TW201626045A - 分光退出瞳孔抬頭顯示系統及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明描述分光退出瞳孔(或分離式眼眶)抬頭顯示(HUD)系統及方法。該等所描述之HUD系統方法利用一分光退出瞳孔設計方法，該方法啟用一模組化HUD系統並允許該HUD系統檢視待調整之眼眶大小並同時減小總HUD體積態樣。一HUD模組利用一高亮度小尺寸的微像素成像器以產生具有一給定檢視眼眶段大小之一HUD虛擬影像。當一起整合至一HUD系統中時，顯示相同影像之大量此等HUD模組將使得此一整合HUD系統能夠具有實質上大於一HUD模組之該眼眶大小之一眼眶大小。該所得整合HUD系統體積在體積方面實質上小於使用一單個較大成像器之一HUD系統。此外，該整合HUD系統可包含大量HUD模組以縮放該眼眶大小以匹配所預期應用，並同時維持一給定所需總HUD系統亮度。

Description

分光退出瞳孔抬頭顯示系統及方法 相關申請案之交叉參考
本申請案主張2014年9月2日申請之美國臨時專利申請案第62/044,831號之權利。
本發明大體上係關於抬頭顯示器(HUD)，且更特定言之，係關於產生一虛擬影像之HUD系統。
引用的參考文獻：
[1] El-Ghoroury等人在2009年11月24日發表的名為Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication Thereof的美國專利第7,623,560號。
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[5] El-Ghoroury等人發表的名為Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication Thereof的美國專利第8,098,265號。
[6] El-Ghoroury等人發表的名為Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication Thereof的美國專利申請公開案第2010/0066921號。
[7] El-Ghoroury等人發表的名為Quantum Photonic Imager and Methods of Fabrication Thereof的美國專利申請公開案第2012/0033113號。
[8] Withrington等人在1980年8月19日發表的名為Holographic Heads-up Displays的美國專利第4,218,111號。
[9] Bignolles等人在2004年11月2日發表的名為Head Up Display Adaptable to Given Type of Equipment的美國專利第6,813,086號。
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[11] Lvovskiy等人在2011年7月19日發表的名為Heads-up Display 的美國專利第7,982,959號。
[12] Hartman在1986年9月23日發表的名為Heads-Up Display System with Holographic Dispersion Correcting的美國專利第4,613,200號。
[13] Yang在1998年3月17日發表的名為Heads-Up Display for Vehicle Using Holographic Optical Elements的美國專利第5,729,366號。
[14] Lambert等人在2013年10月8日發表的名為Heads-Up Display System Utilizing Controlled Reflection from Dashboard Surface的美國專利第8,553,334號。
[15] Seder等人在2014年1月14日發表的名為Enhanced Vision System Full-Windshield HUD的美國專利第8,629,903號。
[16] B. H. Walker發表的由The international Society of Optical Engineering (SPIE)在2000年出版的Optical Design of Visual Systems, Tutorial tests in optical engineering，第139頁至第150頁，ISBN 0-8194-3886-3。
[17] C. Guilloux等人發表的Varilux S Series Braking the Limits。
[18] M. Born發表的1999年Cambridge University Press出版的第7版Principles of Optics，第5.3章節，第236頁至第244頁。
抬頭顯示器作為一種視覺輔助技術而受到追捧，該技術可藉由使汽車駕駛員更具視覺意識且被告知汽車儀錶盤資訊且無需使該等駕駛員的視線及注意力脫離道路來促成汽車安全。然而，當前可用的抬頭顯示器的體積大且太昂貴而並非在汽車中使用之一可行選項。在小型飛行器及直升機中之抬頭顯示器之應用中，儘管成本因素的影響程度較小，但亦遭遇相同類型的困難。在抬頭顯示器汽車應用之情況中，各種各樣的運載工具大小、類型及價格範圍進一步加劇體積及成本約束。因此，需要低成本且體積小的抬頭顯示器，其將適用於在諸如汽車、小型飛機及直升機之小型運載工具中使用。
先前技術HUD系統可被分為兩種類型；瞳孔成像HUD及非瞳孔成像HUD。瞳孔成像HUD通常包含負責中間影像傳遞及瞳孔形成之一中繼模組及負責檢視者的眼睛位置(本文中稱作眼框)處之影像準直及瞳孔成像之一準直模組。一瞳孔成像HUD之準直模組通常被實現為一傾斜彎曲或平坦反射器或一全像光學元件(HOE)，且中繼模組通常傾斜以使光路徑彎折並補償光學像差。非瞳孔成像HUD由顯示器處或中間影像位置處由於漫射存在之光錐角界定系統孔徑。對於中間影像HUD系統，亦需要一中繼模組，但是HUD孔徑僅僅係由準直光學器件決定。準直光學器件通常具有軸對稱性，且具有折疊式鏡以滿足體積約束。此係由像差校正需求及系統體積態樣決定。
參考文獻[8]中描述、圖1-1中展示之先前技術使用一凹面HOE反 射器(圖1-1中的11)作為一組合器及準直器以最小化準直光學器件並減少HUD系統體積態樣。所得HUD系統需要複雜的傾斜中繼光學器件(圖1-1中的10)以補償像差並傳遞一中間影像。此外，此HUD系統僅對一窄頻起作用。
參考文獻[9]中描述、圖1-2中展示之先前技術使用一中繼光學器件(REL)模組以傳遞聚光組合器(CMB)鏡(圖1-2中的CMB)之焦平面處之一中間影像並界定系統瞳孔。CMB鏡準直中間影像並將系統瞳孔成像至檢視者的眼睛上以促進檢視。此瞳孔成像HUD方法總是涉及一複雜的REL模組以進行封裝及像差補償。
參考文獻[10]中描述、圖1-3中展示之先前技術使用一投影透鏡(3)在一漫射表面(圖1-3中的51)上投影一中間影像作為一影像源及一半透明準直反射鏡(圖1-3中的7)。準直反射鏡在無窮遠處形成一影像且準直光學器件之孔徑係由漫射器之角寬界定。
參考文獻[11]中描述、圖1-4中展示之先前技術使用包含兩個液晶顯示器(LCD)面板(圖1-4中的23)之一影像形成源以在被放置於準直光學器件模組(圖1-4中的1)之焦平面處之一漫射螢幕(圖1-4中的5)上形成一中間影像。影像形成源中之該兩個LCD面板之主要目的係針對所形成影像之可檢視性達成足夠亮度。為達成該目標，影像形成源中之該兩個LCD面板經組態以在漫射螢幕上形成兩個連續並排影像或使自彼此水平及垂直移位一半像素之兩個影像在漫射螢幕處重疊。
參考文獻[12]中描述之先前技術使用一對反射全像光學元件(HOE)以達成全像分散校正並在觀察者的視野內投影一寬頻顯示源之一虛擬影像。參考文獻[13]中描述之先前技術使用一對全像光學元件(HOE)；一個具有透射性且另一個具有反射性以將一影像投影至運載工具擋風玻璃上。
參考文獻[14]中描述、圖1-5中展示之先前技術使用安裝在運載 工具擋風玻璃之頂側上之一影像投影儀(圖1-5中的14)，其經組態以將一影像投影至裝配有一小刻面反射表面(圖1-5中的18)之運載工具儀錶盤上，其中後者經組態以將來自影像投影儀之影像反射至運載工具之擋風玻璃上。運載工具擋風玻璃表面經定向以將來自儀錶盤小刻面反射表面之影像反射朝向檢視者。
簡要描述的先前技術HUD系統以及所引用的先前技術中描述之許多其他系統中常見的是，系統之高成本及大體積大小。此外，所發現的先前技術HUD系統的大小及成本皆不可被縮放來匹配各種各樣的汽車及其他運載工具大小及價格範圍。因此本發明之一目的係介紹抬頭顯示方法，其使用大量發射微尺度像素陣列成像器以實現一HUD系統，該HUD系統之體積實質上小於使用一單個影像形成源之一HUD系統。此外本發明之目的係介紹一種新穎的分光退出瞳孔HUD系統設計方法，其利用大量發射微尺度像素陣列成像器以使得能夠實現具有可經縮放以匹配各種各樣的汽車及小的運載工具尺寸及價格範圍的體積及成本態樣之一模組化HUD系統。從本發明之較佳實施例之參考隨附圖式進行之以下詳述將明白本發明之額外目的及優點。
1‧‧‧準直光學器件模組
5‧‧‧漫射螢幕
7‧‧‧半透明準直反射鏡
10‧‧‧中繼光學器件
11‧‧‧凹面全像光學元件(HOE)反射器
14‧‧‧影像投影儀
18‧‧‧小刻面反射表面
23‧‧‧液晶顯示器(LCD)面板
51‧‧‧漫射表面
200‧‧‧模組化抬頭顯示(MHUD)系統
210‧‧‧模組化抬頭顯示(MHUD)總成
215‧‧‧模組
220‧‧‧光學器件/成像器
230‧‧‧凹鏡
240‧‧‧擋風玻璃
250‧‧‧聚光眼框
255‧‧‧眼框段
260‧‧‧虛擬影像
410‧‧‧QPI成像器
420‧‧‧光學器件
430‧‧‧玻璃罩
600‧‧‧殼體
610‧‧‧後側壁區段
615‧‧‧光學窗
617‧‧‧頂部邊緣
620‧‧‧控制及介面電子器件/印刷電路板
630‧‧‧背板
640‧‧‧光偵測器
650‧‧‧環境光感測器
710‧‧‧模組化抬頭顯示(MHUD)介面功能
715‧‧‧影像輸入
720‧‧‧控制功能
725‧‧‧色彩及亮度調整輸入命令
730‧‧‧均勻度迴路功能
735‧‧‧色彩及亮度校正
744‧‧‧影像輸入
745‧‧‧影像輸入
746‧‧‧影像輸入
754‧‧‧輸入信號
755‧‧‧輸入信號
756‧‧‧輸入信號
810‧‧‧箭頭目標
820‧‧‧角度淡出剖面
在以下描述中，相似圖式元件符號用於相似元件，甚至在不同圖式中亦係如此。該描述中定義之事物(諸如詳細構造及設計元件)經提供以輔助對例示性實施例之全面理解。然而，本發明可在無該等具體定義的事物下加以實踐。此外，未詳細描述熟知功能或構造，因為其等會以不必要的細節混淆本發明。為理解本發明並瞭解可如何在實踐中實行本發明，現在將僅藉助於非限制實例參考隨附圖式描述本發明之數個實施例，其中：
圖1-1圖解說明先前技術抬頭顯示器(HUD)系統，其使用一凹面HOE反射器作為一組合器及準直器以最小化準直光學器件並減少HUD 系統體積態樣。
圖1-2圖解說明先前技術抬頭顯示器(HUD)系統，其使用一中繼光學器件(REL)模組以傳遞聚光組合器(CMB)鏡之焦平面處之一中間影像並界定系統瞳孔。
圖1-3圖解說明先前技術抬頭顯示器(HUD)系統，其使用一投影透鏡(3)以在漫射表面上投影一中間影像作為一影像源及一半透明準直反射鏡。
圖1-4圖解說明先前技術抬頭顯示器(HUD)系統，其使用包含兩個液晶顯示器(LCD)面板之一影像形成源以在被放置於準直光學器件模組之焦平面處之一漫射螢幕上形成一中間影像。
圖1-5圖解說明先前技術抬頭顯示器(HUD)系統，其使用安裝在運載工具擋風玻璃之頂側上之一影像投影儀，該影像投影儀經組態以將一影像投影至裝配有一小刻面反射表面的運載工具儀錶盤上，其中後者經組態以將來自影像投影儀之影像反射至運載工具之擋風玻璃上。
圖2圖解說明本發明之一例示性模組化HUD(MHUD)系統。
圖3圖解說明圖2之MHUD系統之設計參數及約束之間的關係。
圖4圖解說明包括圖2之實施例之MHUD總成之HUD模組之光學設計態樣及光線追蹤圖。
圖5圖解說明包括圖2之實施例之MHUD總成之HUD模組之光學效能。
圖6圖解說明圖2之實施例之MHUD系統之MHUD總成設計實例之一多視角透視圖。
圖7圖解說明圖2之實施例之MHUD系統之介面及控制電子器件設計元件(板)之一功能方塊圖。
圖8圖解說明圖2之實施例之MHUD系統200之新穎的分離式眼眶 設計方法。
圖9圖解說明圖6中圖解說明之被安裝在一微型汽車之儀錶盤中之MHUD總成設計實例之實際體積。
圖10圖解說明包含太陽光負荷之本發明之MHUD系統200之光線路徑。
本發明之以下詳述中對「一實施例(one embodiment或an embodiment)」之引用意謂併入該實施例描述之一特定特徵、結構或特性包含在本發明之至少一實施例中。此詳述中之各個位置中片語「在一實施例中」的出現並不一定全部指代相同實施例。
近來介紹了一種新類別的發射微尺度像素陣列成像器裝置。此等裝置以一極小單個裝置大小中之高亮度、極快多色彩光強及空間調變能力為特徵，該裝置大小包含所有所需的影像處理驅動電路。此一裝置之固態光(SSL)發射像素可為一發光二極體(LED)或雷射二極體(LD)，其開-關狀態係由其上結合成像器之發射微尺度像素陣列之一CMOS晶片(或裝置)內所含有的驅動電路控制。包括此等成像器裝置之發射陣列之像素之大小將通常係在大約5微米至20微米之範圍中，其中該裝置之典型的發射表面積係在大約15平方毫米至150平方毫米之範圍中。發射微尺度像素陣列裝置內之像素在空間上、色度上及時間上可通常透過該裝置的CMOS晶片之驅動電路個別定址。由此等成像器裝置產生之光的亮度可在合理較低功率消耗下達到多個100,000cd/m2。此等裝置之一實例係下文描述之例示性實施例中引用之QPI成像器(參見參考文獻[1-7])。然而，應瞭解，QPI成像器僅僅係本發明中可使用之裝置類型之一實例。(QPI係Ostendo Technologies,Inc.之商標)。因此在以下描述中，對一QPI成像器之任何引用應被理解成為了被揭示為可使用之一固態發射像素陣列成像器之一特定實例之實施 例中之具體細節目的，且並非為了本發明之任何限制之目的。
本發明組合此等成像器之發射微像素陣列裝置的獨特能力與一新穎的分光退出瞳孔HUD系統架構以實現一低成本且小體積的模組化HUD(MHUD)系統，其可在其中成本及體積約束係最主要的(諸如例如一汽車HUD)之應用中輕易使用。諸如QPI成像器之成像器之發射高亮度微發射器像素陣列與本發明之分光退出瞳孔HUD架構之組合可使得在高亮度環境太陽光下仍然有效操作之HUD系統之體積足夠小以裝配在各種各樣的運載工具大小及類型之儀錶盤或儀器面板後面。如本文中使用之字詞運載工具係以最普遍意義使用，且包含某個人行進所使用或憑藉之任何方式，包含但不一定限於在陸地、水中、水下及空中行進。由此等成像器實現之分光退出瞳孔HUD架構之低成本及模組性實現可經調整以適應各種各樣的運載工具之體積約束之一模組化HUD系統。將從本文中提供在以下段落中描述之實施例之上下文內之詳述明白分光退出瞳孔HUD系統之優點。
圖2圖解說明本發明之一實施例之模組化HUD(MHUD)系統200之設計概念。如圖2中圖解說明，在較佳實施例中，本發明之MHUD系統200包含MHUD總成210，該MHUD總成210繼而包含組裝在一起以形成MUHD 210之大量模組215，藉此每一模組215包含具有相關光學器件220及一凹鏡230之一單個成像器(諸如一QPI成像器)。如圖2中圖解說明，自具有相關光學器件220之每一單個成像器發射之影像藉由其相關凹鏡230準直、放大且反射，接著部分自運載工具擋風玻璃240反射以形成虛擬影像260，該虛擬影像260在位於運載工具的駕駛員(操作者)之標稱頭部位置處之眼框段255內係可見的。如圖2中圖解說明，MHUD總成210之模組215之各者經安置以在任何時間且在相距運載工具擋風玻璃240之相同位置處形成相同虛擬影像260，但是其等各自係在其對應眼框段255處，使得MHUD總成210之大量模組215共 同地形成MHUD系統200之聚光眼框250。即，可自眼框段255之各者部分可見虛擬影像260，但是在聚光眼框250中係全部可見的。因此，可藉由選擇包括MHUD總成210之適當數目的模組215來調整MHUD系統200的眼框段255之總大小。雖然MHUD總成210之模組215之各者經安置以在任何時間形成相同虛擬影像260，但是該等影像當然將隨時間變化，且可緩慢地變化，如例如一燃料表影像將變化一樣，或可更快速變化，諸如在一GPS導航系統顯示影像之顯示中，但是本發明之MHUD系統200在影像資料可以一典型視訊速率使用時可以至少多達此一速率之頻率操作。
在MHUD系統200之較佳實施例中，MHUD總成210之模組215之眼框段255各自位於由其等對應凹鏡230反射之光線束之出射瞳孔處。MHUD系統200之聚光眼框250實際上係由MHUD總成210之模組215之眼框段255之重疊形成之一分光退出瞳孔眼框。以下段落中更詳細地進一步解釋本發明之MHUD系統200之此分光退出瞳孔設計方法。
在本發明之MHUD系統200之較佳實施例中，MHUD總成210包含組裝在一起以形成MHUD總成210之大量模組215，藉此每一模組215包含具有相關光學器件220及一凹鏡230之一QPI成像器。在前面為本發明之MHUD系統200之相關優點及相關設計參數取捨之一解釋的以下段落中更詳細地描述本發明之此實施例之MHUD系統200之MHUD總成210之設計方法及其各自模組215。
MHUD系統200的光學設計參數取捨-
為明白本發明之MHUD系統200之優點，認為解釋典型的HUD系統之潛在設計取捨及其相關設計參數之間的關係係重要的。由一HUD系統產生之影像通常被疊加在自然景物上以使操作運載工具之檢視者在視覺上意識到運載工具操作參數且亦提供關鍵資訊，諸如例如導航，且無須駕駛員將其等視線及注意力脫離道路或運載工具之外部環 境。考慮一HUD系統之設計之重要參數包含：聚光眼眶之目標大小、所需視野(FOV)、所形成的影像大小、影像解析度及系統體積約束。圖3中圖解說明此等設計參數及約束之間的關係。
本發明的模組化HUD(MHUD)如何實現體積減小-
參考圖3，MHUD系統200的成像器220的大小之一降低將造成一更小有效焦距(EFL)，其係該系統之特性光軌長度且通常促成系統體積之減小。然而，若維持眼眶大小，則成像器孔徑大小之減小將造成光學複雜性之一增加所伴隨之一更低系統F/#。此通常造成更大系統體積。參考圖2中圖解說明之MHUD系統200的設計概念，每一模組215之眼眶段255之大小連同成像器220的大小一起縮放以避免光學複雜性增加。此造成模組215之各者之體積縮放成像器220的大小比。大量模組215將經組合以形成一MHUD總成210，其可提供一任意大小的聚光眼眶250。本發明之MHUD系統200之此新穎的多段眼眶設計概念係藉由將形成於檢視者的眼眶處之系統之出射瞳孔分離為多段而實現，每一段與包括本發明之MHUD系統200之聚光眼眶250之眼眶段255之一者對應。本發明之MHUD系統200之此分光退出瞳孔設計方法將達成小於提供相同大小的眼眶之一先前技術HUD系統之總體積態樣。此將造成總HUD體積、複雜性及成本降低。以下論述中描述本發明之MHUD系統200之分光退出瞳孔設計方法之其他優點。當然，每一模組在任何時間發射相同影像，因此一運載工具操作者將在相同位置看見相同虛擬影像，而無關於操作者係在檢視一個眼眶段255還是多個眼眶段255。
對使用一鏡面反射器(參考文獻[8-10])之先前技術HUD系統之體積之主要貢獻者已被識別為凹鏡。除了鏡本身的大尺寸之外，影像源之大小亦將為適當大小，這規定使用一大尺寸成像器(諸如一LCD面板)或形成被投影在一漫射螢幕上之一大尺寸中間影像，這增加了更 多體積以併入投影儀成像器及其相關投影光學器件。如前述論述中解釋，本發明之MHUD系統200藉由使用包含各自使用一更小尺寸的凹鏡230之多個模組215之MHUD總成210達成實質上小於使用一單個凹鏡作為主發射器之先前技術HUD系統之體積態樣，該多個模組215被組裝在一起以形成MHUD總成210之整體反射器235，其尺寸更小且達成一更小光軌長度。使用更小孔徑尺寸成像器220之MHUD總成210實現使用具有更小光軌長度之更小孔徑尺寸的凹鏡230，這造成本發明之實質上更小體積及體積效率MHUD系統200。
本發明之MHUD系統200之設計藉由將通常將由單個大的鏡產生之大的準直光束劃分為三個相等大小的準直子光束而起作用。每一子光束將由模組215之光學子系統產生。由於F#，光學複雜性及焦距(EFL)(或光軌長度)降低且因此該系統之實體體積包絡降低。圖4圖解說明包括MHUD總成210之模組215之光學設計態樣及光線追蹤圖。如圖4中圖解說明，一較佳實施例之模組215包含一QPI成像器連同其相關光學器件220及凹鏡230。雖然在圖4中圖解說明之實施例中，與QPI成像器410相關聯之光學器件420被展示為一單獨透鏡光學元件，但是在本發明之一替代實施例中，與QPI成像器相關聯之光學器件420將被直接附接在QPI成像器410之發射表面之頂部上以形成QPI成像器總成220。如圖4中圖解說明，在模組215之各者中，反射凹鏡230放大並準直由其對應QPI成像器(或其他成像器)220產生之影像以形成聚光眼眶250之一眼眶段255，而與圖4中之QPI成像器410相關聯之光學元件420平衡起因於反射凹鏡230之軸外失真及傾斜像差。
圖5圖解說明MHUD總成210之模組215之光學效能。如圖5中圖解說明，與QPI裝置410相關聯之光學元件420之作用係平衡起因於反射凹鏡230之軸外失真及傾斜像差以最小化影像目眩效應並同時使調變傳遞函數(MTF)維持足夠高。為了完整目的，影像目眩效應通常係由 進入檢視者的瞳孔之光的方向歸因於由反射鏡像差引起之光學失真之變動引起，且將隨著檢視者的頭部繞HUD系統眼眶移動(或注視)造成虛擬影像之一感知錯誤運動(稱為「目眩效應」)(參考文獻[16])。最小化雙眼光學系統(諸如HUD)中之目眩效應極為重要，因為在極端情況中，虛擬影像中之過量目眩效應可造成運動病、眩暈或惡心。此等不利效應係由人類視覺及感知系統之前庭與眼球運動態樣之間的衝突而引起(參考文獻[16、17])。
本發明之MHUD系統200之分光退出瞳孔方法之另一優點係，其在與使用具有一較大光學孔徑之一單個反射鏡之先前技術HUD系統相比時達成一實質上降低的目眩效應。反射凹鏡230之較小光學孔徑之像差將通常遠小於先前技術單個反射鏡HUD系統中使用之相對較大光學孔徑反射鏡之像差。因為目眩效應直接與由起因於HUD反射鏡之像差引起之光學失真(或光線方向偏差)之量級成比例，所以本發明之MHUD系統200之大量較小光學孔徑凹鏡230在與先前技術HUD系統相比時將趨向於達成一實質上較小目眩效應。此外，MHUD模組215(圖8之論述中更詳細解釋)之眼眶段255之間之角度重疊將通常使虛擬影像260中之任何點之感知併入來自多個MHUD模組215之光學貢獻。因此，由多個MHUD模組215之個別凹鏡230之像差引起之光學失真(或任何方向偏差)將趨向於在虛擬影像260中之任何點處平均化，因此使由MHUD系統200之檢視者感知之整體目眩效應降低。
在本發明之另一實施例中，MHUD總成210之成像器220將具有高於人類視覺系統(HVS)可解析之一解析度，其中所增加的解析度專用於由起因於凹鏡230之像差引起之剩餘光學失真之一數位影像變形(image warping)預補償。在一典型的HUD檢視體驗中，虛擬影像將形成於大約2.5m之一距離處。HVS之橫向敏銳度為大約200微米弧度。在該距離處，HVS可大概解析2500x0.0002=0.5mm像素，其等效於 具有10"對角線之一虛擬影像260之大約450x250像素解析度。MHUD總成210中使用之QPI成像器220在相同大小的光學孔徑下可提供遠高於此限制之一解析度，例如640x360的解析度或甚至1280x720。在相同大小的光學孔徑下提供一更高解析度之QPI成像器220實現使用具有相同大小的光學孔徑之凹鏡230，因此維持MHUD總成200之體積優點。QPI成像器220之增加的解析度允許使用數位影像變形預補償，其幾乎消除了起因於凹鏡230的像差之光學失真及所得目眩效應，並同時維持虛擬影像260處之最大可達解析度及相同體積優點。
反射凹鏡230之各者可為非球面或自由外觀，藉此凹鏡之非球面或自由外觀尺寸經選擇以最小化凹鏡230之光學像差，且必要時最小化擋風玻璃之曲率。應注意，QPI成像器220之各者之位置相對於其等相關凹鏡230軸向對稱以確保凹鏡230之任何兩者之相鄰邊緣處之平衡(稍微相等)像差。此係本發明之MHUD系統200之一重要設計態樣，因為其確保MHUD系統200之聚光眼眶250之多個眼眶段255之間之虛擬影像260之均勻檢視轉變。
圖6圖解說明MHUD總成210之一多視角透視圖。如圖6中圖解說明，MHUD總成210包含一起組裝在殼體600內之三個反射凹鏡230。該三個凹鏡230可經單獨製造，接著一起裝配在殼體600內或可被製造為一單個部分，接著裝配在殼體600內。該三個凹鏡230無論是否單獨組裝或被組裝為一單個光學部件，皆將使用經壓製聚碳酸酯塑膠製造，其中光學表面隨後使用濺鍍技術塗佈有反射金屬之一薄層，諸如銀或鋁。如圖6中圖解說明，殼體之後側壁包含三個單獨區段610，各單獨區段610併入一光學窗615，當後側壁區段610各者與其各自凹鏡230組裝在一起時，該光學窗615將與其等各自凹鏡230之光學軸對準。如圖6之側視透視圖中圖解說明，後側壁區段610之各者之頂部邊緣617朝向凹鏡230成角度以允許將被安裝在後側壁區段610之成角度 邊緣表面617上之成像器220與其等各自凹鏡230之光學軸對準。
如圖6之後側視透視圖中圖解說明，後側壁區段610將一起組裝在背板630之一側上，其中MHUD總成210之控制及介面電子器件(印刷電路板)620被安裝在背板630之相對側上。此外，背板630亦併入熱冷卻散熱片以耗散由成像器220及MHUD總成210之介面電子元件620產生之熱量。如圖6之後側視透視圖中圖解說明，成像器220之各者將通常被安裝在將成像器220連接至控制及介面電子器件620之一撓性電氣板618上。
如圖6之後側視透視圖中圖解說明，每一對凹鏡230及後側壁區段610之介面邊緣的中心併入光偵測器(PD)640，其等通常為光二極體，各光偵測器經定位及定向以偵測自成像器220發射至其等各自凹鏡230上之光。通常，每一模組中將使用三個光二極體，所發射之每一色彩的光針對一個光二極體。光偵測器(PD)640之輸出連接至MHUD總成210之控制及介面電子器件620且用作為在介面電子元件620之硬體及軟體設計元件內實施之均勻度控制迴路(下文論述中描述)之輸入。此外環境光的光偵測器感測器660之輸出作為輸入提供給MHUD總成210之控制及介面電子器件620，感測器660通常係大部分運載工具的儀錶盤亮度控制之一整體部分。
MHUD總成210之控制及介面電子器件620併入圖7之方塊圖中圖解說明之硬體及軟體設計功能元件，其等包含MHUD介面功能710、控制功能720及均勻度迴路功能730。MHUD總成210之控制及介面電子器件620之MHUD介面功能710(通常在硬體與軟體之一組合中實施)自運載工具的駕駛員輔助系統(DAS)接收影像輸入715且將由控制功能720提供之色彩及亮度校正735併入至影像中，接著提供影像輸入744、745及746至MHUD總成210之成像器220。雖然相同影像輸入715的資料將被提供至MHUD總成210之三個成像器220，但是MHUD介面 功能710基於接收自控制功能720之色彩及亮度校正735將每一成像器220的特定色彩及亮度校正併入在其等各自影像輸入744、745及746中。
為確保跨聚光眼框250之多個段255之色彩及亮度均勻度，控制及介面電子器件620之均勻度迴路功能730自MHUD總成210之模組215之各者之光偵測器(PD)640接收輸入信號754、755及756，計算與MHUD總成210之模組215之各者相關聯之色彩及亮度，接著計算使跨聚光眼眶250之多個段255之色彩及亮度變得更均勻所需之色彩及亮度校正。此將在一初始準直查找表的輔助下實現，當最初組裝MHUD總成210時，將執行該查找表並將其儲存在控制及介面電子器件620之記憶體中。由均勻度迴路功能730計算之色彩及亮度校正接著被提供至控制功能720，其組合此等校正與接收自環境光感測器650及外部色彩及亮度調整輸入命令725之輸入以產生色彩及亮度校正735，該等校正735接著在提供校正影像資料作為成像器220之影像輸入744、745及746之前由MHUD介面功能710併入至影像資料中。在將接收自環境光感測器650之輸入併入至色彩及亮度校正中時，控制功能720將按與運載工具外部光亮度成比例或關於運載工具外部光亮度調整抬頭顯示器之虛擬影像之亮度。注意，如本文中使用之影像資料意謂任何形式之影像資訊，無論是否接收作為抬頭顯示器之一輸入、被提供至成像器或任何其他形式。
如先前解釋，MHUD系統200之一實施例使用具有高於虛擬影像260處之最大HVS可解析的解析度之解析度之成像器220，且併入用於消除或實質上減小光學失真及藉由將至成像器220之影像輸入數位地變形而引起之目眩效應之構件。該實施例之MHUD系統200之MHUD總成210之MHUD介面功能710亦將併入大量查找表，各查找表併入識別預補償凹鏡230之各者之剩餘光學失真所需之數位影像變形參數之 資料。此等參數係由MHUD介面功能710使用以如下方式扭曲成像器220之各者之數位影像輸入：至成像器220之各者之影像資料輸入預補償其等對應凹鏡230的剩餘失真。併入在MHUD介面功能710之查找表中之數位影像變形參數將初步地由MHUD總成210之光學設計模擬產生，接著在由MHUD介面功能710施加數位影像變形預補償之後用基於每一模組215之剩餘光學失真之量測之光學測試資料而擴增。所得經數位變形影像資料接著與由控制功能720提供之色彩及亮度校正735組合，接著校正色彩及亮度，且失真經預補償之影像資料作為影像輸入744、745及746提供至MHUD總成210之成像器220。運用MHUD系統200之此設計方法，由凹鏡230引起之剩餘光學失真及其所得目眩效應將實質上減小或完全消除，因此使得可實現一無失真的MHUD系統200。
如圖6之透視圖中圖解說明，MHUD總成210之頂側係一玻璃罩430，其將用作運載工具儀錶盤之頂面處之MHUD總成210之光學介面窗且亦將用作一濾光器，該濾光器將衰減太陽光紅外發射以防止成像器220處之太陽光熱負荷。所使用的玻璃應經選擇以亦實質上對關注的光之波長透明。
MHUD總成210之設計方法利用人類視覺系統(HVS)之特性以簡化MHUD總成210之設計實施方案及總成公差。首先，眼瞳直徑為大約5mm(白天3mm至5mm且夜晚4mm至9mm)及檢視虛擬影像260時之所得橫向敏銳度將允許MHUD總成210的凹鏡230之間之一難以辨認的小間隙，其寬度可達到多至1mm。其次，大約0.5度之眼角差適應限制將允許MHUD總成210的凹鏡230之間之一小的角度傾斜，其可達大約0.15度。此等傾斜及間隙允許陳述了MHUD總成210的凹鏡230之一相當寬鬆的機械對準公差需求且因此實現對MHUD總成210之一極具成本效益製造及組裝方法。軟體中通常可容易適應任何進一步傾斜 及/或對準需求。
圖8圖解說明本發明之MHUD系統200之新穎的分離式眼眶設計方法。圖8之圖解說明意在展示MHUD系統200之聚光眼眶250與虛擬影像260之間的關係。圖8亦圖解說明由MHUD系統200顯示之一例示性目標810(虛擬影像260上展示之箭頭)。在MHUD系統200之設計中，眼眶段255之各者將通常定位在其各自模組215之出射瞳孔處。因此，在眼眶段255之各者內向檢視者的眼睛呈現之影像資訊將在角度空間中。因此，當檢視者的頭部定位在各自眼眶段255之中心區域內時，檢視者將通常可完全看見在眼眶段255之各者內單獨向檢視者的眼睛呈現之虛擬影像260的箭頭目標810，但是當檢視者的頭部分別移至眼眶段255之右側或左側時，虛擬影像260之箭頭目標810之尖端或尾端將逐漸淡出(或逐漸消失)。在MHUD系統200之設計中，當模組215一起整合至MHUD總成210中時(圖6之透視圖解中展示)，模組215之眼眶段255將進行重疊(如圖8中圖解說明)以產生MHUD系統200之聚光眼眶250。因此，MHUD系統200之聚光眼眶250係藉由出射瞳孔區域之重疊形成大量模組215之眼眶段255而形成，因此使在聚光眼眶250內向檢視者的眼睛呈現之影像資訊係在MHUD模組215之組合角度視野內延伸之虛擬影像260之一角度多工視圖。如圖8中圖解說明，當檢視者的頭部分別移至聚光眼眶250之周圍區域之右側或左側時，虛擬影像260之箭頭目標810將在眼眶段255之重疊區域內變成完全可見(或可檢視)，界定MHUD系統200之聚光眼眶250，其中虛擬影像260之箭頭目標810逐漸淡出(或逐漸消失)。
模組215之眼眶段255之間之重疊大小取決於其等角度淡出剖面(圖8中之820)，且將判定MHUD系統200之聚光眼眶250之最終大小。後者被界定為虛擬影像260在其內在所需亮度均勻度下完全可見(或可檢視)之聚光眼眶250的區域邊界或尺寸。圖8亦圖解說明MHUD總成 210跨模組215之重疊眼眶段255之整體區域之所得角度淡出剖面罩。如圖8中圖解說明，將由檢視者感知之虛擬影像260之亮度將包含分別來自模組215之各者之亮度貢獻ΛR、ΛC及ΛL(左側、中心及右側)。用於界定聚光眼眶250之邊界之準則將為跨選定區域之虛擬影像260在其內在一給定臨限值λ內(例如，小於25%)為均勻之眼眶段255之重疊之面積A；即，Var A (Λ R +Λ C +Λ L ) λ，所需均勻度臨限值。運用用於界定圖8中圖解說明之模組215之聚光眼眶250之邊界及眼眶段255之重疊之此準則，跨虛擬影像260之感知亮度將通常包含來自模組215之一者之至少50%之一貢獻。意謂在由所述準則界定之聚光眼眶250之邊界內之任意處，模組215之各者將貢獻虛擬影像260之感知亮度之至少50%。運用MHUD系統200之此設計方法，虛擬影像260之所需亮度均勻度將變為界定聚光眼眶250之大小之準則。圖8中的使用一均勻度臨限值λ=25%之設計實例圖解說明此設計準則，以產生一120mm寬的聚光眼眶250。如圖8之圖解中展示，當使用一均勻度臨限值λ=37.5%時，將界定量測大約150mm之一大約25%的更寬聚光眼眶250。
如圖8中圖解說明，在延伸超出MHUD系統200之聚光眼眶250之右側及左側之眼眶段區域中，虛擬影像之箭頭目標810將隨著檢視者的頭部移動進入此等區域而分別逐漸淡出或逐漸消失。運用MHUD系統200之設計方法，將一模組215添加至MHUD總成210之右側或左側(圖6中圖解說明)將延伸MHUD系統200之聚光眼眶250之橫向寬度分別至右側或左側，如由更早定義之設計準則界定；其中虛擬影像260之箭頭目標810在一所需亮度均勻度下將變得完全可見。當模組215之另一列被添加至MHUD總成210時，正交方向上將發生延伸聚光眼眶250之高度之一類似效果。因此，運用本發明之MHUD系統200之此模組化設計方法，可藉由將更多模組215添加至MHUD總成210中實現具有任何設計選定寬度及高度尺寸之任何任意大小的聚光眼眶250。
本質上，本發明之MHUD系統200之分光退出瞳孔模組化設計方法實現使用大量QPI成像器220及凹鏡230，其等各具有相對較小孔徑且各達成一短的光軌長度以取代先前技術HUD系統中使用之較大影像源及單個鏡之長得多的光學長度。因此，MHUD模組210之較小孔徑成像器220及凹鏡230共同地實現實質上小於可由使用一較大單個影像源及一單個鏡以達成相同大小的眼眶之先前技術HUD系統達成之一體積態樣。此外，MHUD系統200之所達成的聚光眼眶250之大小可藉由使用適當數目的模組215的基本設計元件而調整。相反地，可使MHUD系統200之體積態樣匹配運載工具儀錶盤區域中可用的體積，並同時達成大小大於可裝配在相同可用體積中之一先前技術HUD系統將達成的眼眶之一聚光眼眶250。
為圖解說明本發明之MHUD系統200之體積優點，圖6之透視圖展示使用各具有6.4x3.6mm之一光學孔徑大小之三個QPI成像器220及各具有60x100mm之一光學孔徑大小之三個凹鏡之一MHUD總成210之設計尺寸，以基於亮度均勻度臨限值λ=25%達成一120x60mm的聚光眼眶250。基於圖6中展示之設計尺寸，MHUD總成210之總體積將為大約1350cc(1.35公升)。為比較目的，使用一單個較大孔徑的鏡及一單個較大影像源以達成相同眼眶大小之一先前技術HUD系統之總體積將超過5000cc(5公升)。因此，本發明之MHUD系統200之設計方法將實現體積效率比先前技術HUD系統大(或小)3.7x之一倍數之一HUD系統。為使此體積優點視覺化，圖9圖解說明圖6中圖解說明之安裝在一微型汽車之儀錶盤中之MHUD總成210設計實例之體積。如圖9中圖解說明，本發明之MHUD系統200之體積有效設計在先前技術HUD系統將僅僅不能裝配在其中的極受約束儀錶盤體積下實現一汽車中之HUD容量之增加。
圖10圖解說明MHUD系統200之光線路徑。如圖10中圖解說明且 圖2中先前解釋及圖解說明，包括MHUD總成210之三個QPI成像器220將各用三個影像以相同解析度(例如640x360像素)產生相同影像，且在相同影像由其等三個各自凹鏡230反射之後將用角度來定址更早描述的設計實例之整個120x60mm聚光眼眶250且將共同地跨更早描述的設計實例的125x225mm虛擬影像260提供640x360空間解析度。圖10圖解說明用於在虛擬影像260處產生10,000cd/m2亮度之一設計需求。在大約20%之一典型擋風玻璃反射率及更早解釋之聚光眼眶250邊界定義準則下，三個QPI成像器220之各者將產生大約25,000cd/m2亮度。保守估計，三個QPI成像器220加上MHUD總成210之控制及介面電子器件620將共同地消耗大約2W以產生25,000cd/m2亮度，2W為一先前技術HUD系統之功率消耗的大約25%。
參考圖5中圖解說明之MHUD系統200的效能，圖5之環圍能量標繪圖展示來自180微米大小之凹鏡230的光學孔徑之準直光束之幾何模糊半徑。運用圖6中圖解說明之具有72mm之一有效焦距之模組215設計實例之各者，圖5之環圍能量標繪圖中指示之180微米模糊大小針對源於成像器220之一像素處且由成像器220之對應凹鏡230準直之一光束賦予模組215之各者0.143度之一角展度。目眩效應與來自一像素之全束寬度內之0.143度之一角展度相關聯，而解析度(MTF)係由眼瞳大小取樣之有效光束寬度來決定。圖5之MTF標繪圖展示針對4mm直徑之一典型眼瞳孔徑計算之模組215之各者之MTF。此角展度角度愈小，虛擬影像260處之目眩半徑就愈小。對於在與MHUD系統200之聚光眼眶250相距2.5m處觀察之一虛擬影像260，MHUD系統200設計實例之對應目眩半徑將為6.2mm。使用一單個鏡且具有等於MHUD總成210設計實例之全孔徑大小之一光學孔徑大小之一先前技術HUD系統將具有比模組215之光學孔徑大大約2.4x之一光學孔徑。因為像差模糊大小與孔徑大小的三次冪直接成比例(參考文件[18])，所以若第5階 像差碰巧補償大的第3階像差(這無法由設計有目的地達成)，則具有等於MHUD總成210設計實例之全孔徑大小之一光學孔徑大小之先前技術單個鏡HUD系統將具有近似14.3mm之一對應目眩半徑，否則先前技術單個鏡HUD系統將通常具有大約39.7mm之一對應目眩半徑，其比由MHUD系統200之設計實例達成之目眩半徑大6.2x。亦應注意，運用更早描述之像差預補償方法，MHUD系統200的目眩半徑可實質上下降至此設計實例之所述值之下或甚至完全消除。
圖10亦圖解說明包含太陽光負荷之MHUD系統200之光線路徑。如圖10中圖解說明，撞擊運載工具之擋風玻璃之太陽光之逆光學路徑將到達聚光眼眶250的區域，從而可在虛擬影像260中產生一眩光。在本發明之MHUD系統200之設計中，可到達聚光眼眶250之太陽光線的量將遠小於先前技術HUD系統。首先，假設擋風玻璃240的光學透射係80%，來自太陽之光線將被擋風玻璃衰減為至多其亮度的80%。其次，透射通過擋風玻璃240且由凹鏡230之一者反射朝向其對應成像器220之太陽光線在其向後反射朝向凹鏡230的總成之前將進一步由成像器220之光學孔徑上之抗反射(AR)塗層衰減為至多其亮度的5%。第三，此逆路徑太陽光將接著在其由擋風玻璃240反射朝向聚光眼眶250時進一步衰減為至多其亮度的20%。因為，如更早解釋，模組215之各者之成像器220及凹鏡230為虛擬影像260之亮度貢獻至多50%，所以反射自模組215的由太陽光照射之太陽光眩光將表現為在虛擬影像260處進一步衰減50%。因此，基於此路徑衰減分析，將到達聚光眼眶250之太陽光將被衰減為至多其亮度的0.4%(遠小於1%)。由於MHUD系統200能夠在虛擬影像260處產生10,000cd/m2以上的亮度及0.4%的太陽光眩光，所以MHUD系統200可容忍25,000cd/m2以上之一太陽光亮度，這等效於大約28dB之一統一眩光值(UGR)(或眩光與影像強度比)。值得注意的是，玻璃罩430將吸收紅外線，但是對本發明 之抬頭顯示器中使用之波長的光透明，以防止太陽熱負荷被凹鏡230的總成集中返回至成像器220。
在上文描述之實施例中，多個模組經並排安置以提供重疊的眼眶段以提供寬於眼眶段255本身之一聚光眼眶250。然而，若需要，相反地或此外，該等模組可經安置使得模組215之眼眶段亦經堆疊以提供一更高的聚光眼眶250，此外所有模組在運載工具前面之相同位置處顯示相同虛擬影像。注意，用於提供一更高聚光眼眶250之堆疊通常並非模組之一堆疊，而係由於典型的擋風玻璃之傾斜，眼眶段之堆疊可藉由僅僅對額外模組使用一較大實質上水平區域的儀錶盤而實現。此外雖然先前陳述「如圖2中圖解說明，發射自具有相關光學器件220之每一單個成像器之影像由其相關凹鏡230準直、放大及反射，接著部分自運載工具擋風玻璃240反射以形成在位於運載工具駕駛員(操作者)之標稱頭部位置處之眼眶段255內可見之虛擬影像260」，但是在任何實施例中，由凹鏡達成之準直程度將一定小於完全準直，且可經故意設定以限制將在運載工具前面多遠處形成虛擬影像。在一些例項中，凹鏡可實際上經有目的地設計以使準直失真來抵消像差之任何以下來源，一擋風玻璃之曲率(如果存在)係最明顯的實例。
先前指示，圖2之MHUD總成210之控制及介面電子器件620中可進行軸外失真及傾斜像差及色彩及亮度校正(亦參見圖6)。當然，控制及介面電子器件620中亦可進行(或機械地進行)來自每一模組215之每一影像或影像段之橫向位置校正，使得不顯示雙重影像或雙重影像部分。進一步言之，應注意，「亮度校正」具有至少兩個主要態樣。第一且最明顯的態樣係模組之間的亮度變動之校正，使得來自不同模組之一影像亮度(及色彩)將係不同的。然而，以下事實與此相關聯：影像變形及其他因素可使一個別模組內之影像部分之亮度變動，其中像素間隔之歸因於變形產生的變化可產生一可見亮度像差。若遭遇此 情況，則因為每一模組中之每一個別像素之亮度可個別控制，所以必要時像素亮度可在其中像素間距增加之區域中局部增加，且在其中像素間隔降低之區域中局部降低。最後，應注意，一典型的固態發射像素陣列成像器並非一方形成像器，但通常為不等尺寸之一矩形。因此，成像器定向之選擇亦可提供可有利於本發明之一抬頭顯示器之設計之一額外變數。
以下表1呈現本發明之某些實施例之基於QPI成像器之MHUD系統200之顯著效能特性，該表圖解說明該等實施例與使用一單個較大鏡及一單個較大影像源之先前技術HUD系統相比所具有的效能優點。如表1中展示，本發明之分光退出瞳孔MHUD系統在每種效能類別中比先前技術HUD系統勝過多倍。此外，更早解釋，由於其寬鬆的製造公差及較小尺寸的鏡，本發明之MHUD系統200的成本效益期望遠大於具有相當眼眶大小之先前技術。
因此本發明具有多個態樣，如果需要，該等態樣可單獨或以各種組合或子組合實踐。雖然本文中已針對圖解說明之目的但並非針對 限制目的揭示及描述了本發明之某些較佳實施例，但是熟習此項技術者將瞭解，在不脫離如由以下申請專利範圍全面定義之本發明之精神及範疇的情況下可在其中在形式及細節上進行各種改變。
220‧‧‧光學器件/成像器
230‧‧‧凹鏡
430‧‧‧玻璃罩
610‧‧‧後側壁區段
615‧‧‧光學窗
617‧‧‧頂部邊緣
620‧‧‧控制及介面電子器件/印刷電路板
630‧‧‧背板
640‧‧‧光偵測器

Claims (45)

  1. 一種用於一運載工具之抬頭顯示器，其包括：大量模組，每一該模組具有：一固態發射像素陣列成像器；及一凹鏡，其經安置以朝向一運載工具擋風玻璃準直、放大及反射由該固態發射像素陣列成像器產生之一影像以形成在一眼眶段內可見之一虛擬影像；該大量模組經安置使得該等眼眶段組合以提供具有大於每一模組之該眼眶段之一聚光眼眶之該抬頭顯示器，該聚光眼眶位於一運載工具駕駛員之一標稱頭部位置處。
  2. 如請求項1之抬頭顯示器，其中：每一模組經組態及定位以在來自該運載工具擋風玻璃之相同位置處形成各自虛擬影像，且每一模組的各自眼眶段定位在該各自模組之一出射瞳孔處，使得該大量模組之相鄰眼眶段重疊並組合以形成一分光退出瞳孔眼眶，藉此該聚光眼眶內呈現給該運載工具駕駛員之影像資訊係在一聚光角度視野內延伸之該虛擬影像之一角度多工視圖。
  3. 如請求項2之抬頭顯示器，其中該大量模組之該等眼眶段之該重疊形成一分光退出瞳孔聚光眼眶。
  4. 如請求項2之抬頭顯示器，其中每一模組之該等眼眶段之該大小及該抬頭顯示器中之模組之數目經選擇以提供一聚光眼眶大小來適應一系列駕駛員頭部位置。
  5. 如請求項2之抬頭顯示器，其中該抬頭顯示器之該分光退出瞳孔眼眶使得具有可調大小眼眶及體積態樣之一抬頭顯示器在使用該等相同抬頭顯示器模組的同時能夠匹配各種各樣的運載工具 需求。
  6. 如請求項2之抬頭顯示器，其中藉由併入一或多個額外模組而使該聚光眼眶具有在寬度及/或高度上可擴展之一大小。
  7. 如請求項2之抬頭顯示器，其中該聚光眼眶之邊界係眼眶段之該重疊之區域，在該等區域內，跨該聚光眼眶之該虛擬影像之該亮度在一給定臨限值內係均勻的。
  8. 如請求項7之抬頭顯示器，其中：該等眼眶段之間之該重疊使該駕駛員對該虛擬影像中之任意點之感知併入來自該大量模組之一個以上模組之光學貢獻，藉此使由該大量模組之個別凹鏡之像差引發之光學失真或光線方向偏差在該虛擬影像中之任意點處平均化，從而減小由該駕駛員感知之任何目眩效應。
  9. 如請求項1之抬頭顯示器，其中該等凹鏡具有非球面或自由外觀的反射表面，藉此該等反射表面之該非球面或自由外觀尺寸經選擇以最小化其等光學像差。
  10. 如請求項9之抬頭顯示器，其中該等固態發射像素陣列成像器各包含平衡起因於該各自凹鏡之軸外失真及傾斜像差之相關光學器件，其中該相關光學器件係一單獨的透鏡光學元件或直接附接至該等各自固態發射像素陣列成像器上。
  11. 如請求項10之抬頭顯示器，其中：由該大量凹鏡之各者之一孔徑大小實現之該等像差、該等凹鏡之該等非球面或自由外觀尺寸及該固態發射像素陣列成像器相關光學器件之該等軸外失真及傾斜像差平衡效果共同地最小化由該等凹鏡引起之光學失真，藉此最小化與該抬頭顯示器相關之任何目眩效應。
  12. 如請求項1之抬頭顯示器，其中每一模組提供一光學孔徑大小及 一像素解析度，且每一模組在該虛擬影像位置處提供高於一人類視覺系統可解析之解析度，該額外解析度專用於數位影像變形以預補償由起因於該等凹鏡之像差引起之剩餘光學失真，藉此減小由該抬頭顯示器之該駕駛員感知之任何目眩效應。
  13. 如請求項1之抬頭顯示器，其中藉由選擇包括該抬頭顯示器之多個模組而使該抬頭顯示器之一體積大小匹配一運載工具儀錶盤區域中可用之該體積。
  14. 如請求項1之抬頭顯示器，其進一步包括：一總成，其具有；該大量模組；大量光偵測器；及一控制器；該大量光偵測器各定位在該總成內以偵測發射自該等模組之一各自模組之該固態發射像素陣列成像器之光；該控制器耦合至用於待顯示之虛擬影像之影像資料之一來源、耦合至該等光偵測器之輸出及耦合至該等固態發射像素陣列成像器之輸入，該控制器回應於該等光偵測器之該等輸出而實施電子硬體及/或軟體中之控制功能以控制該等固態發射像素陣列成像器以確保跨該聚光眼眶之該多個眼眶段之色彩及亮度均勻度。
  15. 如請求項14之抬頭顯示器，其中該控制器進一步包含一連接件，該連接件用於耦合至用於控制運載工具儀錶盤亮度之一運載工具之一環境光的光偵測器之一輸出。
  16. 如請求項14之抬頭顯示器，其中：影像資料之該來源係一駕駛員輔助系統，且實施於該控制器中之電子硬體及/或軟體中之該等控制功能包含： 一均勻度迴路功能，其回應於該等光偵測器之該等輸出以計算各自色彩及亮度校正並將該等校正耦合至提供跨該抬頭顯示器之該聚光眼眶之色彩及亮度均勻度所需之該各自多個固態發射像素陣列成像器之各者；一第一控制功能，其組合由該均勻度迴路功能計算之該等色彩及亮度校正與接收自用於控制運載工具儀錶盤亮度之一運載工具之一環境光的光偵測器感測器之一輸入，及；一介面功能，其自該運載工具的駕駛員輔助系統接收該影像資料，將由該控制功能提供之特定色彩及亮度校正併入至提供給每一固態發射像素陣列成像器之該影像資料中，及一第二控制功能，其用於藉由提供如針對該各自固態發射像素陣列成像器校正之影像資料來控制該多個固態發射像素陣列成像器之各者。
  17. 如請求項16之抬頭顯示器，其中：該控制器包含用於耦合至一外部色彩及亮度調整輸入之一外部色彩及亮度校正，且其中該介面功能進一步包含一以下能力：接收一外部色彩及亮度調整及將該外部色彩及亮度調整併入至每一固態發射像素陣列成像器之該影像資料、由該控制功能提供之特定色彩及亮度校正中；及該第二控制功能經組態以藉由提供如針對該各自固態發射像素陣列成像器校正並根據該外部色彩及亮度調整而調整之影像資料來控制該多個固態發射像素陣列成像器。
  18. 如請求項16之抬頭顯示器，其中該介面功能經進一步組態以執行數位影像變形以預補償由起因於該等凹鏡之像差引起之剩餘光學失真，藉此減小由該駕駛員感知之目眩效應。
  19. 如請求項14之抬頭顯示器，其中該控制器係進一步包含一連接 件，該連接件用於耦合至一環境光的光偵測器之一輸出，該環境光的光偵測器之該輸出由該控制器使用以藉由相對於如由該環境光的光偵測器偵測之環境光亮度控制該多個固態發射像素陣列成像器之發射之該亮度來控制該抬頭顯示器之該虛擬影像之亮度。
  20. 如請求項14之抬頭顯示器，其進一步包括形成一光學介面窗之一玻璃罩，該玻璃罩經選擇以使太陽光紅外線發射衰減以減小或防止該多個固態發射像素陣列成像器之各者上之太陽光熱負荷。
  21. 一種用於一運載工具之抬頭顯示器，其包括：大量模組，每一該模組具有；一固態發射像素陣列成像器；及具有非球面或自由外觀反射表面之一凹鏡，其經安置以朝向一運載工具擋風玻璃準直、放大及反射由該固態發射像素陣列成像器產生之一影像以形成在一眼眶段內可見之一虛擬影像；該大量模組經安置以提供具有大於每一模組之該眼眶段之一聚光眼眶之該抬頭顯示器，該聚光眼眶位於一運載工具駕駛員之一標稱頭部位置處；每一模組經組態及定位以在距離該運載工具擋風玻璃之相同位置處形成各自虛擬影像，且每一模組的各自眼眶段定位在該各自模組之一出射瞳孔處，使得該大量模組之一些眼眶段重疊並組合以形成一分光退出瞳孔眼眶，藉此該聚光眼眶內呈現給該運載工具駕駛員之影像資訊係在一聚光角度視野內延伸之該虛擬影像之一角度多工視圖。
  22. 如請求項21之抬頭顯示器，其中該聚光眼眶之邊界係該等眼眶段之該重疊之區域，在該等區域內，跨該聚光眼眶之該虛擬影 像之該亮度在一給定臨限值內係均勻的。
  23. 如請求項21之抬頭顯示器，其中藉由併入一或多個額外模組而使該聚光眼眶具有在寬度及/或高度上可擴展之一大小。
  24. 如請求項21之抬頭顯示器，其中該等固態發射像素陣列成像器各包含平衡起因於該各自凹鏡之軸外失真及傾斜像差之相關光學器件，其中該相關光學器件係一單獨的透鏡光學元件或直接附接至該等各自固態發射像素陣列成像器上。
  25. 如請求項21之抬頭顯示器，其進一步包括：一總成，其具有；該大量模組；大量光偵測器；及一控制器；該大量光偵測器各定位在該總成內以偵測發射自該等模組之一各自模組之該固態發射像素陣列成像器之光；該控制器耦合至用於待顯示之虛擬影像之影像資料之一來源、耦合至該等光偵測器之輸出及耦合至該等固態發射像素陣列成像器之輸入，該控制器回應於該等光偵測器之該等輸出而實施電子硬體及/或軟體中之控制功能以控制該等固態發射像素陣列成像器以確保跨該聚光眼眶之該多個眼眶段之色彩及亮度均勻度。
  26. 如請求項25之抬頭顯示器，其中該控制器進一步包含一連接件，該連接件用於耦合至用於控制運載工具儀錶盤亮度之一運載工具之一環境光的光偵測器之一輸出。
  27. 如請求項25之抬頭顯示器，其中：影像資料之該來源係一駕駛員輔助系統，且實施於該控制器中之電子硬體及/或軟體中之該等控制功能包含： 一均勻度迴路功能，其回應於該等光偵測器之該等輸出以計算各自色彩及亮度校正並將該等校正耦合至提供跨該抬頭顯示器之該聚光眼眶之色彩及亮度均勻度所需之該各自多個固態發射像素陣列成像器之各者；一控制功能，其組合由該均勻度迴路功能計算之該等色彩及亮度校正與接收自用於控制運載工具儀錶盤亮度之一運載工具之一環境光的光偵測器感測器之一輸入及；一介面功能，其自該運載工具的駕駛員輔助系統接收該影像資料，將由該控制功能提供之特定色彩及亮度校正併入至提供給每一固態發射像素陣列成像器之該影像資料中，及一控制功能，其用於藉由提供如針對該各自固態發射像素陣列成像器校正之影像資料來控制該多個固態發射像素陣列成像器。
  28. 如請求項27之抬頭顯示器，其中：該控制器包含用於耦合至一外部色彩及亮度調整輸入之一外部色彩及亮度校正，且其中該介面功能進一步包含一以下能力：接收一外部色彩及亮度調整及將該外部色彩及亮度調整併入至每一固態發射像素陣列成像器之該影像資料、由該控制功能提供之特定色彩及亮度校正中；及該控制功能經組態以藉由提供如針對該各自固態發射像素陣列成像器校正並根據該外部色彩及亮度調整而調整之影像資料來控制該多個固態發射像素陣列成像器。
  29. 如請求項27之抬頭顯示器，其中該介面功能經進一步組態以執行數位影像變形以預補償由起因於該等凹鏡之像差引起之剩餘光學失真，藉此減小由該駕駛員感知之目眩效應。
  30. 如請求項25之抬頭顯示器，其中該控制器係進一步包含一連接 件，該連接件用於耦合至一環境光的光偵測器之一輸出，該環境光的光偵測器之該輸出由該控制器使用以藉由相對於如由該環境光的光偵測器偵測之環境光亮度控制該多個固態發射像素陣列成像器之發射之該亮度來控制該抬頭顯示器之該虛擬影像之亮度。
  31. 如請求項25之抬頭顯示器，其進一步包括形成一光學介面窗之一玻璃罩，該玻璃罩經選擇以使太陽光紅外線發射衰減以減小或防止該多個固態發射像素陣列成像器之各者上之太陽光熱負荷。
  32. 一種形成用於一運載工具之一抬頭顯示器之方法，其包括：使用大量模組及在每一模組中執行將由每一模組中之一固態發射像素陣列成像器發射之一影像引導至一各自凹鏡上以準直、放大及反射該影像；在一運載工具中安裝該大量模組使得來自每一模組中之該凹鏡之該影像可自一運載工具擋風玻璃反射朝向一運載工具操作者的眼睛以表現為該運載工具前面之某個位置處之一各自虛擬影像，該等虛擬影像之該位置對於所有模組而言係相同的；及使每一模組中之該固態發射像素陣列成像器在任何時間發射該相同影像；藉此該運載工具之一操作者可見之一聚光眼眶將大於任何一模組之一眼眶段。
  33. 如請求項32之方法，其中：每一模組經定位以形成各自虛擬影像，其中該各自眼眶段定位在該各自模組之一出射瞳孔處，使得該大量模組之該等眼眶段重疊並組合以形成一分光退出瞳孔聚光眼眶，藉此該聚光眼眶內呈現給該運載工具操作員之影像資訊係在一聚光角度視野 內延伸之該虛擬影像之一角度多工視圖，該大量模組之該等眼眶段之該重疊形成一分光退出瞳孔聚光眼眶。
  34. 如請求項32之方法，其中藉由被提供給每一固態發射像素陣列成像器之影像資料及由每一固態發射像素陣列成像器發射之影像之對應調整以電子形式補償由該等虛擬影像之偏移及傾斜引起之像差。
  35. 如請求項32之方法，其中該等凹鏡係經選擇以最小化光學像差之自由外觀反射表面。
  36. 如請求項32之方法，其中該等凹鏡係經選擇以最小化包含由一彎曲擋風玻璃引起之該等光學像差之光學像差之自由外觀反射表面。
  37. 如請求項32之方法，其進一步包括提供與每一固態發射像素陣列成像器相關聯之光學器件，該等光學器件平衡起因於該各自凹鏡之軸外失真及傾斜像差，該相關光學器件係一單獨的透鏡光學元件或直接附接至該各自固態發射像素陣列成像器上。
  38. 如請求項32之方法，其中每一固態發射像素陣列成像器經選擇以在該虛擬影像位置處提供高於一人類視覺系統可解析之一像素解析度，且針對數位影像變形使用該額外解析度以預補償由起因於該等凹鏡之像差引起之剩餘光學失真，藉此減小由該抬頭顯示器之該駕駛員感知之任何目眩效應。
  39. 如請求項32之方法，其進一步包括：提供大量光偵測器及一控制器；定位該等光偵測器以偵測發射自該等模組之一各自模組之該固態發射像素陣列成像器之光；將該控制器耦合至用於待顯示之虛擬影像之影像資料之一來源、耦合至該等光偵測器之輸出及耦合至該等固態發射像素陣 列成像器之輸入；回應於該等光偵測器之該等輸出在該控制器中實施電子硬體及/或軟體中之控制功能以控制該等固態發射像素陣列成像器以確保跨該聚光眼眶之該多個眼眶段之色彩及亮度均勻度。
  40. 如請求項39之方法，其進一步包括將控制器連接至如用於控制運載工具儀錶盤亮度之一運載工具之一環境光的光偵測器之一輸出。
  41. 如請求項40之方法，其進一步包括：將該控制器耦合至一駕駛員輔助系統以將影像資料提供給該控制器，且實施於該控制器中之電子硬體及/或軟體中之該等控制功能包含：一均勻度迴路功能，其回應於該等光偵測器之該等輸出以計算各自色彩及亮度校正並將該等校正耦合至提供跨該抬頭顯示器之該聚光眼眶之色彩及亮度均勻度所需之該各自多個固態發射像素陣列成像器之各者；一控制功能，其組合由該均勻度迴路功能計算之該等色彩及亮度校正與接收自用於控制運載工具儀錶盤亮度之一運載工具之一環境光的光偵測器感測器之一輸入及；一介面功能，其自該運載工具的駕駛員輔助系統接收該影像資料，將由該控制功能提供之特定色彩及亮度校正併入至每一固態發射像素陣列成像器之該影像資料中，及一控制功能，其用於藉由提供如針對該各自固態發射像素陣列成像器校正之影像資料來控制該多個固態發射像素陣列成像器。
  42. 如請求項40之方法，其進一步包括將一環境光的光偵測器之一輸出耦合至該控制器且使用其輸出以藉由相對於如由該環境光 的光偵測器偵測之環境光亮度控制該多個固態發射像素陣列成像器之發射之該亮度來控制該抬頭顯示器之該虛擬影像之亮度。
  43. 如請求項40之方法，其進一步包括形成一光學介面窗之一玻璃罩，該玻璃罩經選擇以使太陽光紅外線發射衰減以減小或防止該多個固態發射像素陣列成像器之各者上之太陽光熱負荷。
  44. 如請求項40之方法，其進一步包括；將該控制器耦合至一外部色彩及亮度調整輸入且進一步提供一以下能力：接收一外部色彩及亮度調整及將該外部色彩及亮度調整併入至每一固態發射像素陣列成像器之該影像資料、由該控制功能提供之特定色彩及亮度校正中；及藉由提供如針對該各自固態發射像素陣列成像器校正並根據該外部色彩及亮度調整而調整之影像資料來控制該多個固態發射像素陣列成像器。
  45. 如請求項44之方法，其中該控制器經進一步組態以執行數位影像變形以預補償由起因於該等凹鏡之像差引起之剩餘光學失真，藉此減小由該駕駛員感知之目眩效應。
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