[发明专利]包括使图像在不同平面上显示的全息光学设备的观察系统

说明书

本发明的领域涉及包括使图像在不同平面上显示的全息光学设备的观察系统。该观察系统包括屏幕(D)和光学准直设备，该光学准直设备包括两个通过反射工作的全息光学元件(HOE1、HOE2)，第一全息光学元件离屏幕更近，第二全息光学元件离观察者更近。在根据本发明的系统中，屏幕以第一波长显示第一物体，而以第二波长显示第二物体。每个全息光学元件包括两个全息光学处理(TH1、TH2、TH3、TH4)，每个处理能够反射两个波长中的一个并且透射另一个波长。第一全息光学元件和第二全息光学元件排布为使得在距离屏幕的第一距离处形成第一物体的图像(I1)，并且在距离屏幕与第一距离不同的第二距离处形成第二物体的图像(I2)。

技术领域

本发明涉及这样的观察系统的领域：该观察系统使得图像以叠加在外部景观上的方式投影在距观察者一定距离处。这些系统特别是用于飞行器驾驶舱，以向驾驶员提供关于领航或导航的信息。其它的应用也是有可能的，特别是在机动车辆运输的领域。

背景技术

存在被称为“平视显示器”的观察系统，其使得准直的图像能够以叠加在外部景观上的方式投影在“无限远”处。在“无限远”处的物体应理解为表示在一定距离处的物体，该距离足够大，从而使得当观察者进行观察时，将来自物体的点的光线视为是相互平行的。

这些设备使得虚拟物体能够在被称为“叠合(congruent)”的位置处显示，也就是说，它们的图像完美地叠加在实际物体在外部所占据的位置处。从而，合成的跑道的图像以完美地叠加在实际跑道在地面上所占据的确切位置处的方式显示。例如，对于水平线同样也是这样。

然而，飞行员需要非叠合的信息以及不通过“平视显示器”显示的信息。当前，该信息呈现在安装于仪表板上的观察设备上。该呈现具有两个缺陷。飞行员不得不强制性地将他的视线从外部转移以观察所述信息。此外，从外部视野改变为对仪表板(其位于距飞行员的观看不到一米的位置处)的观察，二者之间存在必然的调节时间。

为修正这些缺陷，已经提出制造透明的观察屏幕，其可以集成至飞行器的挡风玻璃。由此解决叠加至外部的问题。然而，图像强制性地位于屏幕上。其因此不是叠合的，并且也不是无限远的。因此，调节的问题并没有解决。

为了缓解这些各种问题，可以利用与立体系统相关联的用于用户头部的姿态检测。姿态检测使得可以控制投影图像的位置，从而使得当用户移动其头部时，投影图像依然在相同的方向可见。其因此被视为是叠合的。

立体系统使得可以向每只眼睛发送对应于距离物体的伪距离(pseudo-distance)的左侧和右侧图像，而与从立体屏幕至观察者的实际距离无关。由此解决了聚散(vergence)问题。然而，左侧和右侧图像依然位于屏幕上。调节问题仍没有解决。事实上，在聚散信息和调节信息之间引入了失真。此外，立体系统需要使用玻璃以用于区别左侧和右侧图像，从而可能导致其它问题，特别是人体工程学问题。作为该类型系统的示例性实施方案，将会提及题为“Monochrome stereoscopic viewing system with projection onsemi-transparent slide”的专利(FR 14 02109)。

另一方法包括周期性地投影位于距观察者不同距离处的图像。为了执行该功能，通过光学漫射器或“快门”的方式在可以是透明或不透明的不同平面上产生最初的物体。由Shuxin Liu等人在2016年5月22日至27日在加州旧金山的SID第一辑上发表的题为“Amulti-plane volumetric optical see-through head mounted 3D display”的文章中提出该类型的解决方案，该方案的观察系统安装在头戴机中。可以理解，要适应于更大的嵌入式观察设备，将提出复杂的实现问题。