TW201802539A - 分裂出射光瞳抬頭顯示系統及方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種分裂出射光瞳抬頭顯示(HUD)系統及方法。該HUD系統架構利用一分裂出射光瞳設計方法，其實現一模組化HUD系統且允許客製化該HUD系統之觀看可視區尺寸，同時減小總體積態樣。一單一HUD模組利用一微像素成像器來產生具有一給定觀看可視區尺寸之一HUD虛擬影像。當一起整合至一單一HUD系統中時，顯示相同影像之多個此等HUD模組使一整合HUD系統能夠具有等於一單一HUD模組之該可視區尺寸之相同倍數之一可視區尺寸。該整合HUD系統之亮度被維持，同時該可視區尺寸變為一單一模組之該可視區之多倍尺寸。該整合HUD系統可由多個單一HUD模組組成以按比例調整該可視區尺寸以匹配預期應用，同時維持系統亮度。

Description

分裂出射光瞳抬頭顯示系統及方法

本發明大體上係關於用於具有將一經顯示之虛擬影像反射至一車輛操作者之一擋風玻璃之汽車、船及其他載器的基於微顯示器之抬頭顯示器(HUD)之領域，且更特定言之，係關於一種包括促成其在一車輛中之安裝及對準兩者之像差校正特徵之小型HUD系統。

HUD作為藉由使汽車駕駛者在視覺上更易感知及更好地獲知汽車儀錶板資訊而無需汽車駕駛者自道路轉移視線及注意力來促成汽車安全性之一視覺輔助技術而日益流行。始終期望減小一HUD系統之體積及成本而無折損效能，諸如不同類型之車輛採用之較寬HUD之減小的影像保真度及亮度、視場及可視區(eye-box)尺寸。 先前技術HUD系統一般可分組成兩種主要類型：光瞳成像HUD及非光瞳成像HUD。一光瞳成像HUD通常由一中繼模組及一準直模組組成，該中繼模組負責中間影像遞送，該準直模組負責影像準直。HUD光瞳亦成像於觀看者之眼睛位置(本文中稱為可視區)處。使用光瞳成像HUD之光展量來產生所期望視場(FOV)及可視區，但歸因於必需的額外光瞳成像功能，光瞳成像HUD之光學複雜度較高且體積較大。光瞳成像HUD適於其中實體體積約束及成本並非過度限制性且其中光學效能要求高之應用。一非光瞳成像HUD未在含有操作者之眼睛之平面(本文中稱為眼睛平面)中形成一相異可視區。具體言之，虛擬影像上之每一場點在眼睛平面中具有一對應可視區，但可視區在眼睛平面中之位置隨著虛擬影像上之場點變更而移位。所有此等單一填充點可視區在眼睛平面中之重疊界定單眼可視區，一隻眼睛可在該單眼可視區內觀察到整個虛擬影像。傳統上，一單眼可視區被定義為非光瞳成像HUD之可視區。非光瞳成像HUD以相同於一放大器之方式運作，其中該放大器之孔徑、FOV及可視區係相關的且取決於虛擬影像距離及眼睛距離。一非光瞳成像HUD由於低其光學複雜度而更常見地用於商用車輛應用中。然而，為了滿足所需可視區尺寸，需要一大HUD孔徑，此導致HUD之一長有效焦距(EFL)來確保足夠影像品質。一長EFL繼而指示需要一較大成像器面板來滿足FOV要求。通常，一LCD面板用作非光瞳HUD之一影像源。替代地，可使用由一微顯示器投影單元產生於一漫射螢幕上之一大投影中間影像。一漫射螢幕之使用加寬來自中間影像之光錐以填充非光瞳HUD孔徑。此等先前技術HUD系統歸因於需要一中繼模組或一中間影像投影單元而趨向於笨重且複雜。圖1-1及圖1-2中分別展示一先前技術光瞳成像HUD (美國專利申請公開案第2013/0100524 A1號)及一非光瞳成像HUD (美國專利申請公開案第2006/0209419 A1號)。 圖1-1中展示之美國專利申請公開案第2013/0100524 A1號中描述之先前技術係基於一微顯示器之一光瞳成像HUD系統。HUD系統需要複雜中繼光學件(參見圖1-1中之元件符號50)以補償像差及遞送中間影像。圖1-1之元件符號20係一歪像非球面組合器。另外，此類型之HUD系統包含用以將一經放大之微顯示器影像投影至一漫射器螢幕(圖1-1中之元件符號70)上之一投影系統(圖1-1中之元件符號80)。微顯示器係DLP型、LCoS型或透射LCD型。此類型之HUD不太適於汽車應用，部分係因為需要使用一組合器。 圖1-2中展示之美國專利申請公開案第2006/0209419 A1號中描述之先前技術係使用一大LCD顯示面板或一漫射影像螢幕(圖1-2中之元件符號3)之一非光瞳成像HUD。元件符號4係擋風玻璃。透鏡(圖1-2中之元件符號2)具有面向凹面鏡(圖1-2中之元件符號7)之一自由曲面表面。該自由曲面表面經設計以校正像差且製造成本高。 圖1-3中展示之美國專利申請公開案第2015/0077857 A1號中描述之先前技術揭示使用單眼視覺來擴展虛擬影像水平寬度而不增大HUD水平孔徑。在圖1-3中，元件符號200表示劃分成三個區帶(圖1-3之元件符號210、220及230)之整個虛擬影像。元件符號300表示劃分成一左區帶(圖1-3之元件符號310)及一右區帶(圖1-3之元件符號320)之可視區。元件符號210對兩個可視區區帶可見，但元件符號220僅對可視區區帶310可見且元件符號230僅對可視區區帶320可見。由經擴展之顯示面板區帶113及112產生單眼影像區帶220及230。HUD尺寸主要由雙眼影像區帶寬度及可視區尺寸控制。圖1-3中之元件符號130係擋風玻璃。 圖1-4中展示之美國專利申請公開案第2015/0103409 A1號中描述之先前技術使用子系統(圖1-4中之元件符號26)之一群組來達成一更小型HUD系統。各子系統具有一相關聯顯示窗格(圖1-4中之元件符號24)，該顯示窗格以某一方式相對於子系統軸定大小及定位以達成一所期望可視區尺寸。待顯示影像分佈遍及顯示面板之群組。再者，所揭示方法係基於一無限遠的虛擬影像，此不涵蓋要求使該虛擬影像在距汽車操作者兩米至三米處之現代車輛HUD系統。此外，子系統之焦距亦基於子系統至複合系統之中心軸的距離而按比例調整。因此，美國專利申請公開案第2015/0103409 A1號中之子系統並不相同但取決於距主軸之距離，因此使先前技術HUD系統並非模組化。 在先前揭示內容美國專利第9,494,794號中，揭示一種抬頭顯示方法，其使用多個發射微尺度像素陣列成像器來實現體積實質上小於使用一單一影像形成源及一單一鏡之一習知HUD系統的一HUD系統。前述揭示內容揭示一種新型分裂出射光瞳HUD系統設計方法，其利用多個發射微尺度像素陣列成像器以使能夠實現具有可按比例調整以匹配廣泛範圍之汽車與小車輛尺寸及價格範圍之體積及成本態樣之一模組化HUD系統。本發明之目的係擴展美國專利第9,494,794號之設計方法以包含用於在距汽車擋風玻璃之一有限距離處形成一虛擬影像之一方法以及用於預補償由該擋風玻璃產生之像差與用於系統安裝及對準之方法。本發明之額外目的及優點將自參考隨附圖式進行的本發明之一較佳實施例之下文詳細描述而變得顯而易見。 關於在說明書中未記述之圖1-1、1-2、1-3、及1-4中所示之參考符號，該等參考符號在其等各別公開文件中討論。

相關申請案之交叉參考 本申請案主張2016年4月12日申請之美國臨時專利申請案第62/321,650號之權利。 在本發明之下文詳細描述中對「一項實施例」或「一實施例」之引用意謂著結合該實施例所描述之一特定特徵、結構或特性包含於本發明之至少一項實施例中。在此詳細描述中之各個位置中片語「在一項實施例中」之出現未必指代相同實施例。 近期已引入一種新類別之發射微尺度像素陣列成像器裝置。此等裝置在包含必需的影像處理驅動電路之一極小單一裝置尺寸中具有高亮度、極快多色彩光強度及空間調變能力之特徵。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)，其開關狀態由一CMOS晶片(或裝置)內所含之驅動電路控制，成像器之發射微尺度像素陣列接合於該CMOS晶片(或裝置)上。包括此等成像器裝置之發射陣列之像素之尺寸可在近似5至20微米之範圍中，其中裝置之一發射表面積係在近似15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通常透過其CMOS晶片之驅動電路而在空間上、在色度上及在時間上可個別定址。由此等成像器裝置產生之光之亮度可以合理的低功率消耗達到100,000 cd/m2之倍數。一個實例中係下文所描述之例示性實施例中提及之QPI裝置(參見美國專利第7,623,560號、第7,767,479號、第7,829,902號、第8,049,231號、第8,243,770號及第8,567,960號)。然而，應理解，前述QPI裝置僅係可在本發明中使用之裝置之類型之一實例。因此，在下文描述中，對一QPI裝置或簡稱「成像器」之參考應被理解為出於在所揭示之實施例中具體說明之目的，且並非對本發明之任何限制。 本發明組合QPI裝置之發射微像素陣列裝置獨有的能力與一新型分裂出射光瞳HUD系統架構以實現一低成本且小體積的模組化HUD (MHUD)系統，該模組化HUD (MHUD)系統可用於其中成本及體積約束最為重要之應用，諸如一汽車HUD。本發明之QPI之上述發射高亮度微發射器像素陣列與分裂出射光瞳HUD架構的組合實現足夠亮以在高亮度環境日光中有效地操作而體積足夠小以配合於廣泛範圍之汽車尺寸之儀錶板後方的HUD系統。由QPI實現之分裂出射光瞳HUD架構之低成本及模組化實現可經客製化以配合廣泛範圍之汽車的體積約束之一模組化HUD系統。本文中揭示之分裂出射光瞳HUD系統之優點將自本文在下文段落中描述之實施例之內文中提供之詳細描述而變得更顯而易見。 圖2-1及圖2-2繪示本發明之模組化HUD (MHUD)系統200之一較佳實施例。如圖2-1及圖2-2中繪示，本發明之MHUD系統200之較佳實施例由一折射蓋透鏡240及MHUD準直總成205組成，該MHUD準直總成205繼而由多個單一準直模組235組成，該多個單一準直模組235組裝在一起以形成MHUD準直總成205，藉此各單一準直模組235由具有一相關聯透鏡220及一單一凹面鏡段230之一單一成像器210 (或QPI裝置)組成。如圖2-1中繪示，自具有相關聯透鏡220之各單一QPI裝置210發射之影像藉由其相關聯凹面鏡段230反射及準直，接著藉由折射蓋透鏡240組合且部分反射離開擋風玻璃270以形成可在定位於車輛駕駛者之標稱位置處之可視區段250內觀看的虛擬影像260。如圖2-1中繪示，MHUD準直總成205之單一準直模組235之各者連同折射蓋透鏡240一起經安置以在來自車輛擋風玻璃270之相同位置處但各在一不同可視區段255處形成虛擬影像260，使得MHUD準直總成205之多個單一準直模組235共同形成MHUD系統200之經組合可視區250。相應地，可藉由選擇適當數目個單一準直模組235 (包括MHUD準直總成205)來客製化MHUD系統200之可視區255之總尺寸。在下文段落中更詳細地進一步解釋本發明之MHUD系統200之此分裂出射光瞳設計方法。 在本發明之MHUD系統200之較佳實施例中，MHUD準直總成205由多個單一準直模組235組成，該多個單一準直模組235組裝在一起以形成MHUD準直總成205，藉此各單一準直模組235由具有相關聯光學件220及一單一凹面鏡段230之一單一QPI裝置210組成。在下文段落中更詳細地描述本發明之MHUD系統200之MHUD準直總成205及其構成準直模組的設計方法之一詳細描述，在其之前解釋本發明之MHUD系統200之某些有關優點及相關設計參數權衡。MHUD 系統 200 之光學設計參數權衡 為了明白本發明之MHUD系統200之優點，解釋典型HUD系統之潛在設計權衡及其等有關設計參數之間的關係係有用的。由一HUD系統產生之影像通常疊加於自然場景上以允許操作車輛之觀看者在視覺上感知車輛操作參數及提供關鍵資訊(舉例而言諸如導航)，而無需駕駛者自道路或車輛之外部環境轉移其視線及注意力。在一HUD系統之設計中考量之重要參數包含：可視區之目標尺寸、所期望視場(FOV)、成像器尺寸、影像解析度及系統體積約束。圖3中繪示此等設計參數與約束間的關係。自圖3可見，HUD系統體積受光學複雜度及有效焦距(EFL)影響。一方面，一光學系統越複雜，需要越大數目個元件且系統體積趨向於越大。另一方面，EFL越長，系統趨向於越大。EFL部分地由視場(FOV)及成像器尺寸判定。對於相同FOV，一較大成像器尺寸將使EFL較大且因此使HUD體積較大。光學複雜度繼而受HUD F/#及所需影像解析度影響。HUD F/#繼而受EFL及HUD可視區尺寸影響。本發明之模組化 HUD (MHUD) 如何實現一減小的體積 再次參考圖3，MHUD系統200之成像器210尺寸之一減小導致一更小有效焦距(EFL)，其係該系統之特性光學軌跡長度且大體上促成一系統體積減小。但是，若維持可視區尺寸，則成像器尺寸減小將導致一更低系統F/#，其伴隨一光學複雜度增大。此大體上導致一更大系統體積。參考圖2-1及圖2-2中之MHUD系統200，各單一準直模組235之可視區255之尺寸連同成像器210之尺寸一起按比例調整以避免光學複雜度增大。此導致藉由成像器210之尺寸比按比例調整單一準直模組235之各者之體積。多個單一準直模組235可經組合以形成提供一任意尺寸可視區250之一MHUD準直總成205。本發明之MHUD系統200之此新型多段可視區設計概念藉由將形成於觀看者之可視區處之該系統之出射光瞳分裂成多個段而實現，各段對應於包括本發明之MHUD系統200之總可視區250之可視區段255之一者。此分裂出射光瞳設計方法允許本發明之MHUD系統200達成小於提供相同尺寸可視區之先前技術HUD系統之一總體積態樣。此期望地導致總HUD體積及成本之一減小。在下文論述中描述本發明之MHUD系統200之分裂出射光瞳設計方法之其他優點。 使用美國專利申請公開案第2006/0209419 A1號之一單一鏡反射器之先前技術非光瞳成像HUD系統併入一長EFL以減小其光學複雜度。除鏡自身之非期望的大尺寸外，影像源之尺寸亦必須成比例地大，此指示使用一大尺寸成像器(諸如一LCD面板)或形成投影於一漫射螢幕上之一大尺寸中間影像，其增加併入投影儀成像器及其相關聯投影光學件所必需之甚至更大體積。如前文論述中解釋，本發明之MHUD系統200藉由使用由多個單一準直模組235組成之MHUD準直總成205來達成實質上小於將一單一凹面鏡用作主要反射器之先前HUD系統之一體積態樣，各單一準直模組235使用組裝在一起以形成尺寸小得多且達成一小得多光學軌跡長度之MHUD準直總成205之總反射器的一較小尺寸成像器及一單一較小尺寸鏡230。共同達成較小鏡尺寸及較小光學軌跡長度有利地導致本發明之實質上較小體積MHUD系統200。 本發明之MHUD系統200之設計藉由將通常由一單一大鏡產生之大孔徑光束劃分成預定數目個(在所繪示之實施例中，三個)相等尺寸的經準直子光束而運作，該等子光束接著藉由折射蓋透鏡240組合以形成一共同虛擬影像。由單一準直模組235之光學子系統產生各子光束。因此，焦距(EFL)(或光學軌跡長度)減小且因此系統之實體體積包絡減小。圖4繪示單一準直模組235 (包括MHUD準直總成205)之光學設計態樣及一光線追蹤圖。如圖4中繪示，單一準直模組235由一個QPI裝置210連同其相關聯光學件220及凹面反射鏡段230組成。儘管在圖4中繪示之實施例中，與QPI裝置210相關聯之光學件220被展示為一單獨透鏡光學元件，但在本發明之一替代實施例中，QPI相關聯光學件220可直接安裝於QPI裝置210之發射表面頂部上以使QPI及其相關聯光學件成為QPI裝置總成225。如圖4中繪示，單一準直模組235之各者使由其對應QPI (或成像器) 210產生之影像準直以形成可視區250之一段255。為了降低單一準直模組235之成本，透鏡220可為一旋轉對稱非球面塑膠透鏡，而鏡230可為一旋轉對稱非球面鏡之一偏軸段。透鏡220之有效孔徑亦可為圖4中展示之旋轉對稱透鏡之一偏軸段。因此，一單一準直模組235之體積實際上較小。單一準直模組235中之光學像差可由一對稱平面內之透鏡220及鏡230的一經設計偏移及傾斜而控制，該對稱平面之法向向量與圖2-2中之單一準直模組235之堆疊方向重合。QPI裝置210亦在此相同對稱平面內傾斜以減小單一準直模組235中之像差。因此，單一準直模組235在波前校正及失真校正兩者中達成良好光學效能而無需求助於一自由曲面或非對稱光學表面，該自由曲面或非對稱光學表面難以製造且成本高，但在先前技術HUD設計中相當常見。此外，一單一對稱平面在單一準直模組235內的存在簡化機械安裝設計，同時藉由減少對準挑戰來增大其可製造性。折射蓋透鏡240可為具有一梯形孔徑之一旋轉對稱塑膠透鏡。折射蓋透鏡240具有至少三個主要功能：1)：自外界環境密封單一準直模組235；2)組合來自單一準直模組235之經準直資訊以形成一共同虛擬影像，該共同虛擬影像在於擋風玻璃270上反射之後，可自可視區250觀看為如同出現於擋風玻璃270前方之某一平面260處；3)藉由折射蓋透鏡240之一經設計傾斜來平衡擋風玻璃270處引入之像差，使得沿光學軸下行之光線係由可視區250之中心界定且虛擬影像260在折射蓋透鏡240之前表面極點處以一較佳角度且以一較佳方位平面進入折射蓋透鏡240。特定言之，一駕駛者非從擋風玻璃之中心向外看，而是從駕駛者之側向外看。因此，雖然自引擎蓋至車頂之一擋風玻璃相當直，但在另一軸上彎曲，因此以平行於車輛側之一垂直平面入射至擋風玻璃之駕駛者側處之一光將部分以一角度朝向車輛之相對側反射，而非直接反射回總體可視區或眼睛平面250。由經設計之傾斜補償所描述之擋風玻璃之局部角度，使得至重疊可視區段之反射直接進入可視區段，而非如上文所描述般成角度。圖2-2中示意地繪示該傾斜，其中可見折射透鏡與準直模組235之間的分離「a」實質上大於折射透鏡之另一端處之對應分離。在先前技術HUD中，通常由成本更高且更難以適當對準之一非對稱組件(諸如一圓柱形或自由曲面透鏡)校正擋風玻璃270之像差。本發明之裝置及方法之一優點係單一準直模組235、MHUD準直總成205及折射蓋透鏡240之設計及功能的完全分離。單一準直模組235經設計以執行可獨立測試、對準及校準之準直。數個經校準之單一準直模組235經堆疊以形成MHUD準直總成205，該MHUD準直總成205之機制確保構成的單一準直模組235之相同角度指向。可運用數位校正校準MHUD準直總成205中之構成的單一準直模組235之角度指向中之殘餘誤差。折射蓋透鏡240實質上被設計為具有可獨立測試之旋轉對稱表面之一傅立葉變換透鏡。在相對於擋風玻璃270對準折射蓋透鏡240之後，可使用在與主光線之方向相反的方向上行進之一引導雷射光束。折射蓋透鏡240可相對於其表面上之經反射雷射光束而調整。一旦折射蓋透鏡240經正確地定位及定向，便可運用一合適機制或透過施加至所有構成的QPI裝置210之一額外全域數位扭曲而相對於折射蓋透鏡240角度地調整MHUD準直總成205。運用擋風玻璃校正之大多數先前技術HUD經設計為不允許HUD之獨立測試之耦合系統。顯然MHUD 200之分離方法促成其在一車輛中之測試、對準及安裝。 在本發明之另一實施例中，MHUD準直總成205之成像器210具有高於人類視覺系統(HVS)可用專用於由像差引起之殘餘光學失真之一數位影像扭曲預補償之增加的解析度解析之內容之一解析度。在一典型HUD觀看體驗中，虛擬影像形成於近似2.3 m之一距離處。HVS之橫向敏銳度係近似582微弧度。在彼距離處，HVS可粗略地解析2300x0.000582=1.33 mm像素，其等效於針對具有一10"對角線大小之一虛擬影像260之近似180x61像素解析度。MHUD準直總成205中使用之QPI成像器210可運用相同尺寸光學孔徑提供遠高於此限度之一解析度，例如640x360解析度或甚至1280x720解析度。QPI成像器210運用相同尺寸光學孔徑提供一更高解析度能夠實現具有相同尺寸光學孔徑之鏡230的使用，因此維持MHUD準直總成205之體積優點。QPI成像器210之增加的解析度允許數位影像扭曲預補償之使用，其虛擬地消除光學失真，同時維持虛擬影像260處之最大可達成解析度及具有相同體積優點。 各單一準直模組235 (包括MHUD準直總成205)較佳實質上相同。此藉由在大量生產中利用大體積而降低系統成本。若如本申請案所指示般期望一較大可視區250，則可將額外單一準直模組235添加至MHUD準直總成205，其中折射蓋透鏡240係由具有一較大孔徑之折射蓋透鏡取代。此使MHUD 200極易按比例放大或縮小來滿足特定應用要求。 圖5繪示MHUD準直總成205之一較佳實施例之一多視角透視圖。如圖5中展示，在所繪示之實施例中，MHUD準直總成205由一起組裝於包殼600內之三個折射凹面鏡230組成。三個鏡230可單獨地製造，接著一起配合於包殼600內，或可製造為一單一部件，接著配合於包殼600內。可藉由壓印光學級塑膠，其中任何光學表面隨後使用已知濺鍍技術或使用運用薄膜沈積技術沈積之一介電質塗層而塗佈有一反射塗層之一薄層而製造三鏡段230 (無論單獨地組裝或作為一單一光學部件組裝)。如圖5之側面透視圖中繪示，背側壁區段615之各者之頂部邊緣617朝向鏡段230成角度以允許可安裝於背側壁區段615之成角度邊緣表面617上之成像器210與其等之各自鏡段230之光學軸對準。 如圖5之後側透視圖中繪示，背側壁區段610可一起組裝於背板630之一側上，其中MHUD準直總成205之介面電子器件元件(例如，印刷電路板) 620安裝於背板630之相對側上。另外，背板630亦可併入熱冷卻片來消散由成像器210及MHUD準直總成205之介面電子器件元件(例如，印刷電路板) 620產生之熱。如圖5之後側透視圖中繪示，成像器210之各者通常將安裝於將成像器210連接至控制及介面電子器件板620之一撓性電板618上。 如圖5之後側透視圖中繪示，鏡230及背側壁區段610之各對之介面邊緣之中心併入光偵測器(PD) 640，通常光二極體，各光偵測器640經定位及經定向以偵測自成像器210發射至其等各自鏡230上之光。光偵測器(PD) 640之輸出連接至MHUD準直總成205之介面電子器件板620且用作至在介面電子器件元件(印刷電路板) 620之硬體及軟體設計元件內實施之均勻度控制迴路(在下文論述中描述)之輸入。通常作為大多數車輛之儀錶板亮度控制器之一整合部分之環境光光偵測器感測器650之輸出亦提供至MHUD準直總成205之介面電子器件元件620作為一輸入。 MHUD準直總成205之介面電子器件元件620併入圖6之方塊圖中繪示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730。通常依一硬體及軟體之組合實施之MHUD準直總成205之介面電子器件元件620之MHUD介面功能710自車輛之駕駛者輔助系統(DAS)接收影像輸入715並向其(影像)併入由控制功能720提供之色彩及亮度校正735中，接著將影像輸入744、745及746提供至MHUD準直總成205之成像器210。儘管相同影像輸入715資料將被提供至MHUD準直總成205之(三個)成像器210，但介面功能710基於自控制功能720接收之色彩及亮度校正735而將各成像器210之特定色彩及亮度校正併入其等各自輸入744、745及746中。 為了確保跨可視區250之多個段255之色彩及亮度均勻度，介面電子器件元件620之均勻度迴路功能730自MHUD準直總成205之子總成之各者之光偵測器640接收輸入信號754、755及756，運算與MHUD準直總成205之子總成235之各者相關聯之色彩及亮度，接著計算使色彩及亮度跨可視區250之多個段255更均勻所需之色彩及亮度校正。此可在一初始校準查找表之協助下完成，該初始校準查找表將在最初組裝MHUD準直總成205時執行並儲存於介面電子器件元件620之記憶體中。接著將由均勻度迴路功能730計算之色彩及亮度校正提供至控制功能720，該控制功能720將此等校正與自環境光偵測器接收之輸入及外部色彩及亮度調整輸入命令725組合以產生色彩及亮度校正735，該等色彩及亮度校正735接著在經校正影像資料作為輸入744、745及746被提供至成像器210之前由介面功能710併入至該影像資料中。 如先前在描述使用具有高於虛擬影像260處之最大HVS可解析解析度之解析度之成像器210的MHUD系統200之一項實施例之描述中解釋，彼實施例之MHUD系統200之MHUD準直總成205之MHUD介面功能710亦可併入多個查找表，各查找表併入識別預補償單一準直模組235之各者之殘餘光學失真所需之數位影像扭曲參數之資料。由MHUD介面功能710使用此等參數來使成像器210之各者之數位影像輸入扭曲，使得至成像器210之各者之影像資料輸入預補償其等對應單一準直模組235殘餘失真。併入MHUD介面功能710之查找表中之數位影像扭曲參數可初步自MHUD準直總成205之光學設計模擬產生且接著在由MHUD介面功能710應用數位影像扭曲預補償之後用基於各MHUD模組235之殘餘光學失真之量測之光學測試資料增強。接著將所得數位扭曲影像資料與由控制功能720提供之影像校正資料735組合，接著將經色彩及亮度校正且經失真預補償之影像資料作為輸入744、745及746提供至MHUD準直總成205之成像器210。運用MHUD系統200之此設計方法，由單一準直模組235引起之殘餘光學失真實質上一起減小或消除，因此使得可實現一無失真MHUD系統200。 如圖5之透視圖中繪示，MHUD準直總成205之頂部側係折射蓋透鏡240，該折射蓋透鏡240將在車輛儀錶板之頂部表面處用作MHUD準直總成205之光學介面窗且亦將用作一濾光器，該濾光器將衰減日光紅外發射以防止成像器210處之日光熱負載。替代地，鏡230可塗佈為一冷光鏡(透射長波長)以減小成像器210處之日光負載。 MHUD準直總成205之設計方法利用人類視覺系統(HVS)之特性來簡化MHUD準直總成205之設計實施及組裝容限。首先，直徑近似2至4 mm之眼睛瞳孔將允許MHUD準直總成205鏡段230之間之寬度可達到近似1 mm之難以辨別的小間隙。此外，微顯示器210上之數位影像內容移位將具有變更來自各單一準直模組235之經準直資訊之角度定向之效應，其可用來抵消各單一準直模組235之機械角度指向誤差。此等傾斜及間隙容許量對MHUD準直總成205設定一寬鬆的機械對準容限要求且因此對MHUD準直總成205實現一極具成本效益之製造及組裝方法。 圖7繪示對比先前技術非光瞳成像單一可視區HUD之本發明之MHUD系統200之分裂可視區設計方法。在圖7中之分裂可視區HUD中，三個單一準直模組235形成MHUD準直總成205。透過所有單一模組235向觀看者呈現各虛擬影像點，其中來自各自模組之光錐由圖7中之1、2或3標記。在眼睛平面處，來自相同虛擬影像點但穿過不同單一模組235之光錐堆疊以形成經組合之單一虛擬影像點可視區250，其中可視區分量255對應於來自單一模組235之光錐。歸因於MHUD準直總成205與眼睛平面250之間的分離，經組合之單一虛擬影像點可視區隨著單一虛擬影像點隨虛擬影像目標變更而在眼睛平面內移位。MHUD總成200之單眼可視區經界定為所有單一虛擬影像點可視區之重疊，可用一隻眼睛在該重疊內看見整個虛擬影像。在圖7之右側，展示一非光瞳成像單一可視區HUD。透過單一可視區HUD之全孔徑向觀看者呈現虛擬影像上之各點且單一虛擬影像點可視區亦隨著單一虛擬影像點隨虛擬影像目標變更而在眼睛平面內移位。單眼可視區再次由所有單一虛擬影像點可視區之重疊界定。如圖7中繪示，儘管對於單眼可視區內之任何眼睛位置，箭頭物件透過一單一準直模組235部分可見，但藉由組合透過其他單一模組235到達相同眼睛位置之資訊，該箭頭物件將變得完全可見。隨著眼睛位置移出單眼可視區，箭頭物件將逐步漸暈。對於光學孔徑遠大於MHUD準直總成205之一單一模組235之光學孔徑的非光瞳成像單一可視區HUD而言，觀看體驗係相同的。 如圖7中繪示，在延伸超出MHUD系統200之可視區250之右側及左側之可視區區域中，虛擬影像之箭頭物件將分別隨著觀看者之頭部移動至此等區域中而逐步漸暈。運用MHUD系統200之設計方法，將一MHUD模組235添加至MHUD準直總成205(圖5中繪示)之右側或左側將使MHUD系統200之可視區250之橫向寬度分別延伸至右側或左側，其中虛擬影像260之箭頭物件將變得完全可見。在將另一列MHUD模組235添加至MHUD準直總成205時，使可視區250之高度延伸之類似效應將在正交方向上發生。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MHUD模組235添加至MHUD總成205中來實現具有任何設計選定寬度及高度大小之任何任意尺寸可視區250。 本質上，本發明之MHUD系統200之分裂出射光瞳模組化設計方法實現多個QPI成像器210及鏡230之使用，各QPI成像器210及鏡230具有相對較小孔徑且各達成一短光學軌跡長度來取代先前技術HUD系統中使用之較大影像源及單一鏡之長得多的光學長度。因此，MHUD準直模組205之成像器210及鏡230之較小孔徑將共同實現實質上小於可由使用較大單一影像源及單一鏡來達成相同尺寸可視區之先前技術HUD系統達成的一體積態樣。此外，可藉由使用適當或預定數目個MHUD準直模組235作為基本設計元素來客製化MHUD系統200之經達成可視區250之尺寸。相反，可使MHUD系統200之體積態樣匹配車輛儀錶板區域中可用之體積，同時達成尺寸大於可由可配合於相同可用體積中之一先前技術HUD系統達成之一可視區250。 圖8繪示安裝於一超小型汽車之儀錶板中之圖5中繪示之MHUD準直總成205之設計實例。如圖8中繪示，本發明之MHUD系統200之體積有效設計實現在具有其中先前技術HUD系統將無法簡單地配合之極受約束儀錶板體積之汽車中添加HUD能力。 圖9繪示MHUD系統200之光線路徑。如圖9中繪示，且如先前在圖2-1及圖2-2中解釋及繪示，所繪示之三個QPI成像器210 (包括MHUD準直總成205)各以相同解析度(例如640x360像素)且在相同位置處產生242x82 mm之相同虛擬影像260，該虛擬影像260在由擋風玻璃270反射之後將可自先前描述之設計實例之整個可視區250觀看。圖9繪示用來在虛擬影像260處產生一10,000 cd/m2之亮度之一設計。運用近似20%之一典型擋風玻璃反射率，三個QPI成像器210之各者將產生約50,000 cd/m2之亮度。保守估計，三個QPI成像器210加上MHUD準直總成205之介面電子器件元件620將共同消耗近似4 W來產生50,000 cd/m2之亮度，其係一先前技術HUD系統之功率消耗之近似50%。 圖9亦繪示包含日光負載之MHUD系統200之光線路徑。如圖9中繪示，照射車輛之擋風玻璃且進入MHUD準直總成205的日光之反向光學路徑將到達可視區250區域，此可能引起虛擬影像260中之一眩光。在本發明MHUD系統200之設計中，與先前技術HUD系統相比，可到達可視區250之日光光線之量將小得多。第一，假定擋風玻璃270之光學透射係80%，則來自太陽之光線將藉由擋風玻璃270衰減至其亮度之至多80%。第二，透射穿過擋風玻璃270且藉由鏡230之一者朝向其對應成像器210反射之日光將在其朝向鏡230總成反射回來之前藉由成像器210之光學孔徑上之抗反射(AR)塗層進一步衰減至其亮度之至多5%。第三，此反向路徑日光接著將在其藉由擋風玻璃270朝向可視區250反射時進一步衰減至多達其亮度之20%。另外，QPI成像器210可設計為傾斜以在於成像器210上反射之後使傳入日光反彈出系統。假定50%日光可以此方式受抑制，則自由日光照射之MHUD準直總成205反射之日光眩光將表現為在虛擬影像260處進一步衰減達50%。因此，基於此路徑衰減分析，將到達可視區250之日光將衰減至其亮度之至多0.4% (遠小於1%)。在MHUD系統200能夠在虛擬影像260處產生大於10,000 cd/m2之亮度及0.4%日光眩光之情況下，MHUD系統200可容忍大於250,000 cd/m2之一日光亮度，其等效於近似28 dB之一統一眩光值(UGR)(或眩光-影像強度比)。值得一提的是，折射蓋透鏡240可為紅外吸收的或鏡230可為一冷光鏡(透射長波長)以防止日光負載熱藉由鏡230總成而回聚至QPI成像器210。 表1呈現本發明之MHUD系統200之突出效能特性，其繪示MHUD系統200與使用一單一較大鏡及一單一較大影像源之先前技術HUD系統相比的效能優點。

*先前技術HUD基於使用一高亮度LCD面板作為影像源表 1 ：效能比較 如表1中展示，本發明之分裂出射光瞳MHUD系統在每一效能類目中勝過先前技術HUD系統達數倍。另外，由於先前解釋之本發明之MHUD系統200之寬鬆的製造容限及較小尺寸鏡，MHUD系統200所具之成本效益遠大於具有可比較可視區尺寸之先前技術。 因此，本發明具有多個態樣，該等態樣可根據期望單獨地或以各種組合或子組合方式實踐。雖然已出於繪示之目的且非限制之目的在本文中揭示及描述本發明之某些較佳實施例，但熟習此項技術者將理解，在不背離如由隨附發明申請專利範圍之完整範圍界定的本發明之精神及範疇之情況下，可在本文中作出各種形式及細節變更。

1‧‧‧光錐
2‧‧‧透鏡/光錐
3‧‧‧漫射影像螢幕/光錐
4‧‧‧擋風玻璃
20‧‧‧歪像非球面組合器
24‧‧‧顯示窗格
26‧‧‧子系統
50‧‧‧中繼光學件
70‧‧‧漫射器螢幕
80‧‧‧投影系統
112‧‧‧經擴展之顯示面板區帶
113‧‧‧經擴展之顯示面板區帶
130‧‧‧擋風玻璃
200‧‧‧虛擬影像/模組化抬頭顯示(MHUD)系統/MHUD總成
205‧‧‧MHUD準直總成
210‧‧‧區帶/單一成像器/QPI裝置/QPI成像器/微顯示器
220‧‧‧單眼影像區帶/透鏡/QPI相關聯光學件
225‧‧‧QPI裝置總成
230‧‧‧單眼影像區帶/單一凹面鏡段/凹面反射鏡段/折射凹面鏡
235‧‧‧單一準直模組/子總成
240‧‧‧折射蓋透鏡
250‧‧‧可視區段/總體可視區或眼睛平面
255‧‧‧可視區段/可視區分量
260‧‧‧虛擬影像/平面
270‧‧‧擋風玻璃
300‧‧‧可視區
310‧‧‧左區帶/可視區區帶
320‧‧‧右區帶/可視區區帶
610‧‧‧背側壁區段
615‧‧‧背側壁區段
617‧‧‧頂部邊緣/成角度邊緣表面
620‧‧‧介面電子器件元件/控制及介面電子器件板
630‧‧‧背板
640‧‧‧光偵測器(PD)
710‧‧‧MHUD介面功能
715‧‧‧影像輸入
720‧‧‧控制功能
725‧‧‧外部色彩及亮度調整輸入命令
730‧‧‧均勻度迴路/均勻度迴路功能
735‧‧‧色彩及亮度校正/影像校正資料
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
a‧‧‧分離

在下文描述中，即使在不同圖式中，類似圖式元件符號用於類似元件。本描述中定義之事項(諸如詳細構造及設計元件)經提供以協助全面理解例示性實施例。然而，本發明可在無彼等具體定義之事項之情況下實踐。再者，未詳細描述熟知的功能或構造，此係因為其等將使本發明因不必要的細節而模糊不清。為了理解本發明及看其可如何在實踐中實行，現將僅藉由非限制性實例參考隨附圖式描述本發明之一些實施例，其中： 圖1-1繪示一先前技術抬頭顯示(HUD)系統。 圖1-2繪示一進一步先前技術抬頭顯示(HUD)系統。 圖1-3繪示一又進一步先前技術抬頭顯示(HUD)系統。 圖1-4繪示一又進一步先前技術抬頭顯示(HUD)系統。 圖2-1及圖2-2繪示本發明之模組化HUD (MHUD)系統。 圖3繪示本發明之MHUD系統之選定設計參數與約束之間的關係。 圖4繪示包括本發明之MHUD總成的一單一HUD模組之選定光學設計態樣及一光線追蹤圖。 圖5繪示本發明之MHUD系統的MHUD總成設計實例之一多視角透視圖。 圖6繪示本發明之MHUD系統的介面及控制電子器件設計元件(板)之一功能方塊圖。 圖7繪示本發明之MHUD系統200之新型分裂可視區設計方法。 圖8繪示安裝於一超小型汽車之儀錶板中之圖5中繪示之MHUD總成設計實例之體積。 圖9繪示包含日光負載之本發明之MHUD系統200之一光線路徑。

210‧‧‧區帶/單一成像器/QPI裝置/QPI成像器/微顯示器

220‧‧‧單眼影像區帶/透鏡/QPI相關聯光學件

230‧‧‧單眼影像區帶/單一凹面鏡段/凹面反射鏡段/折射凹面鏡

240‧‧‧折射蓋透鏡

a‧‧‧分離

Claims (15)

1. 一種抬頭顯示器，其包括： 複數個影像源； 一準直模組，其與各影像源相關聯以使由該各自影像源發射之一影像準直； 一折射透鏡，其經安置以自該複數個準直模組接收經準直影像，各影像部分反射離開一車輛之一擋風玻璃，以形成一虛擬影像，該等虛擬影像形成可在由與各經準直影像相關聯之可視區段形成之一總體可視區內於來自該車輛擋風玻璃之相同位置處觀看之一總體影像，該折射透鏡相對於該等準直模組傾斜以補償在一車輛之一駕駛者側上之該擋風玻璃之一局部角度，使得至該等重疊可視區段之該部分反射直接進入該總體可視區。
2. 如請求項1之抬頭顯示器，其中各影像源由一成像器及一相關聯透鏡組成。
3. 如請求項2之抬頭顯示器，其中與一各自成像器相關聯之各透鏡係一旋轉對稱非球面塑膠透鏡，其中一有效孔徑係該旋轉對稱透鏡之一偏軸段。
4. 如請求項1之抬頭顯示器，其中該複數個影像源及該等準直模組呈陣列形式且其中該等準直模組係相同的。
5. 如請求項4之抬頭顯示器，其中該準直模組加上其對應影像源具有一對稱平面。
6. 如請求項5之抬頭顯示器，其中各準直模組包括一凹面鏡，且其中該凹面鏡係一旋轉對稱非球面鏡之一偏軸段。
7. 如請求項5之抬頭顯示器，其中該成像器在該對稱平面內傾斜。
8. 如請求項1之抬頭顯示器，其中各準直模組包括一凹面鏡。
9. 如請求項1之抬頭顯示器，其中該折射透鏡係一旋轉對稱元件且相對於一光學軸傾斜以平衡在一車輛擋風玻璃處引入之像差。
10. 如請求項1之抬頭顯示器，其中該影像源陣列及該準直模組陣列經配置以形成一總成以確保來自各模組之影像指向相同方向及最小化模組之間的間隙。
11. 如請求項1之抬頭顯示器，其中該折射透鏡同時用作該準直模組陣列總成之一蓋。
12. 如請求項1之抬頭顯示器，其中光偵測器接近該各自影像源安置於各準直模組內以實施一均勻度控制迴路。
13. 如請求項1之抬頭顯示器，其中該影像源具有高於一虛擬影像處之彼解析度的一解析度， 該影像源處之額外像素用於數位預扭曲中以確保具有小失真之一虛擬影像。
14. 一種用於一車輛之抬頭顯示器，其包括： 一折射透鏡； 多個模組，各該模組具有： 一固態發射像素陣列成像器；及 一凹面鏡，其經安置以使由該固態發射像素陣列成像器產生之一影像準直，放大及朝向一車輛擋風玻璃反射穿過該折射透鏡以形成可在一可視區段內觀看之一虛擬影像； 該多個模組經安置使得該等可視區段組合以提供具有大於各模組之該可視區段之總體可視區之該抬頭顯示器，該總體可視區定位於一車輛之駕駛者之一標稱頭部位置處； 各模組經組態及經定位以在來自該車輛擋風玻璃之相同位置處形成該各自虛擬影像，且各模組使其各自可視區段定位於該各自模組之一出射光瞳處，使得該多個模組之相鄰可視區段重疊及組合以形成一分裂出射光瞳可視區，藉此在該總體可視區內向該車輛之駕駛者呈現之影像資訊係在一總體角度視場內延伸之該虛擬影像之一角度多工視圖。
15. 一種形成用於一車輛之一抬頭顯示器之方法，其包括： 使用多個模組，及在各模組中執行將由各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面鏡上以使該影像準直、放大及反射； 在一車輛中安裝該多個模組，其中一折射透鏡在該多個模組上方，使得來自各模組中之該凹面鏡之該影像可傳遞穿過該折射透鏡且自一車輛擋風玻璃朝向一車輛操作者之眼睛反射以在該車輛前方之某個位置處表現為一各自虛擬影像，該等虛擬影像之位置對於所有模組而言係相同的；及 引起各模組中之該固態發射像素陣列成像器在任一時間發射該相同影像； 藉此可由該車輛之一操作者觀看之一總體可視區將大於任一模組之一可視區段； 各模組經定位以形成該各自虛擬影像，其中該各自可視區段定位於該各自模組之一出射光瞳處，使得該多個模組之該等可視區段重疊且組合以形成一分裂出射光瞳總體可視區，藉此在該總體可視區內向該車輛之操作者呈現之影像資訊係在一總體角度視場內延伸之該虛擬影像之一角度多工視圖，該多個模組之該等可視區段之該重疊形成一分裂出射光瞳總體可視區。