексте настоящего изобретения более точно выражается в виде перпендикуляра к линии соединения между углами верхнего края. Промежуточный слой имеет, по меньшей мере на участках, конечный угол клина, т.е., угол клина, больший 0°, а именно, на участке, на котором толщина является переменной. Термин «угол клина» относится к углу между двумя поверхностями промежуточного слоя. Если угол клина не является постоянным, то касательные к его поверхности должны использоваться для его измерения в точке. Типичные углы клина находятся в диапазоне от 0,2 мрад до 1 мрад, в частности, от 0,3 мрад до 0,7 мрад. Угол клина может быть постоянным в вертикальном направлении, что приводит к линейному изменению толщины промежуточного слоя, причем эта толщина обычно и предпочтительно становится большей снизу вверх. Указание направления «снизу вверх» относится к направлению от нижнего края к верхнему краю. Однако могут присутствовать более сложные профили толщины, в которых угол клина линейно или нелинейно изменяется снизу вверх (другими словами, зависит от положения в вертикальном направлении).
В контактных аналоговых HUD или HUD с дополненной реальностью, отображение включает в себя не только информацию, проецируемую на ограниченную область ветрового стекла, но и элементы внешней среды. Примерами этого являются обозначение пешехода, указание расстояния до предыдущего транспортного средства, или проекция навигационных данных прямо на дорогу, например, для обозначения полосы движения, которая должна быть выбрана. Контактный аналоговый HUD отличается от общепринятого статического HUD тем, что проекционное расстояние больше 3 м, предпочтительно больше 4 м, обычно даже больше 5 м. В статических HUD, проекционное расстояние значительно меньше и обычно составляет приблизительно 2 м. В контексте настоящего изобретения, «проекционное расстояние» относится к расстоянию между виртуальным изображением и зрителем, т.е., как правило, головой водителя. Проекционное расстояние предпочтительно составляет по меньшей мере 7 м. Проекционное расстояние предпочтительно составляет самое большее 15 м.
В проекционной установке контактного аналогового HUD, проекционное расстояние для всех проецируемых изображений по существу постоянно. Даже проекции, которые зритель, как предполагается, будет субъективно воспринимать на разных расстояниях, в реальности имеют по существу одинаковое проекционное расстояние. Субъективное впечатление разных расстояний получают посредством геометрических оптических эффектов.
Расстояние между ветровым стеклом и виртуальным изображением принято называть «шириной изображения». Поскольку обычно голова водителя находится на расстоянии около 1 м от ветрового стекла, ширина изображения приблизительно на 1 м меньше проекционного расстояния. Следовательно, в качестве альтернативы проекционному расстоянию в качестве критерия с достаточной точностью может использоваться ширина изображения. Соответственно, ширина изображения предпочтительно больше 2 м, особенно предпочтительно больше 3 м, наиболее предпочтительно больше 4 м, и предпочтительно самое большее составляет 14 м.
HUD-область в случае контактного аналогового HUD обычно больше, чем в случае общепринятого статического HUD. В предпочтительном варианте осуществления, площадь HUD-области составляет по меньшей мере 7% от площади ветрового стекла, особенно предпочтительно по меньшей мере 8%. Площадь HUD-области статического HUD обычно составляет самое большее 4-5% от площади ветрового стекла.
Внутреннее стекло и внешнее стекло предпочтительно изготовлены из стекла, особенно предпочтительно, из натриево-кальциево-силикатного стекла, которое зарекомендовало себя в качестве оконного стекла. Однако, стекла могут быть также изготовлены из стекла других типов, например, боросиликатного стекла или алюмосиликатного стекла. Альтернативно, стекла могут быть, в принципе, изготовлены из пластика, в частности, поликарбоната или PMMA. Толщины внешнего стекла и внутреннего стекла могут, в принципе, свободно выбираться в контексте значений, принятых в данной области техники. Для общепринятых ветровых стекол, толщины отдельных стекол обычно находятся в диапазоне от 1 мм до 5 мм, в частности от 1,2 мм до 3 мм. Стандартные толщины стекол составляют, например 2,1 мм или 1,6 мм. Внешнее стекло, внутреннее стекло, и термопластичный промежуточный слой могут быть прозрачными и бесцветными, а также окрашенными или цветными. В предпочтительном варианте осуществления, общий коэффициент пропускания составного стекла больше 70%, в частности, когда составное стекло является ветровым стеклом. Термин «общий коэффициент пропускания» основан на процессе для контроля светопроницаемости окон моторных транспортных средств, описанном в документе ECE-R 43, приложение 3, §9.1.
Промежуточный слой обычно образуют посредством по меньшей мере одной термопластичной пленки, предпочтительно на основе поливинилбутираля (polyvinyl butyral - PVB), этиленвинилацетата (ethylene vinyl acetate - EVA), полиуретана (polyurethane - PU), или их смесей или сополимеров или производных, особенно предпочтительно, PVB. Толщина промежуточного слоя, измеряемая на его тонком конце в случае клинообразной пленки, обычно находится в диапазоне от 0,2 мм до 2 мм, в частности, от 0,5 мм до 1 мм.
Угол установки ветрового стекла обычно находится в диапазоне от 55° до 75° относительно горизонтали, в частности, от 60° до 70°, например, составляет около 65°.
Настоящее изобретение также включает в себя контрольную установку для HUD, содержащую контрольное устройство согласно настоящему изобретению и ветровое стекло, зафиксированное в устройстве позиционирования.
HUD, контролируемый согласно настоящему изобретению, предпочтительно используется в транспортном средстве, особенно предпочтительно в моторном транспортном средстве, наиболее предпочтительно в пассажирском автомобиле.
Настоящее изобретение также включает в себя использование оптического элемента для отклонения излучения блока формирования изображения на HUD-область ветрового стекла, чье расположение относительно оптического элемента фиксируется устройством позиционирования, причем генерируется виртуальное изображение, которое, в целях контроля, захватывается через ветровое стекло посредством блока камеры из разных положений глаз,
причем оптический элемент сконфигурирован таким образом, что полное виртуальное изображение находится в интервале глубины резкости блока камеры.
Ниже настоящее изобретение будет подробно объяснено со ссылкой на чертежи и иллюстративные варианты осуществления. Чертежи являются схематическими изображениями и приведены не в масштабе. Чертежи никоим образом не ограничивают настоящее изобретение.
Они показывают:
фиг. 1 - вид сверху ветрового стекла для HUD,
фиг. 2 - сечение ветрового стекла фиг. 1 в качестве проекционной поверхности для HUD,
фиг. 3 - вид сбоку контрольного устройства предшествующего уровня техники для HUD,
фиг. 4 - вид сбоку контрольного устройства согласно настоящему изобретению для HUD,
фиг. 5 - смоделированные иллюстративные изображения контрольного устройства предшествующего уровня техники фиг. 3 и контрольного устройства согласно настоящему изобретению фиг. 4, и
фиг. 6 - схематическую иллюстрацию протяженности виртуального изображения и интервала глубины резкости блока камеры.
Фиг. 1 показывает вид сверху ветрового стекла 1 проекционной установки HUD. Ветровое стекло 1 имеет верхний край О, нижний край U, и два боковых края, соединяющие их. Верхний край О указывает вверх, в установочном положении, по направлению к крыше транспортного средства (краю крыши); нижний край U указывает вниз по направлению к отсеку двигателя (краю двигателя). Ветровое стекло 1 имеет HUD-область В, которая, в установочном положении, может быть облучена HUD-проектором и облучается во время эксплуатации.
Фиг. 2 показывает сечение проекционной установки HUD, содержащей ветровое стекло 1 фиг. 1, а также HUD-проектор 5. Ветровое стекло 1 рассечено линией A-A‘ сечения. Ветровое стекло 1 содержит внешнее стекло 2 и внутреннее стекло 3, соединенные друг с другом через термопластичный промежуточный слой 4. Ветровое стекло 1 отделяет внутреннюю среду транспортного средства от внешней среды, причем, в установочном положении, внешнее стекло 2 обращено к внешней среде; внутреннее стекло 3 обращено к внутренней среде транспортного средства. Угол β установки относительно горизонтали составляет, например, 65°.
Внешнее стекло 2 и внутреннее стекло 3 изготовлены, например, из незакаленного натриево-кальциево-силикатного стекла. Внешнее стекло 2 имеет, например, толщину 2,1 мм; и внутреннее стекло 3 имеет, например, толщину 1,6 мм. Эти стекла являются общепринятыми для ветровых стекол. Толщина промежуточного слоя 4 непрерывно увеличивается в вертикальном направлении от нижнего края U к верхнему краю О с по существу постоянным углом α клина между двумя поверхностями. Промежуточный слой 4 образован из единственной пленки, изготовленной из PVB. Толщина промежуточного слоя 4 составляет, например, 1,0 мм на верхнем крае О и 0,76 мм на нижнем крае U. Посредством клинообразной реализации промежуточного слоя 4, два изображения, которые создаются при отражении изображения проектора на двух поверхностях внешнего стекла 2 и внутреннего стекла 3, отвернутых от промежуточного слоя 4, накладываются друг на друга. Следовательно, искажающие повторные изображения возникают в меньшей степени.
Проектор 5 нацелен на HUD-область В. Изображения должны создаваться в этой области проектором 5. Изображение проектора отражается в направлении зрителя 6 (водителя транспортного средства) ветровым стеклом 1. Таким образом создается виртуальное изображение 7, которое зритель 6, расположенный в транспортном средстве, воспринимает за ветровым стеклом 1 с его точки наблюдения. Расстояние между зрителем 6 и виртуальным изображением 7 называется проекционным расстоянием d. Расстояние между ветровым стеклом 1 и виртуальным изображением 7 называется шириной w изображения.
Эта проекционная установка является так называемым контактным аналоговым HUD или HUD с дополненной реальностью, которая характеризуется большим проекционным расстоянием d, составляющим, например, 10 м. Это позволяет включить среду в оптическое представление, посредством чего, например, полоса движения, которая должна быть выбрана, может быть явно спроецирована прямо на дороге в виде навигационной команды для зрителя 6. Дополнительно к большему проекционному расстоянию d, контактный аналоговый HUD также отличается от общепринятого HUD большей HUD-областью В, чья площадь составляет, например, 9% от площади ветрового стекла 1.
Область, в которой глаза зрителя 6 должны располагаться для восприятия виртуального изображения, называется окном глазного блока. Окно глазного блока может вертикально настраиваться зеркалами проектора 5 для адаптации HUD к зрителям 6 с разными размерами тела и разными сидячими положениями. Полная доступная область, внутри которой окно глазного блока может смещаться, называется глазным блоком Е.
В случае HUD может возникать несколько нежелательных оптических эффектов. С одной стороны, это включает в себя искажения отображения, такие как повороты или трапецеидальные искажения. С другой стороны, излучение проектора отражается на обеих внешних ветрового стекла 1, так что немного смещенное повторное изображение генерируется дополнительно к исходному изображению. Угол α клина предназначен для как можно большего наложения первичного изображения на повторное изображение, причем расчет угла клина обычно основан на центральном луче (луче между проектором 5 и центром глазного блока 5). Однако, возникновение оптических эффектов сильно зависит от положения глаз, т.е., от точного расположения зрителя в глазном блоке Е. Следовательно, возникновение эффектов должно контролироваться в зависимости от положения глаз, для чего используются контрольные устройства, которые образуют объект настоящего изобретения.
Фиг. 3 показывает типичное контрольное устройство предшествующего уровня техники для HUD. Ветровое стекло 1 для HUD зафиксировано в устройстве 11 позиционирования, которое определяет его расположение относительно блока 8 формирования изображения. Блок формирования изображения содержит пластину 9 с характеристической структурой перфораций (отверстий) в форме точек и/или линий, а также плоский источник 10 света, который освещает сзади пластину 9. Относительное расположение ветрового стекла 1 и блока 8 формирования изображения соответствует относительному расположению ветрового стекла 1 и HUD-проектора 5 в планируемом HUD, установленном в точке использования. HUD-область В ветрового стекла 1 облучается блоком 8 формирования изображения, причем виртуальное изображение 7 характеристической структуры точек и/или линий генерируется за ветровым стеклом 1. Излучение представлено серой стрелкой. Виртуальное изображение 7 захватывается блоком 12 камеры, например, камерой, прикрепленной к руке робота, из разных положений глаз в глазном блоке Е. Изображения блока 12 камеры могут быть затем подробно оценены с использованием программного средства для обработки изображений. Таким образом, в частности, нежелательные оптические эффекты, такие как возникновение повторных изображений или искажений, могут быть оценены количественно и в зависимости от положения глаз, чтобы сделать вывод о качестве HUD-изображения.
Как показано на фигуре, виртуальное изображение 7 является не плоским, а, вместо этого, криволинейным в пространстве, в частности, вследствие кривизны стекла. В частности, в случае относительно больших изображений 7, которые возникают в случае контактных аналоговых HUD, во время захвата могут возникнуть проблемы. Блок 12 камеры имеет ограниченный интервал глубины резкости, так что иногда невозможно захватить полное изображение с высокой резкостью. Вместо этого в каждой фокальной плоскости существуют области изображения 7, которые продолжаются за пределы интервала глубины резкости и, следовательно, захватываются нерезко. Это отрицательно влияет на оценивание изображений.
Фиг. 4 показывает, с другой стороны, контрольное устройство согласно настоящему изобретению для HUD. В отличие от контрольного устройства предшествующего уровня техники фиг. 3, ветровое стекло 1 не облучается блоком 8 формирования изображения прямо. Вместо этого, излучение отклоняется в направлении ветрового стекла 1 оптическим элементом 13. Излучение снова представлено серыми стрелками. Оптический элемент 13 может быть использован для оказания влияния на виртуальное изображение 7 таким образом, чтобы оно перестроилось таким образом, чтобы оно располагалось приблизительно в одной плоскости на фигуре. По меньшей мере кривизна изображения 7 уменьшается в такой степени, что его протяженность вдоль оптической оси является самое большее такой же, как интервал глубины резкости блока 12 камеры. Блок 12 камеры может быть тогда сфокусирован таким образом, чтобы полное изображение 7 захватывалось резко, и было возможно беспроблемное оценивание.
Оптический элемент 13 может быть, например, реализован в виде криволинейного зеркала, изготовленного из хорошо отполированной металлической пластины, причем влияние согласно настоящему изобретению на кривизну изображения 7 обеспечивается соответствующим профилем кривизны зеркала, при котором радиус кривизны изменяется соответствующим образом, начиная с центра зеркала, по направлению к боковым краям.
Фиг. 5 показывает смоделированные снимки примера настоящего изобретения и сравнительного примера. Фиг. 5(а) была основана на контрольном устройстве предшествующего уровня техники фиг. 3, в котором ветровое стекло 1 облучалось прямо блоком 8 формирования изображения из положения HUD-проектора. Можно ясно увидеть, что области изображения являются нерезкими, поскольку они не находятся в интервале глубины резкости блока 12 камеры. Напротив, фиг. 5(b) была основана на контрольном устройстве согласно настоящему изобретению фиг. 4 с асферическим зеркалом в качестве оптического элемента 13. Протяженность изображения 7 вдоль оптической оси может быть уменьшена оптическим элементом 13 таким образом, чтобы изображение 7 полностью находилось в интервале глубины резкости и было, соответственно, очень резким.
В каждом случае модели предполагали освещаемую сзади перфорированную пластину с двумерной структурой отверстий в качестве блока формирования изображения, проекционное расстояние 10 м, и размер изображения 1600 мм * 800 мм (измеряемый в плоскости виртуального изображения на расстоянии 10 метров от центральной камеры (точки глаза)). На фиг. 5(а), расстояние от перфорированной пластины до составного стекла составляет 10 м. На фиг. 5(b), расстояние от асферического зеркала до составного стекла составляет 300 мм.
f
n
Фиг. 6 показывает эффект, обеспечиваемый настоящим изобретением. Блок 12 камеры имеет ограниченный интервал Δd глубины резкости. При данном установочном параметре резкости, это является областью между дальней точкой d (самой дальней от блока 12 камеры точкой, которая является резкой) и ближней точкой d (самой ближней к блоку 12 камеры точкой, которая является резкой) вдоль оптической оси (соединяющей оси между блоком 12 камеры и центром изображения 12). Виртуальное изображение 7 является криволинейным в пространстве, главным образом, вследствие кривизны ветрового стекла 1. Это приводит к протяженности Δх изображения 7 вдоль оптической оси. Если протяженность Δх будет больше интервала Δd глубины резкости, то не будет существовать никакой фокальной плоскости, с использованием которой полное изображение 7 может быть отображено резко - оно всегда будет частично продолжаться за пределы интервала Δd глубины резкости (фиг. 6а). Оптический элемент 13 согласно настоящему изобретению уменьшает протяженность Δх таким образом, что она становится меньше интервала Δd глубины резкости. Теперь может быть выбрана фокальная плоскость, для которой полное изображение 7 отображается резко и может быть затем проанализировано (фиг. 6b). Для обеспечения возможности полностью сфокусировать отображаемое изображение 7 должно, в общем, выполняться следующее неравенство: Δх ≤ Δd.
Здесь, для простоты, изображение 7 показано в форме единственной линии. В реальности, протяженность Δх основана на совокупности исходного изображения и повторного изображения, поскольку они оба должны отображаться для анализа очень резко.
Перечень ссылочных позиций:
(1) ветровое стекло
(2) внешнее стекло
(3) внутреннее стекло
(4) термопластичный промежуточный слой
(5) проектор
(6) зритель/ водитель транспортного средства
(7) виртуальное изображение
(8) блок формирования изображения
(9) (металлическая) пластина со структурой перфораций
(10) плоский источник света
(11) устройство позиционирования для ветрового стекла
(12) блок камеры
(13) оптический элемент
(O) верхний край ветрового стекла 1
(U) нижний край ветрового стекла 1
(B) HUD-область ветрового стекла 1
α - угол клина промежуточного слоя 4
β - угол установки ветрового стекла 1 относительно горизонтали
d - проекционное расстояние/ расстояние между зрителем 6 и виртуальным изображением 7
w - расстояние изображения/ расстояние между ветровым стеклом 1 и виртуальным изображением 7
n
d - ближняя точка относительно блока 12 камеры
f
d - дальняя точка относительно блока 12 камеры
Δd - интервал глубины резкости блока 12 камеры
Δх - протяженность изображения 7 вдоль оптической оси
(E) глазной блок
A-A‘ - вертикальная линия сечения