用于整合平視顯示器和下視顯示器的系統和方法與流程

顯示器用于各種各樣的應用。例如，航空電子系統和其它車輛系統使用下視顯示器(HDD)系統和平視顯示器(HUD)系統，包括但不限于諸如頭戴顯示器(HMD)系統的可穿戴顯示器。在航空器應用中，HUD和HDD系統以圖像的和字母數字的格式有利地顯示來自航空器系統和傳感器的信息。顯示信息可包括來自視覺系統(例如，相機或其它成像傳感器(諸如可見光成像傳感器、紅外成像傳感器、毫米波雷達成像器，或它們的組合))的增強視覺圖像。顯示信息還可以或可替代地包括來自合成視覺系統的合成視覺圖像(例如，基于地形和結構數據庫的計算機生成的圖形)。

HUD通常包括設置在遮光板上方的疊像鏡，并且可以通過擋風玻璃提供與環境視野保形的信息。由于遮光板和在遮光板之后的設備不透明，常規的HUD不能用于通過遮光板保形地觀看信息。現代的駕駛艙正在合并大區域的下視顯示器(LAD或LAHDD)系統。LAD可提供全景和大區域，以在航空器的遮光板之下顯示信息。然而，這樣的LAD不提供HUD能力。此外，在遮光板之下的LAD的設置難以提供與飛行員的環境視野連續的圖像。

因此，需要一種顯示系統，其提供連續的外部環境視野，而不管LAD的存在。進一步，需要增加用在航空器和其它車輛中使用的顯示系統的豎直視野。更進一步，需要整合HDD和HUD上提供的圖像。再進一步，需要在駕駛艙或控制中心中整合有LAD或其他HDD的HUD。再進一步，需要用于與LAD使用的緊湊的HUD。進一步，需要一種顯示系統，其可提供擴展的豎直視野。更進一步，需要在HDD上的虛擬視窗圖像，其與通過HUD的疊像鏡的視圖相匹配。再進一步，需要與來自HUD的疊像鏡的視圖整合的視覺系統圖像或合成視覺圖像。

技術實現要素：

在一個方面中，本文公開的發明概念針對可以與航空器或其它車輛使用的方法或裝置。該裝置可以包括或該方法可以使用至少部分地設置在遮光板的頂表面之上的波導。波導可以為平視顯示器(HUD)的部分。波導可以擴展至遮光板的下方，以部分地或完全地覆蓋LAD，以提供整合的顯示

在另一個方面中，本文描述的發明概念針對在駕駛艙中使用的并且用于從圖像源提供光的顯示系統。顯示系統包括波導和下視顯示器。波導至少部分地設置在遮光板的頂表面的上方并且具有在第一端處的第一聯接器和在第二端處的第二聯接器。波導定位為疊像鏡并且允許查看外側鏡像以及來自圖像源的信息。下視顯示器設置在遮光板的頂表面的下方。波導設置為至少部分地覆蓋下視顯示器。

在又一方面中，本文公開的發明概念針對將第一圖像和第二圖像提供給飛行員的方法。該方法包括在至少部分地設置在遮光板的頂表面的上方的波導疊像鏡上提供第一圖像，以及在所述遮光板的所述頂表面的下方的下視顯示器的屏幕前方的所述波導疊像鏡上提供第二圖像。所述第二圖像包括與通過波導組合器上的第一圖像的環境視野連續的視覺圖像或合成視覺圖像。

在又一方面中，本文公開的發明概念針對平視顯示器。平視顯示器包括包括輸入光柵和輸出光柵的波導疊像鏡。光通過全內反射從輸入光柵行進至輸出光柵。波導疊像鏡具有設置在遮光板的頂表面之上的頂邊緣和設置在遮光板的頂表面之下的底邊緣。平視顯示器構造為將圖像從頂邊緣提供至底邊緣

附圖說明

從下面的結合附圖的詳細描述，本公開將變得更充分地理解，其中同樣的參考數字表示同樣的組件，并且：

圖1是根據一些實施方式的，包括顯示系統的航空器控制中心或駕駛艙的立體圖；

圖2是根據一些實施方式的，可用作圖1的航空器控制中心中的顯示系統的用于顯示圖像的顯示系統的示意性的總體框圖；

圖3是根據一些實施方式的，圖1中圖示的顯示系統的更詳細的局部主視平面圖，其示出了由顯示系統提供的更詳細圖像；

圖4A是根據一些實施方式的，用于圖3中圖示的顯示系統的疊像鏡的簡化的側視圖；

圖4B是根據一些實施方式的，用于圖3中圖示的顯示系統的疊像鏡的簡化的俯視圖；

圖5是根據一些實施方式的，圖1中圖示的顯示系統的更詳細的局部主視平面圖，其示出顯示系統上提供的更詳細的圖像；

圖6是根據一些實施方式的，示出使用圖1中圖示的顯示系統，以在進場至跑道時獲得增加的豎直視野的航空器的圖示；以及

圖7是根據一些實施方式的，使用圖1中圖示的顯示系統的航空器的圖示，其示出與使用增加的豎直視野相關聯的探測高度的增加，增加的豎直視野通過使用顯示系統而達到。

具體實施方式

在詳細描述具體的改進系統和方法之前，應該觀察到的是，本發明包括但不局限于常規數據/信號處理以及光學元件和通信電路的新穎結構組合，并且不受限于其特定的細節配置。相應地，在大多數情況下，已經在附圖中通過易于理解的方框圖和示意圖圖示了各種部件的結構、方法、功能、控制和排列，軟件以及電路，以避免本公開與從這里的描述中獲益的本領域技術人員清楚知道的結構細節相混淆。進一步地，本文所公開的本發明概念并不局限于示例性附圖中描繪的特定實施方式，而是應該依照權利要求中的文字來解釋。

根據一些示范性實施方式，顯示系統給環境提供了虛擬視窗，而不管下視顯示器(HDD)或其他結構的阻擋效果。在一些實施方式中，平視顯示器(HUD)與HDD重疊以增加豎直視野。在一些實施方式中，HUD和HDD可被整合到單個單元中。結合HUD操作，顯示系統允許感測的(來自增強的視覺系統(EVS))和生成的(來自合成的視覺系統(SVS))真實世界的特征和/或代表圖標顯示給機組人員。有利地，一些實施方式的系統和方法使保形視圖向下擴展在駕駛艙顯示器之前或者航空器中的在飛行員之前的HDD之前。

在一些實施方式中，該系統和方法擴大了HUD疊像鏡的豎直區域，以向下擴展至或經過大格式HDD的上邊緣，并且覆蓋在大格式顯示器上的圖像的頂部的或替代該大格式顯示器上的圖像的波導的保形(例如，準直的)圖像。在一些實施方式中，大格式顯示器之前的HUD疊像鏡上的圖像也顯示駕駛艙的那個區域的保形符號/圖像，并且繼續呈現在HUD的上部分的保形型圖像。在一些實施方式中，當與真實世界特征的EVS或SVS圖像鏈接時，此區域變為虛擬視窗，好似飛行員通過駕駛艙顯示面板直接觀看。在一些實施方式中，將此虛擬視窗與HUD視野通過HUD疊像鏡的上部分組合，提供超過擴展的豎直視野的無縫的可視性和操作。

在一些實施方式中，向下擴展保形豎直視野有利地允許在更長時間段以及在特定低能見度條件下更早地將真實世界的線索呈現給飛行員。在一些實施方式中，使用顯示系統的相對于地平面的傾斜范圍有利地允許EVS傳感器早于通過HUD和航空器擋風玻璃觀看的相同的傾斜范圍描繪真實世界的線索。

參考圖1，提供了一種用于航空器11的顯示系統10，顯示系統10包括駕駛艙或航空器控制中心12。雖然關于航空器11討論，但是根據一些實施方式，顯示系統10可以在各種應用中使用，包括其它運輸應用(例如地面車輛、海洋、太空等)、機器人或無人操作應用、醫療應用等。

航空器控制中心12包括HDD20、疊像鏡24、疊像鏡26、HDD 28和HDD 30。HDD20、28和30以及疊像鏡24和26可以用于將信息提供給機組人員，從而增加可視范圍并提高決策能力。疊像鏡24和26與HUD系統和用于這樣的系統的至少一個投射器相關聯。在一些實施方式中，HDD28和30可為大區域格式的HDD。

在一些實施方式中，HDD 20、28和30以及疊像鏡24和26提供與天氣顯示、氣象雷達顯示、通訊顯示、飛行數據顯示、發動機儀器信息顯示、海圖顯示、地圖顯示、飛行計劃顯示、地形顯示，或其他飛行儀表相關的圖像。此外，在一些實施方式中，HDD 20、28和30以及疊像鏡24和26包括合成的視覺系統(SVS)圖像、增強的視覺系統(EVS)圖像(例如，EFVS圖像)、雷達圖像、傳感器圖像或來源于SVS圖象、雷達圖像、傳感器圖像和EVS圖像中的任何兩個或多個的合并的圖像。例如，在一些實施方式中，HDD 20、28和30以及疊像鏡24和26構造為顯示地形和/或天氣信息的三維或立體圖像。也可以提供地形和/或天氣信息的其他視圖(例如，平面圖、水平視圖、俯視圖，或它們的組合)。

HDD 20、28和30以及疊像鏡24和26可以使用任何各種顯示技術實施，包括陰極射線管(CRT)、液晶顯示器(LCD)、有機LED顯示器、基于激光的，和其他顯示技術。疊像鏡24和26可以是用于提供保形圖像的任何類型的設備，包括但不限于，波導疊像鏡、反射型疊像鏡、全息疊像鏡等。

在一些實施方式中，顯示系統10構造為提供一個或多個圖像38、42、44、48、56、58、66和68。在一些實施方式中，HDD 28包括圖像38和圖像42。在一些實施方式中，疊像鏡24上的圖像56至少部分地提供在疊像鏡24上的HDD28上的圖像38之上。在一些實施方式中，圖像58提供在疊像鏡24上的圖像56之上。圖像38、56和58可提供為整合的視圖。在一些實施方式中，圖像42在HDD28上提供在圖像38的右側。在一些實施方式中，圖像38通常從左至右具有與疊像鏡24上的圖像56和58相同的寬度。圖像56和58可包括飛行儀器信息、羅盤、導航飛行和危險信息。HDD 30包括與疊像鏡26上的圖像66和68結合提供的圖像38和42類似的圖像44和48。

在一些實施方式中，圖像56從遮光板32的頂表面31穿過HDD28的頂邊緣71提供至HDD28的底邊緣39并且與圖像38重疊。在一些實施方式中，圖像56擴展經過底邊緣39。在一些實施方式中，疊像鏡26從頂表面21穿過HDD30的頂邊緣至HDD30的底邊緣49相似地重疊HDD30。在一些實施方式中，在疊像鏡26上的圖像66重疊圖像48。

在一些實施方式中，圖像58是包括飛行控制符號和/或其他HUD符號，以及具有或不具有保形地提供在組合器24上的視覺系統圖像或SVS圖像的圖像。在一些實施方式中，圖像58不包括飛行控制符號和/或其他HUD符號，并且包括視覺系統圖像和/或SVS圖像。圖像56包括以與圖像58上的視覺系統圖像或SVS圖像連續的方式提供的視覺系統圖像或SVS圖像。在一些實施方式中，圖像56具有通過遮光板32和HDD28與虛擬視圖相關聯的區域。在一些實施方式中，顯示系統10提供SVS或EVS圖像作為圖像56，而不提供圖像28。

HDD 20、28和30被提供在遮光板32的頂表面31的下方。在一些實施方式中，與圖像56相關聯的疊像鏡24的部分從飛行員的眼睛位置73的視角擴展至遮光板32的頂表面31至HDD28的底邊緣39。類似地，圖像66從副駕駛的眼睛位置的視角擴展至遮光板的頂表面31至HDD30的底邊緣49。在一些實施方式中，疊像鏡24和26可以分別接觸、抵靠、相鄰或接附至HDD28和30的頂邊緣71和69或底邊緣39和49。在一些實施方式中，頂邊緣71和69以及底邊緣39和49包括殼體結構或其他邊緣材料。

在一些實施方式中，疊像鏡24和26至少部分設置在遮光板32的下方。在一些實施方式中，疊像鏡24和26可以通過遮光板32中的孔、遮光板32中的凹陷設置或設置在遮光板32的前方。在一些實施方式中，疊像鏡24和26構造為從駕駛艙眼睛參考點(例如，位置73)提供準直光束圖像(例如，圖像56、58、66和68)，以提供足夠的真實世界視野。

在一些實施方式中，沒有來自疊像鏡24和26的圖像的HDD 28和30提供與航空器11相關聯的環境圖像(例如，進場和著陸過程中)或提供與滑行跑道相關聯的環境圖像(例如在滑行時)。在一些實施方式中，疊像鏡24和26中的一個用通過遮光板32的虛擬視窗顯示擴展的視圖，而另一個沒有。在一些實施方式中，疊像鏡24和26分別跨過HDD28和30的查看屏幕的至少部分顯示環境的擴展的視圖。在一些實施方式中，環境的擴展的視圖來源于EVS數據、雷達數據、SVS數據。在一些實施方式中，當提供圖像56和66時，圖像38和40具有黑色或暗色的背景。在一些實施方式中，盡管圖像56和58被描述為分開的圖像，但在一些實施方式中圖像56和58為單個整合的圖像。在一些實施方式中，圖像56和58可由相同電子器件和光學硬件提供。在一些實施方式中，圖像66和68為單個整合的圖像。在一些實施方式中，當在HDD28和30上提供圖像38和48時，圖像56和66具有清晰的背景。

參考圖2，顯示系統100可被用作圖1中的顯示系統10，用于將圖像提供至HDD28和30以及疊像鏡24和26中的任一個。在一些實施方式中，顯示系統100包括處理器125，處理器125包括的HDD幀模塊126、圖像渲染器128、HUD幀模塊136和圖像渲染器138。在一些實施方式中，處理器125聯接到用于疊像鏡24和26的投射系統150并聯接到HDD 28和30。在一些實施方式中，顯示系統100包括存儲器152，用于存儲來自合成視覺系統(SVS)111的合成的視覺幀，以及存儲器153，用于存儲來自視覺系統(VS)112的視覺幀。在一些實施方式中，處理器125用于通過疊像鏡24或通過疊像鏡26提供遍布視野的保形圖像。

顯示系統100與VS 112(例如，增強的視覺系統)和SVS 111通訊。在一些實施方式中，SVS 111是可選的。在一些實施方式中，VS 112是可選的。在一些實施方式中，VS 112是由羅克韋爾柯林斯(Rockwell Collins)制造的增強的視覺系統(例如，EVS 3000系統)，或合適的替代。在一些實施方式中，SVS是由羅克韋爾柯林斯制造的合成的視覺系統(例如，Pro Line 21系統)，或合適的替代。

根據一些實施方式，SVS 111可以是任何電子系統或裝置，用于提供外部場景形貌的計算機生成的圖像。該圖像可以來自航空器駕駛艙的來源于航空器姿態、高精度的導航解決方案，和地形、障礙和相關的人文特征的數據庫的視角。根據一個實施方式，VS112可以是用于提供外部場景形貌的感測到的圖像的任何電子系統或裝置。在一個實施方式，VS 112可以是紅外或視覺相機。

圖像渲染器128利用來自HDD幀模塊126和SVS 111和VS 112的顯示器信息，以在HDD28和30上提供圖像。可以利用圖像渲染器128來提供任何類型的飛行信息。在一些實施方式中，圖像渲染器128提供SVS或EVS圖像作為在HDD 28上的圖像38，并提供飛行信息作為在HDD28上的圖像42。在一些實施方式中，可以在顯示器30上提供類似的圖像。在一些實施方式中，圖像渲染器128使用存儲在存儲器152和153中的一個或兩者中的視頻幀數據，以提供圖像38和48(圖1)或可使用于自SVS111或VS112的這樣的數據。

HUD幀模塊136將信息(例如，HUD符號)提供至圖像渲染器138，用于將圖像56和58提供在疊像鏡24和/或將圖像66和68提供在疊像鏡26上。圖像渲染器138使用于自SVS 111或VS 112的數據或來自存儲器152或153的數據，以提供圖像56和58。HUD幀模塊136還可提供其他飛行信息。在一些實施方式中，HUD符號提供在圖像58(圖1)中，而沒有SVS或VS圖像。

在一些實施方式中，模塊126和136以及渲染器128和138可以為硬件組件(例如，處理器)或執行配置為提供擴展的視野和其它圖像的軟件的硬件組件。在一些實施方式中，存儲器152和153是幀存儲器或其他存儲設備。

處理器125可以是雷達系統、SVS 111、VS 112、用于HDD20、28和30的HDD顯示器計算機或用于投射系統150的HUD計算機的一部分，或與雷達系統、SVS 111、VS 112、用于HDD20、28和30的HDD顯示器計算機或用于投射系統150的HUD計算機集成。在一些實施方式中，處理器125為獨立平臺。在一些實施方式中，處理器125與用于VS112的攝像機集成。

顯示系統100還可以包括數據鏈接接收器或數據總線，用于從一個或多個飛行管理計算機和其他航空電子設備接收信息，用于接收飛行階段標志。飛行階段標志可以用于自動地選擇著陸、靠近或起飛處的擴展的視野格式。

在一些實施方式中，系統和方法可用于在疊像鏡24和26中的一個上具有擴展的視野，并且將HDD28和30和在疊像鏡24和26中的另一個上的其它信息相關聯。例如，在著陸期間，飛行員可查看擴展的視角，包括在疊像鏡24上的圖像56(圖1)中的合成的視覺或增強的視覺信息，而副駕駛查看在疊像鏡26上的圖像68中的HUD符號，以及作為在疊像鏡26和HDD30上的圖像66和圖像48的其他非合成的視覺或增強的視覺信息。在一些實施方式中，顯示系統10有利地使用圖像56和圖像66以提供非合成視覺或增強的視覺信息。

HDD 20、28和30可以是任何類型的顯示器，包括陰極射線管、液晶顯示器(LCD)面板、有機發光二極管(OLED)面板或其他顯示器類型。投射系統150可以是用于將圖像提供至疊像鏡24和26的任何投射系統150。在一些實施方式中，投射系統150可以將準直光束提供至疊像鏡24和26。疊像鏡24和26可以是任何種類的疊像鏡，包括但不限于：波導疊像鏡、全息疊像鏡、半鍍銀鏡、反射疊像鏡等。在一些實施方式中，投射系統150和疊像鏡24和26基于光學波導技術使用平玻璃或塑料作為疊像鏡波導。在一些實施方式中，疊像鏡24和26包括衍射光柵或其它聯接器，以使來自投射系統150中的LED照亮的微顯示器的光彎曲。盡管圖1中示出為安裝在遮光板32內的疊像鏡，但是也可以使用高架安裝的HUD或疊像鏡。

參考圖3，在一些實施方式中，環境200通過與圖像58關聯的疊像鏡的一部分是可查看的。在一些實施方式中，與圖像56關聯的疊像鏡24的一部分示出由SVS或EVS數據生成的環境200以及飛行數據。在一些實施方式中，來自HDD28的圖像38和疊像鏡24上的圖像是可查看的。由于遮光板32和HDD28的存在，飛行員不能通過與圖像56相關聯的疊像鏡24的部分查看真實世界中的環境200。在一些實施方式中，疊像鏡24上的圖像56包括SVS圖像或EVS圖像。在一些實施方式中，SVS圖像或EVS圖像從頂表面31提供至HDD28的底邊緣39，以提供整合的并且更加擴展的豎直視野。

參考圖4A-4B，遮光板32包括凹陷74，用于接收疊像鏡24。在一些實施方式中，投射系統150(圖2)可以被設置在遮光板32的頂表面31的下方。在一些實施方式中，來自投射系統150的光可射入到在遮光板32之下的疊像鏡24中。

在一些實施方式中，疊像鏡24可以由薄塑料或玻璃(例如，1/4英寸)板制造，以減小凹陷74的尺寸。在一些實施方式中，疊像鏡24是具有上疊像鏡板82和下疊像鏡板84的兩片式疊像鏡。在一些實施方式，光從投射系統150(例如，在圖4A中一個投射系統150用于板82和83的每個)射入到下疊像鏡板84的頂端和上疊像鏡板82的底端中。在一些實施方式中，光射入到疊像鏡82和84各自的邊緣。在一些實施方式中，疊像鏡板82和84不共面。在一些實施方式中，下疊像鏡板84與HDD28的屏幕共面，并且上疊像鏡板82關于下疊像鏡板84成角度。在一些實施方式中，上疊像鏡板82朝向飛行員成角度。疊像鏡26可具有與疊像鏡24相似的結構。

參考圖5，在一些實施方式中，通過與圖像58關聯的疊像鏡24的一部分能夠查看到環境250。在一些實施方式中，與圖像56相關的疊像鏡24的一部分示出由SVS或EVS數據生成的環境250以及飛行數據。在一些實施方式中，當提供了圖像56時，沒有圖像提供在HDD28上。

參考圖6，進場的航空器300可通過疊像鏡24(圖1)查看在視準線304處的跑道308。在一些實施方式中，對于視準線304，飛行員不能查看諸如跑道燈312、314、316、318和320的跑道設施。然而，在一些實施方式中，使用與圖像關聯的虛擬視窗，沿著視準線302，飛行員能夠查看更多的跑道設施，諸如跑道燈312、314和316。在一些實施方式中，通過疊像鏡24使用真實世界視野，視準線304提供負15度的豎直視角并且視準線302通過疊像鏡24使用與真實世界視野視野連續的圖像38和56提供負35度的視角。

參考圖7，使用具有擴展的豎直視野的顯示系統10(圖1)，航空器400具有視準線404。在進場時，航空器402不包括擴展的視野并且不能夠看到與跑道308相關的視準線406上的跑道燈316和318，而航空器400查看視準線404上的跑道燈340。根據一些實施方式，航空器402具有擴展至負15度的豎直視野，并且使用顯示系統10，航空器404具有擴展至負35度的豎直視野。

顯示系統100可有利地增加的航空器400的決策高度。例如，如果該航空器400是在200英尺的檢測高度，其EVS傳感器的傾斜范圍是約773英尺。由于增加的豎直視野，對于航空器400，該相同的傾斜范圍可以檢測在443英尺的檢測高度處的跑道燈340。使用下式計算檢測高度(DA)

DA＝SR*Sinθ_VFOV

其中DA是檢測高度，SR是傾斜范圍并且θ_VFOV是豎直視野。因此，對于一個連續不斷的能見度模糊的環境，VS 112(圖2)具有在海拔高于常規系統243英尺檢測進場燈(并且由此在進場時早于常規系統)的可能。從寬范圍沿著航空器航線(例如，跑道308和跑道燈312、314、316、318、320和322或其他基礎設施)查看真實世界隊列的能力是有利的，并且由于由旋翼機執行的飛行動作的類型而特別有利于旋翼應用。

使用本文所描述的虛擬視窗操作可實現更寬的范圍。虛擬視窗操作或擴展的視野操作可基于飛行階段自動地接合或通過由飛行員控制的手動選擇。

雖然詳細的附圖、具體示例、詳細的算法，和給出的具體的構造描述了優選的和示范性的實施方式，但它們僅用作示例的目的。本文所揭示的發明概念不限于所示的具體形式。例如，該方法可以以任何各種步驟序列或根據任何各種數學公式來執行。示出并描述的硬件和軟件配置可根據圖像和處理設備的所選擇的性能特征和物理特性而不同。例如，系統組件的類型及它們的相互連接可以不同。所描繪和描述的系統和方法不限于所公開的精確的細節和條件。流程圖僅示出示例性操作。具體的數據類型和操作以非限制性的方式示出。此外，在不脫離如所附權利要求中闡明的本發明的范圍的情況下，可以在示例性實施方式的設計、操作條件和布置中進行其它的替換、修改、改變和省略。