汽车抬头显示装置的消除重影方法、抬头显示装置及介质
技术领域
本发明涉及汽车抬头显示技术领域，尤其涉及一种汽车抬头显示装置的消除重影方法、抬头显示装置及介质。
背景技术
在汽车行驶过程中，驾驶员低头查看仪表盘上显示的汽车行驶状态或其他信息，例如：车速、发动机水温、油耗等，会分散驾驶员的注意力，给安全行车带来隐患。汽车抬头显示装置(英文缩写：HUD)通过光学投影技术将汽车行驶状态信息形成的图像反射到驾驶员的眼睛里，这样驾驶员不需要低头就能够看到汽车行驶的状态信息，从而有效地保障了行车安全。
目前常用的一种汽车抬头显示装置的方案为：利用汽车前挡风玻璃作为反射表面的汽车抬头显示装置方案，但该方案的缺陷是如果汽车前挡风玻璃为普通的前挡风玻璃，反射成像会产生明显的重影现象，容易致使驾驶员视觉疲劳，进而危害安全驾驶。针对上述问题，目前的解决方案通常是特别订制汽车前挡风玻璃，订制的前挡风玻璃内部聚乙烯醇缩丁醛(英文缩写：PVB)夹层带有楔角即前挡风玻璃具有楔形PVB夹层，造成前挡风玻璃内、外表面不平行，即前挡风玻璃厚度不均匀，从而使得前挡风玻璃内表面反射光线形成的虚像和外表面反射光线形成的虚像在驾驶员的视线中完全重合，重影得以消除，在一定程度上较好地解决了显示图像的重影问题，但是，这种方法不仅涉及到特制汽车前挡风玻璃的PVB夹层的结构，无疑增加了抬头显示装置的成本和安装过程中的位置装调带来额外的工作量，而且随着该技术越来越多地被应用，人们发现重影现象并没有被楔形PVB夹层玻璃一劳永逸地完全消除，各种实际使用中的偏差例如：由于抬头显示装置的机械结构装调精度偏差、光学投影系统安装误差以及实际汽车前挡风玻璃表面面型是明显的弧形面并非是平面等，以上这些因素都会使得抬头显示装置偏离经过优化过后的无重影状态，再次出现重影，在此我们称之为残余重影，残余重影的出现同样影响用户对汽车抬头显示装置的体验。以上问题亟待进一步解决。
发明内容
本发明的目的在于通过一种汽车抬头显示装置的消除重影方法、抬头显示装置及介质，来解决以上背景技术部分提到的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
无论是有楔角还是没有楔角的所述前挡风玻璃反射成的所述内虚像和所述外虚像，驾驶员看到的所述内虚像和所述外虚像之间的关系共包括以下四种：1)所述内虚像和所述外虚像相互之间完全重合，2)所述内虚像和所述外虚像相互分离，之间有间隙，3)所述内虚像和所述外虚像相互之间既没有重叠，也没有间隙，4)所述内虚像和所述外虚像之间相互重叠，但不完全重合。
以下本发明技术方案仅涉及所述内虚像和所述外虚像之间关系3)和4)，关系1)和2)不是发明技术方案涉及的内容。
一种汽车抬头显示装置的消除重影方法，该方法包括：
确定源图像重影区域；其中，所述源图像重影区域是指虚像上重影区域根据光学系统成像的物、像之间的对应关系对应的所述源图像上的特定区域；所述虚像上重影区域是指驾驶员看到的相互之间既没有间隙也没有完全重合的内虚像和外虚像之间不重合的区域；所述内虚像是指汽车抬头显示装置中图像生成单元生成的所述源图像发出的成像光线直接被前挡风玻璃的内表面反射而形成的虚像；所述外虚像是指所述源图像发出的成像光线通过所述内表面折射进入所述前挡风玻璃后被所述前挡风玻璃的外表面反射而形成的虚像；
控制所述源图像重影区域发出的光强度沿设定方向，按照设定的方式变化，以使光亮度从所述内虚像过渡到所述虚像上重影区域时的突变调整为光亮度渐变区域，消除驾驶员看到的虚像重影。
特别地，所述控制所述源图像重影区域发出的光强度沿设定方向，按照设定的方式变化，以使光亮度从所述内虚像过渡到所述虚像上重影区域时的突变调整为光亮度渐变区域，消除驾驶员看到的虚像重影，具体包括但不限于：
控制所述源图像重影区域发出的光强度沿设定方向，按照设定的线性规律变化减小到某特定值或按照计算出的渐变函数变化减小到某特定值，以使光亮度从所述内虚像过渡到所述虚像上重影区域时的突变调整为光亮度渐变区域，消除驾驶员看到的虚像重影。
特别地，所述前挡风玻璃为不具有楔形PVB夹层的、厚度均匀的汽车普通前挡风玻璃。
特别地，所述前挡风玻璃为具有楔形PVB夹层的、厚度不均匀汽车前挡风玻璃。
本发明还公开了一种汽车抬头显示装置，该装置包括图像生成单元和投射镜片组；所述图像生成单元用于生成源图像；所述投射镜片组用于将所述源图像发出的光线投射到汽车前挡风玻璃上；其中，所述源图像发出的光线投射到所述前挡风玻璃的内表面直接被反射形成的虚像称为内虚像；所述源图像发出的光线通过所述内表面折射进入所述前挡风玻璃后投射到所述前挡风玻璃的外表面被反射形成的虚像称为外虚像；所述内虚像和所述外虚像发生重影的区域是指驾驶员看到的相互之间既没有间隙也没有完全重合的所述内虚像和所述外虚像之间不重合的区域，并称之为虚像上重影区域；所述虚像上重影区域根据光学系统成像的物、像之间的对应关系对应的所述源图像上的特定区域称为源图像重影区域；工作时，首先，确定所述源图像重影区域，然后，控制所述源图像重影区域发出的光强度沿设定方向，按照设定的方式变化，以使光亮度从所述内虚像过渡到所述虚像上重影区域时的突变调整为光亮度渐变区域，消除驾驶员看到的虚像重影。
特别地，所述控制所述源图像重影区域发出光强度沿设定方向，按照设定的方式变化，以使光亮度从所述内虚像过渡到所述虚像上重影区域时的突变调整为光亮度渐变区域，消除驾驶员看到的虚像重影，具体包括但不限于：
控制所述源图像重影区域发出的光强度沿设定方向，按照设定的线性规律变化减小到某特定值或按照计算出的渐变函数变化减小到某特定值，以使光亮度从所述内虚像过渡到所述虚像上重影区域时的突变调整为光亮度渐变区域，消除驾驶员看到的虚像重影。
特别地，所述前挡风玻璃为不具有楔形PVB夹层的、厚度均匀的汽车普通前挡风玻璃。
特别地，所述前挡风玻璃为具有楔形PVB夹层的、厚度不均匀的汽车前挡风玻璃。
本发明进一步公开了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本发明上述任一汽车抬头显示装置的消除重影方法。
本发明提出的汽车抬头显示装置的消除重影方法、抬头显示装置及存储介质通过控制源图像重影区域发出的光强度沿设定方向，按照设定的方式变化，将被驾驶员眼睛看到的光亮度从内虚像过渡到虚像上重影区域时的突变调整为光亮度渐变区域，从而消除驾驶员看到的虚像重影。本发明的技术方案对汽车抬头显示装置所应用的汽车前挡风玻璃类型并无限制，可以为不具有楔形PVB夹层的、厚度均匀的汽车普通前挡风玻璃，也可为现有汽车抬头显示方案中所采用的具有楔形PVB夹层的、厚度不均匀的汽车前挡风玻璃，同样的，本发明可以作为单独的汽车抬头显示消除重影方案，通过不具有楔形PVB夹层的、厚度均匀的汽车普通前挡风玻璃进行抬头显示，该方案与现有利用具有楔形PVB夹层的定制前挡风玻璃的抬头显示方案相比，实施过程简单，成本低，无疑降低了实施汽车抬头显示技术的成本和难度，本发明也能够和其他任何消除重影技术共同运用于抬头显示装置，对于已经采取其他任何消除重影的技术方案的抬头显示装置，通过进一步采用本发明的方案能够降低设计要求和安装、调试的精度要求，降低对设计技术参数的要求，例如，本发明可用于现有利用具有楔形PVB夹层的定制前挡风玻璃的抬头显示装置残余重影的消除。对于现有利用具有楔形PVB夹层的定制前挡风玻璃的抬头显示装置存在残余重影的原因在背景技术部分有说明，在此进一步说明如下：因为抬头显示装置的设计技术要求以及安装和调试必须保证整个抬头显示系统工作在设定的眼盒(Eyebox)大小/位置、下视角(LDA)大小、视场角(FOV)大小和虚像距离(VID)等参数设计和使用要求范围内，才能实现最佳的消除重影，偏离上述参数设计和使用要求，抬头显示装置就会偏离理想工作状态，进而导致出现残余重影。本发明技术方案提出的消除重影的方法，对已经采用了某种消除重影技术的抬头显示装置由于偏离设计技术和使用要求而产生的残余重影都能够进一步消除。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的汽车抬头显示装置工作原理图；
图2为本发明实施例一提供的局部放大的汽车抬头显示装置光学成像原理示意图；
图3-1、图3-2、图3-3、图3-4为本发明实施例一提供的源图像和驾驶员眼睛看到的虚像及重影示意图；
图4为本发明实施例一提供的局部放大的汽车抬头显示装置重影消除光学成像原理图一；
图5为本发明实施例一提供的局部放大的汽车抬头显示装置重影消除光学成像原理图二；
图6为本发明实施例一提供的局部放大的汽车抬头显示装置重影消除光学成像原理图三；
图7为本发明实施例一提供的消除重影效果比较示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
无论是有楔角还是没有楔角的所述前挡风玻璃反射成的所述内虚像和所述外虚像，驾驶员看到的所述内虚像和所述外虚像之间的关系共包括以下四种：1)所述内虚像和所述外虚像相互之间完全重合，2)所述内虚像和所述外虚像相互分离，之间有间隙，3)所述内虚像和所述外虚像相互之间既没有重叠，也没有间隙，4)所述内虚像和所述外虚像之间相互重叠，但不完全重合。以下本实施例提供的技术方案仅涉及所述内虚像和所述外虚像之间关系3)和4)，关系1)和2)不是本实施例提供技术方案涉及的内容。另外，具体实施方式中所述图像生成单元采用但不限于下述图像生成模块中的一种：TFT、LCD、OLED、mini-LED、LCOS、DLP、MEMS激光微投等或其他能够用于投影系统投影的图像生成单元，以及必要时使用的背光照明单元。为不失一般性，以下具体实施例方法不特别指出使用的具体图像生成模块。
实施例一
本实施例中汽车抬头显示装置的消除重影方法包括：
确定源图像重影区域；其中，所述源图像重影区域是指虚像上重影区域根据光学系统成像的物、像之间的对应关系对应的源图像上的特定区域；所述虚像上重影区域是指驾驶员看到的相互之间既没有间隙也没有完全重合的内虚像和外虚像之间不重合的区域；所述内虚像是指汽车抬头显示装置中图像生成单元生成的所述源图像发出的成像光线直接被前挡风玻璃的内表面反射而形成的虚像；所述外虚像是指所述源图像发出的成像光线通过所述内表面折射进入所述前挡风玻璃后被所述前挡风玻璃的外表面反射而形成的虚像。
控制所述源图像重影区域发出的光强度沿设定方向，按照设定的方式变化，以使光亮度从所述内虚像过渡到所述虚像上重影区域时的突变调整为光亮度渐变区域，消除驾驶员看到的虚像重影。
具体的，在本实施例中所述控制所述源图像重影区域发出的光强度沿设定方向，按照设定的方式变化，以使光亮度从所述内虚像过渡到所述虚像上重影区域时的突变调整为光亮度渐变区域，消除驾驶员看到的虚像重影，具体包括但不限于：控制所述源图像重影区域发出的光强度沿设定方向，按照设定的线性规律变化减小到某特定值或按照计算出的渐变函数变化减小到某特定值，以使光亮度从所述内虚像过渡到所述虚像上重影区域时的突变调整为光亮度渐变区域，消除驾驶员看到的虚像重影。
具体的，在本实施例中所述前挡风玻璃玻璃可以为不具有楔形PVB夹层的、厚度均匀的汽车普通前挡风玻璃，也可以为具有楔形PVB夹层的、厚度不均匀的汽车前挡风玻璃。
为了助于方案理解，下面将结合附图对本实施例提供的汽车抬头显示装置的消除重影方法的原理进行具体说明：
本实施例中将汽车行驶的方向、汽车、抬头显示装置和驾驶员眼睛的位置定义在一个xyz三维直角坐标系里，如图1所示，其中：+z轴方向为汽车行驶方向，+y轴方向垂直向上，+x轴方向垂直指向图面外，驾驶员眼睛4所在的位置位于xy平面内。
首先声明，本实施例中所有的附图仅是为了方便而准确描述本实施例技术方案的示意图，附图中的各线、面、物体和它们所成的像的长短、大小以及它们之间的距离和比例关系，仅仅是为了理解技术方案的示意图，而不是现实中的长短、大小以及它们之间的距离和比例，除非有特别说明。其次，本实施例技术方案是关于消除重影方法，不涉及光学系统的设计和优化问题，因此本实施例涉及的汽车抬头显示装置的光学系统被默认为成像质量和各种像差已经过设计优化。并且，本实施例所涉及的成像光线或光束均指从物体相关点发出的主光线或主光束，除非特别指出。另外，在下文中常用“光线”描述成像光传播方向和轨迹，实际中“光线”对应的是“光束”，所以在本实施例方案的描述中“光线”和“光束”之间互相通用。
再者，光强度(光功率)是指光源本身发出的光能量，光亮度是指人眼感受(看)到的发光物(或发光物体的像)发出的光能量，本专利技术方案中光线(光束)或点、面发出的光强度和人眼感受(看)到该光线(光束)或点、面的光亮度有着量值上的对应关系，因此描述光线(光束)或点、面发出的光强度和人眼感受(看)到该光线(光束)或点、面的光亮度是等效的，即描述光线(光束)或点、面发出的光强度相当于描述于人眼感受(看)到该光线(光束)或点、面的光亮度。
如图1所示，本实施例方案涉及的汽车抬头显示装置包括图像生成单元1和投射镜片组2，该抬头显示装置将要显示的信息通过汽车前挡风玻璃3反射到驾驶员眼睛里。所述图像生成单元1用于生成源图像，所述源图像显示的内容是汽车行驶状态参数或其他信息，如：车速、发动机水温、油耗等，供驾驶员在行车过程中随时查看。所述投射镜片组2用于将所述源图像发出的光线投射到汽车前挡风玻璃3上，并经所述汽车前挡风玻璃3反射至驾驶员眼睛4，其中所述投射镜片组2至少包括一凹面反射镜片。所述投射镜片组2将所述图像生成单元1生成的所述源图像发出的光线投射到所述汽车前挡风玻璃3上在光学原理上就是所述投射镜片组2将所述源图像投射到所述汽车前挡风玻璃3形成虚像，其结果是获得所述源图像的虚像5。所述源图像和所述虚像5分别位于所述前挡风玻璃的两侧，即所述源图像在所述前挡风玻璃车内部一侧，所述虚像5则位于前挡风玻璃车外部一侧。图1中区域10为所述前挡风玻璃上反射所述源图像发出的光线到驾驶员眼睛的区域。
汽车普通前挡风玻璃3由厚度均匀的三层结构组成：内侧玻璃31，外侧玻璃32和PVB夹层33，三层的总厚度为D，如图2所示。已知汽车前挡风玻璃的内、外两侧玻璃的光学折射率相同，并且PVB夹层的光学折射率和内、外两侧玻璃的光学折射率非常相近，以至于PVB夹层和前挡风玻璃内、外两侧玻璃之间的界面对光线的反射和折射效应忽略不计，另外，前挡风玻璃内、外两侧玻璃和PVB夹层对光线能量的吸收也忽略不计。
根据光学成像原理，汽车抬头显示装置中所述图像生成单元1生成的所述源图像上物50发出的光线经所述投射镜片组2和所述汽车前挡风玻璃3反射到位于xy平面上的驾驶员眼睛位置平面6，并在所述前挡风玻璃汽车外部一侧形成虚像，其中，所述源图像上物50发出的成像a光束经过所述前挡风玻璃的所述内侧玻璃31和车内空气接触的内表面(简称：内表面)反射的a1光束，其反向延长线相交于一个虚像51(简称：内虚像)，所述源图像成像a光束折射进入所述前挡风玻璃内部，再经所述前挡风玻璃的所述外侧玻璃32和车外空气接触的外表面(简称：外表面)反射后，再折射出所述前挡风玻璃的a2光束，其反向延长线相交于另一个虚像52(简称：外虚像)，如图2所示。
由于汽车前挡风玻璃有一定的厚度，导致所述内虚像和所述外虚像的空间位置不重合，且根据菲涅尔公式，形成所述内虚像的光线和形成所述外虚像的光线进入驾驶员眼睛的光强度也不一样。因此驾驶员能够看到亮度不同，空间位置不重合的所述内虚像和所述外虚像两个虚像，导致视觉上产生重影。
以汽车普通前挡风玻璃为例，已知所述汽车普通前挡风玻璃的所述内表面和所述外表面之间相互平行，根据光学原理计算，一束yz平面里的成像光束经过所述内表面直接反射到驾驶员眼睛位置平面6的反射光束a1和该成像光束折射进入所述前挡风玻璃内部后，被所述外表面反射后再次经过所述内表面折射到达驾驶员眼睛位置平面6的反射光束a2之间互相平行，这两条平行光束之间在y方向的距离为ΔH，定义ΔH大小为重影量，ΔH覆盖的区域为重影区域。
根据光学折射定律计算得到：
ΔH＝2D×tanθr×cosθi(1)
其中：D为前挡风玻璃的总厚度，θi为入射角，θr为折射角，如图2所示。
从公式(1)看出：ΔH和前挡风玻璃的总厚度D有关，也和成像光束的入射角θi、折射角θr有关。
由于所述内虚像是所述图像生成单元1生成的所述源图像发出的成像光线直接被所述内表面反射而形成的虚像，所述外虚像是所述源图像发出的成像光线折射进入所述前挡风玻璃后被所述外表面反射后，再次经过所述内表面折射后形成的虚像，所以根据光学菲涅尔公式得到，所述内虚像发出的光强度大于所述外虚像发出的光强度，设所述内虚像发出的a1光线在所述驾驶员眼睛位置平面6上A1的光强度为I，则所述外虚像发出的a2光线在所述驾驶员眼睛位置平面6上A2的光强度为q×I，其中：0＜q＜1，根据光学菲涅尔公式能够计算出q值大小。因此，驾驶员眼睛看到所述内虚像亮度比所述外虚像亮度高。
通过上述公式(1)能够计算出y方向上的重影值，同理，所述图像生成单元1生成的所述源图像沿任何方向投射到所述前挡风玻璃的光线在驾驶员眼睛位置平面6所处的xy平面内产生的重影量都能够被分解成x和y两个分量，用公式(1)分别计算出在x和y方向上的重影分量，进而得出总的重影量。为了方便推演本发明的技术方案，以下发明内容描述仅限于消除y方向重影分量，由于x方向重影分量消除方法类似，不再赘述。
本实施例提供的汽车抬头显示装置的消除重影方法是将所述内虚像过渡到所述虚像上的重影区域时的光强度(光亮度)突变用光强度(光亮度)渐变区域替代，已消除人眼的视觉上的重影。如图3所示，设所述源图像上有一发光亮度均匀的矩形图案ABCD，见图3-1，经过所述前挡风玻璃(具有楔形PVB夹层的或不具有楔形PVB夹层的均可)成像得到光亮度均匀的所述内虚像矩形A’B’C’D’，见图3-2和所述外虚像矩形A”B”C”D”，见图3-3。驾驶员眼睛位于眼睛位置平面6看到的虚像为所述内虚像和所述外虚像重叠图像，见图3-4。
图3-4中所述内虚像A’B’边和所述外虚像A”B”边之间为重影区域ΔH。由光学系统成像原理的物、像之间的对应关系，所述源图像(物)和被所述前挡风玻璃反射所成的所述内虚像(像)和所述外虚像(像)之间有着严格的一一相互对应的关系，所以能够得出如下对应关系：
一、所述源图像上的每个物点、线、面及其位置在所述内虚像上存在着唯一相对应的内虚像点、线、面及其对应位置；
二、所述源图像上的每个物点、线、面及其位置在所述外虚像上存在着唯一相对应的外虚像点、线、面及其对应位置；
三、所述源图像上的每个物点、线和面发出的光强度(或光亮度)在所述内虚像上存在着唯一对应内虚像点、线和面发出的光强度(或光亮度)；
四、所述源图像上的每个物点、线和面发出的光强度(或光亮度)在所述外虚像上存在着唯一对应外虚像点、线和面发出的光强度(或光亮度)。
因此根据上述对应关系，所述虚像上重影区域(像)对应着所述源图像(物)上的特定区域，本实施例中称之为：源图像重影区域。
设所述源图像上线L1和线L2(L1平行于L2)之间的部分为所述源图像重影区域，见图3-1，对应着所述内虚像上线L1’和线L2’(L1’平行于L2’)之间的部分为内虚像重影区域，见图3-2，同时也对应着所述外虚像上线L1”和线L2”(L1”平行于L2”)之间的部分为外虚像重影区域，见图3-3，换言之：所述源图像上线L1和线L2之间的部分，即所述源图像重影区域，见图3-1，经过所述前挡风玻璃成的所述内虚像是线L1’和线L2’之间的部分，即内虚像重影区域，见图3-2，经过所述前挡风玻璃成的所述外虚像是线L1”和线L2”之间的部分，即外虚像重影区域，见图3-3。
由于所述内虚像重影区域和所述外虚像重影区域的发光亮度均匀且不相同，导致重影现象。如果设定所述源图像重影区域的发光强度从线L2至线L1之间(沿线L1的垂线方向)逐渐按一定规律减小到某特定值，例如：按线性规律变化减小到某特定值或其他渐变函数变化减小到某特定值，则所述内虚像重影区域的发光亮度从线L2’至L1’之间(沿y方向)也会按照相同的规律减小到相应的值，所述外虚像重影区域的发光亮度从线L2”至L1”之间(沿y方向)也会按照相同的规律减小到相应的值。
最终致使从所述内虚像上线L2’至所述外虚像上线L1”之间的发光亮度逐渐减小，形成发光亮度渐变区域，从而实现了消除重影。
以上在驾驶员眼睛所在的xy平面分析了驾驶员眼睛看到的重影以及消除重影的方法。
为了本发明技术方案更加容易理解，接下来举例子就重影及其消除重影的方法在yz平面从成像光束轨迹追踪的角度加以分析。
举例一：所述内虚像和所述外虚像之间关系3)：所述内虚像和所述外虚像相互之间既没有重叠，也没有间隙的情况下重影的消除方法。
如图4所示，所述源图像上物50上发出a光束的一点A，a光束经所述前挡风玻璃所述内表面反射的a1光束，相交所述眼睛位置平面6于A1点，a光束经所述前挡风玻璃所述外表面反射的a2光束，相交所述眼睛位置平面6于A2点，A1和A2之间距离为ΔH，即为重影量。
同理，考察所述源图像上物50上发出c光束的另一点C，c光束经所述前挡风玻璃所述内表面反射为c1光束，相交所述眼睛位置平面6于C1点，c光束经所述前挡风玻璃所述外表面反射为c2光束，相交所述眼睛位置平面6于C2点，C1和C2之间距离为ΔH，即为重影量。
所述源图像上物50上A点至C点之间物点经过所述前挡风玻璃所成的所述内虚像为51，所述外虚像为52。通过控制：
1)所述源图像上物50上C点的位置，使得所述内虚像51和所述外虚像52之间在y方向上既没有重叠部分，也没有间隙，即使得光束a2和光束c1之间既不重叠，也没有间隙；
2)所述源图像上物50上C点发出的光强度，使得c1光束的光强度和a2光束的光强度相等；
3)所述源图像上物50上从A点到C点之间的发出的光强度变化逐渐减小到某特定值，例如：按线性规律减小到某特定值或其他渐变函数减小到某特定值。
通过以上3个控制，根据光学成像原理得出，所述眼睛位置平面6上C1点和A2点相连，既不重叠，也没有间隙，C1点的光强度等于A2点的光强度，所述源图像上物50介于A点和C点之间的物点所成的内虚像的光束与所述眼睛位置平面6相交的点位于A1点和C1点之间，且的光强度介于A1点和C1点的光强度之间。由于A点到C点之间的光强度逐渐变化，所以所述眼睛位置平面6上A1点到C1点之间的光强度逐渐变化。
同理，所述源图像上物50介于A点和C点之间的物点所成的外虚像光束和所述眼睛位置平面6的交点位于A2点和C2点之间，且A2点到C2点之间的光强度也是逐渐变化。
通过以上3个控制，所述眼睛位置平面6上，令A1点的光强度为I，则A2点和C1点的光强度为q×I，C2点的光强度为q×q×I，其中：0＜q＜1，根据光学菲涅尔公式能够计算出q值大小，或根据具体抬头显示装置的实际测量得出。由于A1点到C1点之间的光强度变化是渐变的，光学菲涅尔公式能够计算出A2点到C2点之间的光强度变化也是渐变的。
由于A2点和C1点相连，既不重叠，也没有间隙，所以最终驾驶员看到的A1点到C2点之间的光强度是渐变的，光强度渐变的范围为I至q×q×I，A1点到C2点的距离为2ΔH。
最终得到眼睛位于所述眼睛位置平面6的驾驶员看到的是光亮度渐变的区域，而非从所述内虚像过渡到所述外虚像时光亮度的突变，即：驾驶员看到的是所述源图像上物50的A至C点所形成的所述内虚像和所述外虚像拼接在一起，之间既没有重叠，也没有间隙，在眼睛位置平面6上为A1至C1和A2至C2拼接在一起，A1至C2之间光强度逐渐变化，从而达到消除重影目的。
由于光学系统成像中物和像之间的对应关系，所述眼睛位置平面6上A1到C1(以及A2到C2)之间的距离和光强度渐变规律对应着所述源图像上对应的两个的物点A点和C点之间的距离和发出光强度的渐变规律。因此，通过控制所述源图像上两个相关物点之间的距离和它们之间各点发出光强度的渐变规律，能够获得在所述眼睛位置平面6上渐变的光强度区域。从而实现以光强度渐变区域替代光强度突变区域，达到消除重影的目的。
根据光学成像理论且不失一般性，仅考虑yz平面的成像主光线，以下给出具体的数值计算实例，以方便定量化理解本发明技术方案。
设所述前挡风玻璃的光学折射率为n＝1.55，玻璃厚度为5mm，入射角度θi＝60°，则根据光学折射定律计算出折射角θr＝34°。
根据光学菲涅尔公式计算出：
所述源图像上成像光束以60°入射角从空气照射到所述前挡风玻璃和空气界面上的反射率为9.7％,透射率为90.3％。
所述源图像上成像光束以34°入射角从所述前挡风玻璃内部照射到所述前挡风玻璃和空气界面上的反射率为9.8％,透射率为90.2％。
为计算方便，令所述源图像中物50上A点发出的入射a光束的归一化光功率(光强度)为1mW，如图5所示，通过菲涅尔公式计算得到：
由所述内表面反射的a1光束的光强度为0.097mW；
由所述外表面反射的a2光束的光强度为0.079mW；
通过上述公式(1)计算得到：ΔH＝2D×tanθr×cosθi＝3.37mm。根据光学成像系统物和像的对应关系，以及光线轨迹追踪，控制并设定：
1)所述源图像中物50上C点的位置，使得所述内虚像51和所述外虚像52之间在y方向上既没有重叠部分，也没有间隙，即使得光束a2和光束c1之间相连，且既没重叠，也没有间隙；
2)所述源图像中物50上C点发出的光强度，使得c1光束的光强度和a2光束的光强度相等为0.079mW；
3)所述源图像中物50上A点到C点之间发出的光强度逐渐减小，例如：按线性规律变化或其他渐变函数变化减小。
为方便理解所述源图像上物点A点到C点之间的发出的光强度的渐变规律，在A点和C点连线的中点设一B点。B点发出的b光束被所述内表面反射的光束b1，其与所述眼睛位置平面6相交于B1，b光束被所述外表面反射的b2光束，其与所述眼睛位置平面6相交于B2。
根据光学菲涅尔公式得到c光束的光功率(光强度)应该设定为0.814mW才能获得c1光束的光强度为0.079mW。
令A点到C点之间光强度以线性规律变化，则得到b光束的光强度应为0.907mW。
由光学菲涅尔公式计算出：
b光束的光功率(光强度)为0.907mW，经过所述前挡风玻璃反射得到，
被所述内表面反射的光束b1的光强度为0.088mW
被所述外表面反射的光束b2的光强度为0.072mW
控制c光束的光功率(光强度)为0.814mW，经过所述前挡风玻璃反射得到，
被所述内表面反射的光束c1的光强度为0.079mW
被所述外表面反射的光束c2的光强度为0.065mW
且已设定：
a光束的光功率(光强度)为1mW，经过所述前挡风玻璃反射得到，
被所述内表面反射的a1光束的光强度为0.097mW
被所述外表面反射的a2光束的光强度为0.079mW
最终得出并验算确认所述眼睛位置平面6上A1、B1、C1(A2)、B2、C2各点的光强度成线性分布，即得出结论：如果从a光束至c光束光强度逐渐按线性规律减小到某特定值，则从A1点到C2点的光强度也逐渐按线性规律减小到某特定值。
光强度渐变区域总宽度：2ΔH＝6.74mm(A1至C2)。
光强度变化范围：0.097mW(A1)～0.065mW(C2)。
以上例举了所述源图像上的物点A点和C点成的所述内虚像和所述外虚像在y方向上相连，且既没有重叠，也没有间隙，即所述内虚像和所述外虚像在y方向上的大小相同，都是ΔH。根据光学系统成像的物、像对应关系，通过ΔH就可以计算出所述源图像上A点到C点之间的距离。
用上述所述内虚像或所述外虚像在y方向上拼接成的2ΔH大小的光亮度渐变虚像为光亮度渐变基本单元，通过使用不同数量的所述光亮度渐变基本单元的组合，能够组成相应的不同大小的光亮度渐变的虚像，即通过使用不同数量的所述光亮度渐变基本单元的组合，组成并得到相应的不同大小的所述内虚像和外虚像既没有重叠，也没有间隙，拼接在一起的光亮度渐变虚像，即最终得到不同大小没有重影的虚像。通过光学成像系统的物、像的对应关系，通过不同数量的所述光亮度渐变基本单元组合能够确定出所述源图像上对应的源图像的组合。
举例二：所述内虚像和所述外虚像之间关系4)：所述内虚像和所述外虚像之间相互重叠，但不完全重合的情况下重影的消除方法。
如图6所示，所述源图像上物50上A点至Q点，所述源图像上物50上A点至Q点之间物点经过所述前挡风玻璃所成的所述内虚像为51，所述外虚像为52。发出a光束的一点A，a光束经所述前挡风玻璃所述内表面反射的a1光束，相交所述眼睛位置平面6于A1点，a光束经所述前挡风玻璃所述外表面反射的a2光束，相交所述眼睛位置平面6于A2点，发出c光束的另一点C，c光束经所述前挡风玻璃所述内表面反射为c1光束，相交所述眼睛位置平面6于C1点，c光束经所述前挡风玻璃所述外表面反射为c2光束，相交所述眼睛位置平面6于C2点，其中，c1光束和a2光束重合，A2点和C2点之间即为所述虚像上重影区域。从A1点到C2点的光强度在C1(A2)点出现的突变，导致重影。A2(C1)点和C2点之间距离为ΔH，即为重影量。通过控制所述源图像上物50上A点到C点之间的发出的光强度变化逐渐减小至0，例如：按线性规律减小至0或其他渐变函数减小至0，并且不妨假设Q点和A点以及它们之间的点发出的光强度均匀不变。
根据光学成像原理得出，所述源图像上物50介于A点和C点之间的物点所成的内虚像的光束与所述眼睛位置平面6相交的点位于A1和C1之间，且光强度也介于A1点和C1点的光强度之间。由于A点到C点之间的光强度逐渐减小，所以所述眼睛位置平面6上A1点到C1点之间的光强度也逐渐减小。
同理，所述源图像上物50介于A点和C点之间的物点所成的外虚像光束和所述眼睛位置平面6的交点位于A2点和C2之间，且光强度也是逐渐减小。
由于所述内虚像和所述外虚像之间有重叠部分，例如：所述眼睛位置平面6上A1点到C1点之间，所以A1点和C1点之间的光强度是重叠部分的所述内虚像光强度和所述外虚像光强度的二者之和，而所述虚像上重影区域A2点和C2点之间的光强度仅是所述外虚像的光强度。
由于控制所述源图像物50上A点到C点之间的发出的光强度变化逐渐减小至0，使得所述内虚像c1光束的光强度为0。令A点的所述内虚像光束a1在所述眼睛位置平面6的光强度为I，则A1点的光强度为所述内虚像的光强度和所述外虚像的光强度两者之和，为I+q×I，此时C1点的光强度仅为所述外虚像a2光束的光强度为q×I，其中：0＜q＜1，根据光学菲涅尔公式能够计算出q值大小，或根据具体抬头显示装置的实际测量得出。
根据光学成像系统的物、像对应关系，A2点至C2点的光强度将按照所述源图像50物上A点到C点之间的发出的光强度相同的变化规律从q×I降至0。因此在所述眼睛位置平面6上A1点至C2点区域，光强度获得了从I+q×I降到q×I再降到0的渐变区域，该区域中没有光强度突变，从而消除了驾驶员看到的重影。
根据光学成像理论且不失一般性，仅考虑yz平面的成像主光线，以下给出具体的数值计算实例，以方便定量化理解本发明技术方案。
设所述前挡风玻璃的光学折射率为n＝1.55,玻璃厚度为5mm，
入射角度θi＝60°，则根据光学折射定律计算出折射角θr＝34°。
根据光学菲涅尔公式计算出：
所述源图像上成像光束以60°入射角从空气照射到所述前挡风玻璃和空气界面上的反射率为9.7％,透射率为90.3％。
所述源图像上成像光束以34°入射角从所述前挡风玻璃内部照射到所述前挡风玻璃和空气界面上的反射率为9.8％,透射率为90.2％。
A点到C点之间的发出的光强度变化逐渐减小至0。
为计算方便，令所述源图像中物50上A点发出的入射a光束的归一化光功率(光强度)为1mW，如图6所示，通过菲涅尔公式计算得到：
由所述内表面反射的a1光束的光强度为0.097mW；
由所述外表面反射的a2光束的光强度为0.079mW；
通过上述公式(1)计算得到：
ΔH＝2D×tanθr×cosθi＝3.37mm
A1点的光强度为0.097mW+0.079mW。
A2点(C1点)的光强度为0.079mW。
C2点光强度为0mW。
因此在所述眼睛位置平面6上A1点至C2点区域，光强度获得了从0.176mW降到0.079mW再降到0的渐变区域，该区域中没有光强度突变，从而消除了驾驶员看到的重影。
由于汽车抬头显示装置的所述图像生成单元1上的所述源图像被所述投射镜片组2放大后经过所述前挡风玻璃反射到驾驶员眼睛里，所述源图像和所述内、外虚像之间存在着一个放大倍率关系，因此眼睛位置平面6上的渐变区域ΔH除以放大被率即得出所述源图像上的与虚像上渐变区域ΔH对应的两个物点之间的距离。
同理，本实施例所提供技术方案消除y方向上重影的方法同样也适用于消除x方向上的重影。
为了使本技术领域的人员更好地理解本实施例提供的技术方案，以上实施例对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的实施举例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所推演出所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
汽车抬头显示装置中图像生成单元上生成的源图像是二维图像，所述源图像能够分解成为两个正交的分量，例如：X分量和Y分量，通过分别消除X和Y方向上的重影就能够达到消除XY平面上任何方向上的重影的目的。以上为描述方便，同时也不失去一般性，本实施例中仅阐述在一个分量方向上，例如：Y方向上，消除重影的方法实施例。
根据光学系统成像原理，通过控制设定所述源图像上对应的物点之间距离和发出的光强度按一定规律逐渐减小至特定值，能够实现将所述眼睛位置平面6上的所述内虚像和所述外虚像之间光亮度不相同产生光亮度突变转化为光亮度渐变区域，驾驶员就看不到重影的虚像，看到的是光亮度渐变的虚像。不失去一般性，例如在本具体实施方式实施例中所述图像生成单元可以采用美国德州仪器的投影技术数字光处理(DLP)模块DLP3030-Q1。DLP3030-Q1主要特性：1)通过汽车认证，2)0.3英寸对角线微镜阵列、7.6μm微镜间距、±12°微镜倾斜角(相对于平面)，3)采用侧面照明以提高效率，4)WVGA(864×480)分辨率，5)偏振无关型空间光调制器，6)与LED或激光光源兼容，7)可通过偏光眼镜看到图像，8)低功耗：105mW(典型值)、工作温度范围：-40℃至105℃，9)具有2.5℃/W热效率的密封封装，10)可实现系统内验证的JTAG边界扫描，11)78MHz DDR DMD接口。DLP3030-Q1模块应用于汽车抬头显示装置能够与LED或激光器配合使用，以生成具有125％以上NTSC色域的深度饱和颜色并支持24位RGB三种基色的视频输入，生成图像光亮度渐变调节高动态范围，达5000:1调光范围，足以满足本发明所述源图像的发出的光强度(源图像光亮度)的渐变要求。
消除重影的效果比较示意图如图7所示，图中701为消除重影处理前的源图像，702为消除重影处理前的源图像所成的所述内虚像，703为消除重影处理前的源图像所成的所述外虚像，704消除重影处理后的源图像，即经过渐变处理后发出渐变光强度的源图像，705为消除重影处理后的源图像生成的渐变光强度的虚像。消重影处理前的源图像为一方框，见701，在采用汽车普通前挡风玻璃作为反射表面的情况下产生重影的所述内虚像和所述外虚像，见702和703，经过渐变处理后的源图像(即消重影处理后的源图像)，见704，使用经过渐变处理后的源图像，同时采用汽车普通前挡风玻璃作为反射表面的情况下获得的消除重影虚像，见705。
在背景技术中也有提到，汽车抬头显示技术领域里众所周知，利用具有楔形PVB夹层的、厚度不均匀的汽车前挡风玻璃作为反射表面的抬头显示装置在一定程度上同样较好地解决了显示图像的重影问题。但随着该技术越来越多地被应用，人们发现重影现象并没有被楔形PVB夹层玻璃一劳永逸地完全消除，各种实际使用中的偏差，例如：由于汽车抬头显示装置的机械结构装调精度偏差、光学投影系统安装误差、以及实际汽车前挡风玻璃表面面型是明显的弧形面并非是平面等，以上这些因素都会使得抬头显示装置偏离经过优化过后的无重影状态，再次出现重影，在此我们称之为：残余重影。理论分析同样能证明残余重影的存在。由于本实施例提供的汽车抬头显示装置的消除重影方法将所述内虚像过渡到所述虚像上重影区域时的光亮度突变转化成光亮度渐变区域方法的原理只涉及重影消除，不涉及重影来自汽车普通前挡风玻璃的重影，还是来自具有楔形PVB夹层的汽车前挡风玻璃的残余重影，所以本实施例提供的消除重影方法不但适用于没有楔形PVB夹层的、厚度均匀的汽车普通前挡风玻璃为反射表面的汽车抬头显示装置，同样也能够用来消除利用具有楔形PVB夹层的汽车前挡风玻璃作为反射表面的汽车抬头显示装置的残余重影，该残余重影的出现是由于汽车抬头显示装置偏离了优化后的工作状态。
根据本实施例提供的汽车抬头显示装置的消除重影方法将被确定的所述源图像重影区域发出的光强度沿设定方向，按照设定的线性规律变化减小到某特定值或按照计算出的渐变函数变化减小到某特定值，这样使得所述内虚像和所述外虚像上根据光学系统成像的物、像之间的对应关系对应的区域也同样产生相应的光亮度渐变，所述内虚像上光亮度渐变和所述外虚像上光亮度渐变在驾驶员眼睛里融合成为一个统一的光亮度渐变区域，从而达到消除重影的目的。上述内容对如何从虚像上的光亮度突变区域转换成为光亮度渐变区域有详细的描述，在此不再赘述。
通过以上说明可见，利用非楔形PVB夹层的、厚度均匀的汽车普通前挡风玻璃作为反射表面的汽车抬头显示装置产生的重影和利用有楔形PVB夹层的、厚度不均匀的汽车前挡风玻璃作为反射表面的汽车抬头显示装置产生的残余重影都能够通过本发明技术方案消除。同理，利用汽车前挡风玻璃作为反射表面的抬头显示装置其他原因产生的重影或残余重影都能够用本发明提出的技术方案消除。
由此可见，本实施例提供的汽车抬头显示装置的消除重影方法能够单独运用于利用非楔形夹层的、厚度均匀的汽车普通前挡风玻璃作为反射表面的汽车抬头显示装置消除重影，也能够和其他任何消除重影技术方案共同运用于汽车抬头显示装置，以达到进一步消除其他消除重影技术方案中出现的残余重影。
实施例二
本实施例公开了一种采用上述实施例一所述汽车抬头显示装置的消除重影方法的抬头显示装置，该装置包括图像生成单元和投射镜片组；所述图像生成单元用于生成源图像；所述投射镜片组用于将所述源图像发出的光线投射到汽车前挡风玻璃上；其中，所述源图像发出的光线投射到所述前挡风玻璃的内表面被反射形成的虚像称为内虚像；所述源图像发出的光线投射到所述前挡风玻璃的外表面被反射形成的虚像称为外虚像；驾驶员眼睛看到的相互之间既没有间隙也没有完全重合的所述内虚像和所述外虚像之间不重合区域称为虚像上重影区域；所述虚像上重影区域根据光学系统成像的物、像之间的对应关系对应的所述源图像上的特定区域称为源图像重影区域；工作时，首先，确定所述源图像重影区域，然后，控制所述源图像重影区域发出的光强度沿设定方向，按照设定的方式变化，以使光亮度从所述内虚像过渡到所述虚像上重影区域时的突变调整为光亮度渐变区域，从而消除驾驶员看到的虚像重影。具体的，在本实施例中所述控制所述源图像重影区域发出的光强度沿设定方向，按照设定的方式变化，以使光亮度从所述内虚像过渡到所述虚像上重影区域时的突变调整为光亮度渐变区域，消除驾驶员看到的虚像重影，具体包括但不限于：控制所述源图像重影区域发出的光强度沿设定方向，按照设定的线性规律变化减小到某特定值或按照计算出的渐变函数变化减小到某特定值，以使光亮度从所述内虚像过渡到所述虚像上重影区域时的突变调整为光亮度渐变区域，消除驾驶员看到的虚像重影。具体的，在本实施例中所述前挡风玻璃可以为不具有楔形PVB夹层的、厚度均匀的汽车普通前挡风玻璃，也可为具有楔形PVB夹层的、厚度不均匀的汽车前挡风玻璃。在本实施例中所提出的汽车抬头显示装置实现重影消除的方法同上述实施例一，在此不再赘述。
实施例三
本实施例公开了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述实施例一、实施例二中汽车抬头显示装置的消除重影方法。
本发明提出的技术方案通过控制源图像重影区域发出的光强度沿设定方向，按照设定的方式变化，将被驾驶员眼睛看到的光亮度从所述内虚像过渡到所述虚像上重影区域时的突变调整为光亮度渐变区域，从而消除驾驶员看到的虚像重影。本发明的技术方案对汽车抬头显示装置所应用的前挡风玻璃类型并无限制，可以为不具有楔形PVB夹层的、厚度均匀的汽车普通前挡风玻璃，也可为现有汽车抬头显示方案中所采用的具有楔形PVB夹层的、厚度不均匀的汽车前挡风玻璃，同样的，本发明可以作为单独的抬头显示消除重影方案，例如通过不具有楔形PVB夹层的、厚度均匀的汽车普通前挡风玻璃进行抬头显示，该方案与现有利用具有楔形PVB夹层的定制汽车前挡风玻璃的抬头显示方案相比，实施过程简单，成本低，无疑降低了实施汽车抬头显示技术的成本和难度，也能够和其他任何消除重影技术共同运用于抬头显示装置，对于已经采取其他任何消除重影的技术方案的抬头显示装置，通过进一步采用本发明的方案能够降低设计要求和安装、调试的精度要求，降低对设计技术参数的要求，例如，本发明可用于现有利用具有楔形PVB夹层的定制汽车前挡风玻璃的抬头显示装置的残余重影的消除。对于现有利用具有楔形PVB夹层的定制玻璃的抬头显示装置存在残余重影的原因在背景技术部分有说明，在此进一步说明如下：因为抬头显示装置的设计技术要求以及安装和调试必须保证整个抬头显示系统工作在设定的眼盒(Eyebox)大小/位置、下视角(LDA)大小、视场角(FOV)大小和虚像距离(VID)等参数设计和使用要求范围内，才能实现最佳的消除重影，偏离上述设计技术和使用要求，抬头显示装置就会偏离理想工作状态，进而导致出现残余重影。本发明技术方案提出的消除重影的方法，对已经采用了某种消除重影技术的汽车抬头显示装置由于偏离设计技术和使用要求而产生的残余重影都能够进一步消除。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
