TWI840011B - 利用背光控制眼盒的抬頭顯示器 - Google Patents

Abstract

一種利用背光控制眼盒的抬頭顯示器適於搭配一成像半反射鏡使用且包含一背光源、一可切換調節鏡、一背光凹面鏡、一顯示面板和一成像凹面鏡。可切換調節鏡位在背光源至背光凹面鏡的光路上且包含曲率不同的多個鏡面，其中一該鏡面被選擇來將來自該背光源的背光光束反射至背光凹面鏡。藉此可控制眼盒跟上觀看者的眼睛的位置。

Description

利用背光控制眼盒的抬頭顯示器

本發明涉及一種抬頭顯示器，特別是指一種利用背光控制眼盒的抬頭顯示器。

如圖1A至圖2C所示，習知抬頭顯示器的圖像生成單元PGU1所使用的背光式顯示器，例如液晶顯示器，通常具有一背光源1與一顯示面板4。背光源1通常設置在顯示面板4之後。抬頭顯示器的光路設計上，為了將呈現的影像拉遠放大，減少眼睛焦距的切換，圖像生成單元PGU1所投射出的影像會再經由成像凹面鏡5反射放大之後再投射至觀看者的眼睛E，因此顯示面板4會設置在成像凹面鏡5的焦距之內，以形成在成像凹面鏡5後方較遠且放大的顯示面板虛像G，再讓成像半反射鏡6部分反射至觀看者的眼睛E，讓觀看者視覺上看到成像於成像半反射鏡6遠離觀看者一側的顯示面板虛像G。成像半反射鏡6可以是如圖2A的擋風玻璃(windshield)61，或是如圖2B的疊像鏡(combiner)62，用以將投射的影像光部分反射至觀看者的眼睛E，同時讓其前方景物的光線部分穿透至觀看者的眼睛。

具有擴增實境功能的抬頭顯示器為了將投射出的影像與車前實際景物盡量貼合，所以需要盡量將影像的成像距離拉得更遠，例如10公尺，甚至更遠，因此顯示面板4會接近成像凹面鏡5的焦點，越接近焦點則成像距離越遠。

在這樣的條件下，因為背光源1設置在顯示面板4之後，所以背光源1可能更接近成像凹面鏡5的焦點，甚至超過焦點。如圖1A與1B所示，當背光源1未超過焦點F且接近焦點F時，圖像生成單元PGU1的背光源1被成像凹面鏡5反射後會形成成像凹面鏡5後更遠處更大的背光源虛像BL_im5。或是，如圖1A與圖1C所示，當背光源1超過焦點F且接近焦點F時，圖像生成單元PGU1的背光源1被成像凹面鏡5反射後會形成在成像凹面鏡5前很遠處很大的背光源實像BL_re5。

而背光源實像成像的位置是所有光線交會的區域，此區域可以觀看到最清晰明亮的完整影像，是觀看影像最佳的位置，也就是眼盒的位置。因此，提高觀看亮度與光線利用率的最佳設計是形成較小尺寸的背光源實像(眼盒)，且其位置在觀看者的眼睛處。

如圖2A和2B所示，為了讓背光源1形成較小背光源實像BL_re5在觀看者的眼睛E的位置，就必須讓背光源1超過並遠離成像凹面鏡5的焦點，來縮短像距與倍率。但是這樣的設計會讓背光源1的光線利用率降低。如圖2C所示，非高指向性的背光源1在較遠處投射出的光線會因為光束擴散角較大，最後僅有較少部分光線會穿透顯示面板4並進入觀看者的眼盒，觀看者看到的影像亮度較低，而且元件之間所需空間也較大。

較佳的方式是，如圖3A和3B所示的圖像生成單元PGU2，讓背光源1發出的光線經由一背光凹面鏡3反射至顯示面板4，背光源1設置於此背光凹面鏡3的焦距之內，形成背光凹面鏡3後較遠處放大的背光源虛像BL_im3，此背光源虛像BL_im3超過並遠離成像凹面鏡5的焦點，再被成像凹面鏡5與成像半反射鏡6反射後形成位於觀看者的眼睛E的背光源實像BL_re5。如此一來，可使用較小的背光源1，也縮短元件之間的間距，且背光凹面鏡3反射後的光束具有高指向性，可提高光線利用率。

然而，車上的觀看者並非固定不動，座椅或頭部可能會移動或擺動。一旦眼睛E離開了背光源實像BL_re5的位置，比如圖4所示前後移動，會讓光線無法聚焦在眼睛E上，而影響到觀看者所看到的影像亮度品質。若是上下移動或是左右移動，除了觀看的影像亮度品質受影響，還可能會讓觀看者只看到部分影像，甚至看不到影像。

一般來說凹面鏡成像的物與像之間有連鎖帶動關係，也就是背光源1位置的變化可以連動改變背光源實像的位置。為了能在眼睛E已移位的情況下維持所看到的影像品質，就必須要搭配能位移的背光源1和曲率、位置固定的一背光曲面鏡BLC，如此才能讓背光源實像BL_re5(即眼盒)的位置跟著眼睛E移動。然而，能位移的背光源1又會再面臨需要較大空間的問題。

為此，本發明的目的是提供一種利用背光控制眼盒的抬頭顯示器，可避免因觀看者的眼睛的位置改變，而導致觀看者所看到的影像殘缺或品質下降。

本發明根據一實施例所提供的一種利用背光控制眼盒的抬頭顯示器，適於搭配一成像半反射鏡使用且包含：一背光源，用以投射一背光光束；一可切換調節鏡，包含曲率不同的多個鏡面，各該鏡面選擇性地被切換來反射來自該背光源的該背光光束；一背光凹面鏡，配置來反射被其中一該鏡面反射的該背光光束；一顯示面板，配置來顯示一影像並供被該背光凹面鏡反射的該背光光束穿透而形成一影像光束；以及一成像凹面鏡，配置來反射該影像光束至該成像半反射鏡，以形成位在該成像半反射鏡之遠離觀看者一側的一顯示面板虛像以及形成位在該成像半反射鏡之接近該觀看者一側且位在該觀看者的眼睛的一背光源實像，該背光源實像即為眼盒。

可選擇的是，該成像半反射鏡為一擋風玻璃或一疊像鏡，用以將來自該成像凹面鏡的該影像光束部分反射至該觀看者的眼睛，同時讓其前方景物的光線部分穿透至該觀看者的眼睛。

可選擇的是，該可切換調節鏡更包含可轉動的一滾筒，該滾筒設置有該多個鏡面，該滾筒的轉動使來自該背光源的該背光光束投射至其中一該鏡面上。

可選擇的是，該滾筒的滾筒轉軸的至少其中一端可沿一轉軸曲線移動。

可選擇的是，該可切換調節鏡更包含可轉動的一轉盤，該轉盤設置有該多個鏡面，該轉盤的轉動使來自該背光源的該背光光束投射至其中一該鏡面上。

可選擇的是，該轉盤的轉盤轉軸的至少其中一端可沿一轉軸曲線移動。

可選擇的是，該多個鏡面包含至少一曲面鏡或至少一平面鏡，或者包含至少一曲面鏡和至少一平面鏡。

可選擇的是，該曲面鏡為球面鏡、非球面鏡或自由曲面鏡。

可選擇的是，各該鏡面的角度是可調整的，以決定該眼盒在第一軸向和第二軸向上的位置，該第一軸向垂直於該第二軸向，該第一軸向與該第二軸向皆與該觀看者的視線方向垂直。

本發明的抬頭顯示器透過在背光源與顯示面板之間的光路上設置可切換調節鏡，使得背光源實像的位置可隨觀看者的眼睛改變，以達到即便觀看者的眼睛的位置改變，仍可讓觀看者所看到的影像保持完整及品質良好的目的。

本發明中的成像半反射鏡可以是擋風玻璃或是疊像鏡，用以將投射的影像光束部分反射至觀看者的眼睛，同時讓其前方景物的光線部分穿透至觀看者的眼睛，以下的實施例僅以擋風玻璃代表成像半反射鏡來做說明，亦可將其更換為疊像鏡，也能具有相同效果。

請參考圖5所示，本發明根據一實施例提供的一抬頭顯示器至少包含一圖像生成單元PGU3、一成像凹面鏡5和一成像半反射鏡6。

圖像生成單元PGU3包含一背光源1、一可切換調節鏡2、一背光凹面鏡3和一顯示面板4。背光源1可投射一背光光束至可切換調節鏡2。可切換調節鏡2包含曲率不同的多個鏡面，且各鏡面可選擇性地被切換，以將來自背光源1的背光光束反射至背光凹面鏡3。背光凹面鏡3可將被其中一個鏡面反射的背光光束反射至顯示面板4。顯示面板4可顯示一影像並供被背光凹面鏡3反射的背光光束穿透而形成一影像光束。

成像凹面鏡5可將來自圖像生成單元PGU3的影像光束反射至成像半反射鏡6，以形成位在成像半反射鏡6之遠離觀看者一側的一顯示面板虛像以及形成位在成像半反射鏡6之接近觀看者一側且位在觀看者的眼睛E的一背光源實像。此背光源實像即為眼盒。

本發明的抬頭顯示器以更換可切換調節鏡2不同曲率的鏡面來取代背光源1的平移的方式，讓背光源1經由可切換調節鏡2形成不同距離與尺寸的背光源調節虛像BL_im2，而這些背光源調節虛像BL_im2接著在背光凹面鏡3後方形成對應的不同距離的背光源虛像BL_im3，這些背光源虛像BL_im3最後在成像凹面鏡5前形成不同距離的背光源實像BL_re5(眼盒)，並對應到不同距離的觀看者的眼睛E。如此一來，可解決平移背光源1需要較大空間的問題。

以下請參考圖6至7來示範性地說明圖5的可切換調節鏡2的細節。

在如圖6所示的範例中，當眼睛追蹤系統(圖中未示出)偵測到觀看者的眼睛往前方移動時，在可切換調節鏡2中被選定的鏡面為曲率半徑較小(R↓)、曲率較大(1/R↑)的凹面鏡，由於背光源1仍然在可切換調節鏡2的焦距內，可切換調節鏡2的放大倍率增加，使得形成在可切換調節鏡2後方的背光源調節虛像BL_im2的光路距離會增長，背光源調節虛像BL_im2的成像倍率也放大，因此背光源調節虛像BL_im2與背光凹面鏡3之間的光路距離也增長，但不大於背光凹面鏡3的焦距。此時，形成在背光凹面鏡3後方的背光源虛像BL_im3的光路距離會增長，背光源虛像BL_im3的成像倍率也增加，使得背光源虛像BL_im3與成像凹面鏡5之間的光路距離在原本就已大於成像凹面鏡5的焦距的情況下，更加遠離成像凹面鏡5的焦點。如此一來，形成在成像凹面鏡5前方的背光源實像BL_re5的光路距離會減少，背光源實像BL_re5的成像倍率也減少，使得背光源實像BL_re5(眼盒)往靠近成像半反射鏡6的方向移動，也就是說能跟著觀看者的眼睛往前方移動，藉此保持讓眼盒與觀看者的眼睛重疊。

背光源實像BL_re5的尺寸由於會經歷可切換調節鏡2的倍率增加、背光凹面鏡3的倍率增加以及成像凹面鏡5的倍率減少，因此只要曲率的搭配適當，就能控制最終的背光源實像BL_re5的尺寸能維持與在可切換調節鏡2的鏡面曲率更換之前與之後的眼盒尺寸差不多。

在如圖7所示的範例中，當眼睛追蹤系統(圖中未示出)偵測到觀看者的眼睛往後方移動時，在可切換調節鏡2中被選定的鏡面為曲率半徑較大(R↑)、曲率較小(1/R↓)的凹面鏡，由於背光源1仍然在可切換調節鏡2的焦距內，可切換調節鏡2的放大倍率減少，使得形成在可切換調節鏡2後方的背光源調節虛像BL_im2的光路距離會縮短，背光源調節虛像BL_im2的成像倍率也縮小，因此背光源調節虛像BL_im2與背光凹面鏡3之間的光路距離也縮短。此時，形成在背光凹面鏡3後方的背光源虛像BL_im3的光路距離會縮短，背光源虛像BL_im3的成像倍率也減少，使得背光源虛像BL_im3與成像凹面鏡5之間的光路距離在原本就已大於成像凹面鏡5的焦距的情況下會縮短，但仍不小於成像凹面鏡5的焦距。因此，形成在成像凹面鏡5前方的背光源實像BL_re5光路距離會增長，背光源實像BL_re5的成像倍率也增加。如此一來，背光源實像BL_re5(眼盒)會往遠離成像半反射鏡6的方向移動，也就是說能跟著觀看者的眼睛往後方移動，藉此保持讓眼盒與觀看者的眼睛重疊。

背光源實像BL_re5的尺寸由於會經歷可切換調節鏡2的倍率減少、背光凹面鏡3的倍率減少以及成像凹面鏡5的倍率增加，因此只要曲率的搭配適當，就能控制最終的背光源實像BL_re5的尺寸能維持與在可切換調節鏡2的鏡面曲率更換之前與之後的眼盒尺寸差不多。

在圖5所示之可切換調節鏡2中不同曲率的數個鏡面是由數個相分離的元件來實現，並透過可切換調節鏡2的更換機構來適應性選擇適當曲率的元件，但本發明並不限於此。在其他實施例中，可切換調節鏡2中不同曲率的數個鏡面可改成是以整合在同一個元件的方式來實現，藉此可快速改變可切換調節鏡2的曲率，並節省空間。

請參考圖8至圖9B所示，抬頭顯示器的圖像生成單元PGU4的可切換調節鏡為滾筒式可切換調節鏡20，其為整合式可切換調節鏡且包含一滾筒21、滾筒21的滾筒轉軸22以及可旋轉地連接滾筒轉軸22的一滾筒驅動器。滾筒21具有4個不同曲率的鏡面23。抬頭顯示器可透過滾筒驅動器帶動滾筒21旋轉，以切換不同曲率的鏡面23，使來自背光源1的背光光束L能投射至選定的鏡面23上而被反射至背光凹面鏡3。

背光凹面鏡3接著將來自鏡面23的背光光束L反射至顯示面板4，此背光光束L穿透顯示面板4後成為影像光束D並行進至成像凹面鏡5。影像光束D被成像凹面鏡5反射至成像半反射鏡6，成像半反射鏡6再將影像光束D反射至觀看者的眼睛E而形成位在成像半反射鏡6遠離觀看者一側的一顯示面板虛像G2以及形成位在成像半反射鏡6接近觀看者一側的一背光源實像BL_re5。

在此抬頭顯示器中，背光源1的等效距離會因背光光束L被不同曲率的鏡面23反射而改變，因此可藉由改變背光源1的等效距離來控制背光源實像BL_re5的位置，也就是控制眼盒的水平位置。

在圖8至圖9B所示的滾筒式可切換調節鏡20中，四個鏡面23有一個平面鏡、一個凸面鏡和二個凹面鏡。然而，本發明並不限於此。在其他實施例中，滾筒式可切換調節鏡20的滾筒21上的四個鏡面23中，平面鏡的數量、凸面鏡的數量和凹面鏡的數量可以是其他排列組合，例如圖10A和圖10B的一個平面鏡和三個凹面鏡，或是如圖11A和圖11B的四個凹面鏡。或者，在其他實施例中，滾筒式可切換調節鏡20的的滾筒21上的鏡面23的數量可改成如圖12A至圖14B所示的二個，或者改成如圖15A至圖17B所示的三個，或者改成大於四個；並且，鏡面23可為平面鏡、凸面鏡或凹面鏡。使用凸面鏡時，背光源1則會在凸面鏡的後方焦距內形成縮小尺寸的虛像。使用平面鏡時，背光源1會在平面鏡的後方形成等距離、同尺寸的虛像。因此，除了凹面鏡以外，凸面鏡和平面鏡也可用以改變背光源調節虛像的光路距離與尺寸，進而改變眼盒的光路距離與尺寸。

滾筒式可切換調節鏡20的多個鏡面23除了使用球面鏡以外，鏡面23也可以是非球面鏡或是自由曲面鏡，其曲面類型例如X軸與Y軸有不同曲率的環形面鏡(Toroidal mirror)、橢球面鏡(Ellipsoidal mirror)、離軸橢球面鏡(Off-axis ellipsoidal mirror)、拋物面鏡(Parabolical mirror)、離軸拋物面鏡(Off-axis parabolical mirror)或雙曲拋物面鏡(Hyperbolic paraboloid mirror)等，其曲面形態如圖18A的雙凹曲面鏡、如圖18B的雙凸曲面鏡、如圖18C的柱狀凹面鏡、如圖18D的柱狀凸面鏡或如圖18E的馬鞍面鏡等。

以圖8所示之抬頭顯示器的滾筒式可切換調節鏡20來示範性地說明本發明的抬頭顯示器的運作情境如下。為清楚定義鏡面23的轉動方向，請參考圖19所示，在入射背光光束L1投射至鏡面23並被鏡面23反射後以出射背光光束L2射出，並且入射背光光束L1與鏡面中心232的法線231之間的夾角θ不為0度的情況下，以入射背光光束L1之來源方向的平行分量定義為下方，以出射背光光束L2之射出方向的平行分量定義為上方，以面向鏡面23的右手邊為右方，以面向鏡面23的左手邊為左方，鏡面23向上轉即是讓鏡面23轉向上方，鏡面23向下轉即是讓鏡面23轉向下方，鏡面23向右轉即是讓鏡面23轉向右方，鏡面23向左轉即是讓鏡面23轉向左方。

＜眼盒位置可前後調整＞

如圖20所示，若眼睛追蹤系統(圖中未示出)偵測到觀看者的眼睛往前方移動，可轉動滾筒式可切換調節鏡20的滾筒21，以切換至曲率較大(1/R↑)、曲率半徑較小(R↓)的鏡面23，從而增加背光源調節虛像BL_im2的像距，進而增加背光源虛像BL_im3的像距，最後減少背光源實像BL_re5的像距，讓眼盒能跟著觀看者的眼睛往前方移動。同時，搭配適合的曲率組合，讓眼盒的尺寸得以近似不變。

相反的，如圖21所示，若眼睛追蹤系統(圖中未示出)偵測到觀看者的眼睛往後方移動，可轉動滾筒式可切換調節鏡20的滾筒21，以切換至曲率較小(1/R↓)、曲率半徑較大(R↑)的鏡面23，從而減少背光源調節虛像BL_im2的像距，進而減少背光源虛像BL_im3的像距，最後增加背光源實像BL_re5的像距，讓眼盒能跟著觀看者的眼睛往後方移動。同時，搭配適合的曲率組合，讓眼盒的尺寸得以近似不變。

＜眼盒位置可上下調整＞

若觀看者的眼睛在垂直高度上改變時，也就是與視線方向垂直的第一軸向上改變位置，仍可以轉動滾筒21，使鏡面23上下轉動來調整眼盒的垂直高度。

如圖22所示，若眼睛追蹤系統(圖中未示出)偵測到觀看者的眼睛向上移動，可驅動滾筒21以滾筒轉軸22為中心往圖面的順時針方向轉動，讓當下使用的鏡面23向下轉一角度a1。此時，背光源調節虛像BL_im2會跟著往順時針方向旋轉一角度a2，背光源虛像BL_im3也跟著往順時針方向旋轉一角度a3，使得背光源實像BL_re5朝向逆時針方向旋轉一角度A。藉此，在光路不超出各元件有效作用範圍的條件下，就能讓眼盒跟隨著觀看者的眼睛朝上方移動。

相反的，如圖23所示，若眼睛追蹤系統(圖中未示出)偵測到觀看者的眼睛向下移動，可驅動滾筒21以滾筒轉軸22為中心往圖面的逆時針方向轉動，讓當下使用的鏡面23向上轉一角度b1。此時，背光源調節虛像BL_im2會跟著往逆時針方向旋轉一角度b2，背光源虛像BL_im3也跟著往逆時針方向旋轉一角度b3，使得背光源實像BL_re5朝向順時針方向旋轉一角度B。藉此，在光路不超出各元件有效作用範圍的條件下，就能讓眼盒跟隨著觀看者的眼睛朝下方移動。

鏡面23的上下轉動方向與眼盒的上下連動移動方向並不限於是相同；事實上，兩者之間也可以不同，只要有連鎖帶動關係即可。並且，角度A與B的值可由滾筒的轉動角度、各個曲面鏡的曲率與成像半反射鏡的曲率推算出來，或是以模擬或實際量測得出。

可選擇的是，如圖24A和24B所示，當滾筒式可切換調節鏡20的滾筒21轉動使鏡面23上下轉動來調整眼盒的垂直高度時，滾筒轉軸22在轉動的同時可以沿著一轉軸曲線C1移動，讓鏡面23上下轉動時的轉動軸心固定在鏡面23的鏡面中心232，不因角度改變而影響反射之後光路的設定。

＜眼盒位置可左右調整＞

與調整眼盒垂直高度相似的，也可以讓滾筒式可切換調節鏡20的鏡面23左右轉動來調整眼盒的左右位置，也就是與視線方向垂直的第二軸向上改變位置。

如圖25所示，當滾筒式可切換調節鏡20當下使用的鏡面23向右轉動時，背光源實像BL_re5會向左移動，藉此可在光路不超出各元件有效作用範圍的條件下，讓眼盒跟隨著觀看者的眼睛朝左方移動。相反的，當滾筒式可切換調節鏡20當下使用的鏡面23向左轉動時，背光源實像BL_re5會向右移動，藉此可在光路不超出各元件有效作用範圍的條件下，讓眼盒跟隨著觀看者的眼睛朝右方移動。

鏡面23的左右轉動方向與眼盒的左右連動移動方向並不限於是相同；事實上，兩者也可以不同，只要有連鎖帶動關係即可。滾筒式可切換調節鏡20的鏡面23左右轉動的方式，例如：如圖26A所示，左右轉動可藉由滾筒轉軸22的兩端點分別以相反方向且以相同角速度轉動來達成，讓轉動軸心201維持在滾筒式可切換調節鏡20的幾何中心上；或是，如圖26B所示，藉由滾筒轉軸22的兩端點分別以相反方向但以不同角速度轉動來達成，讓轉動軸心201偏離滾筒式可切換調節鏡20的幾何中心；或是，如圖26C所示，藉由滾筒轉軸22的其中一端點為轉動軸心201轉動來達成；或是，如圖26D和27所示，滾筒轉軸22的兩端點移動的軌跡分別是轉軸曲線C2和C3，讓滾筒21左右轉動時的轉動軸心201固定在鏡面23的鏡面中心232，不因角度改變而影響反射之後光路的設定。

並且，鏡面23的左右轉動角度與眼盒的左右移動距離的對應關係可以由推算、模擬或實際量測得出。

另外，請參考圖28和圖29所示，抬頭顯示器的圖像生成單元PGU5的可切換調節鏡為轉盤式可切換調節鏡24，其為整合式可切換調節鏡且包含一轉盤25、轉盤25的轉盤轉軸26以及可旋轉地連接轉盤轉軸26的一轉盤驅動器。轉盤25有四個不同曲率的鏡面23。抬頭顯示器可透過轉盤驅動器帶動轉盤25旋轉，以切換不同曲率的鏡面23，使來自背光源1的背光光束L能投射至選定的鏡面23上而被反射至背光凹面鏡3。

背光凹面鏡3接著將來自鏡面23的背光光束L反射至顯示面板4，此背光光束L穿透顯示面板4後成為影像光束D並行進至成像凹面鏡5。影像光束D被成像凹面鏡5反射至成像半反射鏡6，成像半反射鏡6再將影像光束D反射至觀看者的眼睛E而形成位在成像半反射鏡6遠離觀看者一側的一顯示面板虛像G2以及形成位在成像半反射鏡6接近觀看者一側的一背光源實像BL_re5。

在此抬頭顯示器中，背光源1的等效距離會因背光光束L被不同曲率的鏡面23反射而改變，因此可藉由改變背光源1的等效距離來控制背光源實像BL_re5的位置，也就是控制眼盒的水平位置。

在圖28和圖29所示的實施例中，轉盤式可切換調節鏡24的轉盤25上的四個鏡面23有一個平面鏡、一個凸面鏡和一個二個凹面鏡。然而，本發明並不限於此。在其他實施例中，轉盤式可切換調節鏡24的轉盤25上的四個鏡面23中，平面鏡的數量、凸面鏡的數量和凹面鏡的數量可以是其他排列組合，例如圖30的四個凹面鏡。或者，在其他實施例中，轉盤式可切換調節鏡24的轉盤25上的鏡面23的數量可改成如圖31和圖32所示的二個，或者改成如圖33、圖34所示的三個，或者改成大於四個；並且，鏡面23可為平面鏡、凸面鏡或凹面鏡。

轉盤式可切換調節鏡24的鏡面23除了使用球面鏡以外，鏡面23也可以是非球面鏡或是自由曲面鏡，其曲面類型例如在X軸與Y軸有不同曲率的環形面鏡、橢球面鏡、離軸橢球面鏡、拋物面鏡、離軸拋物面鏡或雙曲拋物面鏡等，其曲面形態如圖18A的雙凹曲面鏡、如圖18B的雙凸曲面鏡、如圖18C的柱狀凹面鏡、如圖18D的柱狀凸面鏡、如圖18E的馬鞍面鏡等。

以圖28所示之抬頭顯示器的轉盤式可切換調節鏡24來示範性地說明本發明的抬頭顯示器的運作情境如下。為清楚定義鏡面23的轉動方向，請參考圖35所示，在入射背光光束L1射至鏡面23並被鏡面23反射後以出射背光光束L2射出，並且入射背光光束L1與鏡面中心232的法線231之間的夾角θ不為0度的情況下，以入射背光光束L1之來源方向的平行分量定義為下方，以出射背光光束L2之射出方向的平行分量定義為上方，以面向鏡面23的右手邊為右方，以面向鏡面23的左手邊為左方，鏡面23向上轉即是讓鏡面23轉向上方，鏡面23向下轉即是讓鏡面23轉向下方，鏡面23向右轉即是讓鏡面23轉向右方，鏡面23向左轉即是讓鏡面23轉向左方。

＜眼盒位置可上下調整＞

與滾筒式可切換調節鏡相似的是，可透過讓轉盤式可切換調節鏡24的鏡面23上下轉動來調整眼盒的垂直高度，也就是與視線方向垂直的第一軸向上改變位置。

如圖36所示，當轉盤式可切換調節鏡24當下使用的鏡面23向下轉動時，背光源實像BL_re5會向下移動，藉此可在光路不超出各元件有效作用範圍的條件下，讓眼盒跟隨著觀看者的眼睛朝下方移動。相反的，當轉盤式可切換調節鏡24當下使用的鏡面23向上轉動時，背光源實像BL_re5會向上移動，藉此可在光路不超出各元件有效作用範圍的條件下，讓眼盒跟隨著觀看者的眼睛朝上方移動。

鏡面23上下轉動的方向與眼盒連動移動的方向並不限於是相同；事實上，兩者也可以不同，只要有連鎖帶動關係即可。

轉盤式可切換調節鏡24的鏡面23上下轉動的方式，例如：如圖37A所示，是藉由轉盤轉軸26的兩端點分別在相反方向且以相同角速度轉動來達成，讓轉動軸心202在轉盤25的幾何中心上；或是，如圖37B所示，是藉由轉盤轉軸26的兩端點分別在相反方向但以不同角速度轉動來達成，讓轉動軸心202偏離轉盤25的幾何中心；或是，如圖37C所示，是藉由轉盤轉軸26的其中一端點為轉動軸心202轉動來達成；或是，如圖37D和37E所示，轉盤轉軸26的兩端點移動的軌跡分別是轉軸曲線C4和C5，讓轉盤25上下轉動時的轉動軸心202固定在鏡面23的鏡面中心232，不因角度改變而影響反射之後光路的設定。

＜眼盒位置可左右調整＞

與調整眼盒的垂直高度相似，可以讓轉盤式可切換調節鏡24的鏡面23左右轉動來調整眼盒的左右位置，也就是與視線方向垂直的第二軸向上改變位置。

如圖38所示，當轉盤式可切換調節鏡24當下使用的鏡面23向右轉動時，背光源實像BL_re5會向左移動，藉此可在光路不超出各元件有效作用範圍的條件下，讓眼盒跟隨著觀看者的眼睛朝左方移動。相反的，當轉盤式可切換調節鏡24當下使用的鏡面23向左轉動時，背光源實像BL_re5會向右移動，藉此可在光路不超出各元件有效作用範圍的條件下，讓眼盒跟隨著觀看者的眼睛朝右方移動。

轉盤式可切換調節鏡24的轉盤25上的鏡面23左右轉動的方式，例如：如圖39A所示，是藉由轉盤轉軸26的兩端點分別在相反方向且以相同角速度轉動來達成，讓轉動軸心202維持在轉盤式可切換調節鏡24的幾何中心上；或是，如圖39B所示，是藉由轉盤轉軸26的兩端點分別以相反方向但以不同角速度轉動來達成，讓轉動軸心202偏離轉盤式可切換調節鏡24的幾何中心；或是，如圖39C所示，藉由轉盤轉軸26的其中一端點為轉動軸心202轉動來達成；或是，如圖39D和39E所示，轉盤轉軸26的兩端點移動的軌跡分別是轉軸曲線C6和C7，讓轉盤25左右轉動時的轉動軸心202固定在鏡面23的鏡面中心232，不因角度改變而影響反射之後光路的設定。

鏡面23轉動的方向與眼盒連動移動的方向並不限於是相同；事實上，兩者也可以不同，只要有連鎖帶動關係即可。鏡面23轉動角度與眼盒移動距離的對應關係可以由推算、模擬或實際量測得出。

綜上所述，本發明的抬頭顯示器透過在背光源至顯示面板之間的光路上設置可選擇性切換不同曲率之鏡面的可切換調節鏡，可讓背光源投射的背光光束能被具有適當曲率的鏡面反射，使背光源的等效距離改變，以控制眼盒能隨著觀看者的眼睛的前後移動，藉此達到維持觀看者看到的影像的品質，以及達到節省空間的目的。

本發明的抬頭顯示器透過讓可切換調節鏡的當下選擇的鏡面能上下轉動和左右轉動，可控制眼盒更精準地且更具適應性地隨著觀看者的眼睛在第一軸向的上下移動和在第二軸向的左右移動，並且維持觀看者看到的影像的完整性。第一軸向垂直於第二軸向。

本發明的抬頭顯示器透過將具有不同曲率的多個鏡面整合至滾筒或轉盤上，可提升鏡面之間切換選擇的效率，同時可縮減抬頭顯示器的體積，提高空間利用率。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然而這些實施例並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動、潤飾與各實施態樣的組合，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

1:背光源 2:可切換調節鏡 20:滾筒式可切換調節鏡 201,202:轉動軸心 21:滾筒 22:滾筒轉軸 23:鏡面 231:法線 232:鏡面中心 24:轉盤式可切換調節鏡 25:轉盤 26:轉盤轉軸 3:背光凹面鏡 4:顯示面板 5:成像凹面鏡 6:成像半反射鏡 61:擋風玻璃 62:疊像鏡 A,a1,a2,a3:角度 B,b1,b2,b3:角度 BL_im2:背光源調節虛像 BL_im3:背光源虛像 BL_im5:背光源虛像 BL_re5:背光源實像 BLC:背光曲面鏡 C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7:轉軸曲線 D:影像光束 E:眼睛 F:焦點 G:顯示面板虛像 L:背光光束 L1:入射背光光束 L2:出射背光光束 PGU1,PGU2,PGU3,PGU4,PGU5:圖像生成單元 R↑:曲率半徑較大 R↓:曲率半徑較小 1/R↑:曲率較大 1/R↓:曲率較小 X:X軸 Y:Y軸 θ:夾角

在結合以下附圖研究了詳細描述之後，將發現本發明的其他方面及其優點： 圖1A為現有技術的抬頭顯示器的成像與眼盒的示意圖； 圖1B為圖1A之抬頭顯示器在背光源位於成像凹面鏡的焦距內時成像的示意圖； 圖1C為圖1A之抬頭顯示器在背光源位於成像凹面鏡的焦距外時成像的示意圖； 圖2A和2B為現有技術的抬頭顯示器的背光源的實像成像位於觀看者眼睛的示意圖； 圖2C為在圖2A和2B的抬頭顯示器的背光源投射光束至顯示面板的示意圖； 圖3A為抬頭顯示器使用背光凹面鏡成像與眼盒的示意圖； 圖3B為圖3A的抬頭顯示器的背光源經由背光凹面鏡投射光束至顯示面板的示意圖； 圖4為抬頭顯示器的觀看者的眼睛移動時的示意圖； 圖5為本發明一實施例之具有分體式可切換調節鏡的抬頭顯示器的成像與眼盒的示意圖； 圖6為圖5的抬頭顯示器在控制眼盒往前移動時的示意圖； 圖7為圖5的抬頭顯示器在控制眼盒往後移動時的示意圖； 圖8為本發明一實施例之具有滾筒式可切換調節鏡的抬頭顯示器的成像與眼盒的示意圖； 圖9A和圖9B分別為本發明一實施例之滾筒式可切換調節鏡的剖視圖與示意圖； 圖10A和圖10B分別為本發明一實施例之滾筒式可切換調節鏡的剖視圖與示意圖； 圖11A和圖11B分別為本發明一實施例之滾筒式可切換調節鏡的剖視圖與示意圖； 圖12A和圖12B分別為本發明一實施例之滾筒式可切換調節鏡的剖視圖與示意圖； 圖13A和圖13B分別為本發明一實施例之滾筒式可切換調節鏡的剖視圖與示意圖； 圖14A和圖14B分別為本發明一實施例之滾筒式可切換調節鏡的剖視圖與示意圖； 圖15A和圖15B分別為本發明一實施例之滾筒式可切換調節鏡的剖視圖與示意圖； 圖16A和圖16B分別為本發明一實施例之滾筒式可切換調節鏡的剖視圖與示意圖； 圖17A和圖17B分別為本發明一實施例之滾筒式可切換調節鏡的剖視圖與示意圖； 圖18A至圖18E為本發明不同實施例之可切換調節鏡的其中一個鏡面的示意圖； 圖19為本發明一實施例之滾筒式可切換調節鏡的鏡面的各方位的示意圖； 圖20為圖8的抬頭顯示器在控制眼盒往前移動時的示意圖； 圖21為圖8的抬頭顯示器在控制眼盒往後移動時的示意圖； 圖22為圖8的抬頭顯示器在控制眼盒往上移動時的示意圖； 圖23為圖8的抬頭顯示器在控制眼盒往下移動時的示意圖； 圖24A為根據本發明一實施例圖9A和9B的滾筒式可切換調節鏡的滾筒轉軸沿轉軸曲線移動的示意圖； 圖24B為圖24A的滾筒式可切換調節鏡的滾筒轉軸沿轉軸曲線移動時當下被選擇的鏡面旋轉的角度改變的示意圖； 圖25為圖8的抬頭顯示器在控制眼盒左右移動時的示意圖； 圖26A至圖26D為控制滾筒式可切換調節鏡的鏡面以不同方式左右轉動的示意圖； 圖27為圖26D之滾筒式可切換調節鏡的滾筒轉軸的兩端點分別沿二轉軸曲線移動時，當下被選擇的鏡面旋轉的角度改變的示意圖； 圖28為本發明一實施例之具有轉盤式可切換調節鏡的抬頭顯示器的成像與眼盒的示意圖； 圖29至圖34為本發明不同實施例之轉盤式可切換調節鏡的示意圖； 圖35為本發明一實施例之轉盤式可切換調節鏡的鏡面的各方位的示意圖； 圖36為圖28的抬頭顯示器在控制眼盒上下移動時的示意圖； 圖37A至圖37D為控制轉盤式可切換調節鏡的鏡面以不同方式上下轉動的示意圖； 圖37E為圖37D之轉盤式可切換調節鏡的轉盤轉軸的兩端點分別沿二轉軸曲線移動時，當下被選擇的鏡面旋轉的角度改變的示意圖； 圖38為圖28的抬頭顯示器在控制眼盒左右移動時的示意圖； 圖39A至圖39D為控制轉盤式可切換調節鏡的鏡面以不同方式左右轉動的示意圖； 圖39E為圖39D之轉盤式可切換調節鏡的轉盤轉軸的兩端點分別沿二轉軸曲線移動時，當下被選擇的鏡面旋轉的角度改變的示意圖。

1:背光源

2:可切換調節鏡

3:背光凹面鏡

4:顯示面板

5:成像凹面鏡

6:成像半反射鏡

BL_im2:背光源調節虛像

BL_im3:背光源虛像

BL_re5:背光源實像

E:眼睛

PGU3:圖像生成單元

Claims (8)

1. 一種利用背光控制眼盒的抬頭顯示器，適於搭配一成像半反射鏡使用且包含：一背光源，用以投射一背光光束；一滾筒式可切換調節鏡，包含可轉動的一滾筒及設置在該滾筒上且曲率不同的多個鏡面，各該鏡面選擇性地被切換來反射來自該背光源的該背光光束，該滾筒的轉動使來自該背光源的該背光光束投射至其中一該鏡面上；一背光凹面鏡，配置來反射被其中一該鏡面反射的該背光光束；一顯示面板，配置來顯示一影像並供被該背光凹面鏡反射的該背光光束穿透而形成一影像光束；以及一成像凹面鏡，配置來反射該影像光束至該成像半反射鏡，以形成位在該成像半反射鏡之遠離觀看者一側的一顯示面板虛像以及形成位在該成像半反射鏡之接近該觀看者一側且位在該觀看者的眼睛的一背光源實像，該背光源實像即為眼盒，其中，該多個鏡面中的至少兩個鏡面分別讓該眼盒呈現在該觀看者的視線方向上不同的位置。
2. 一種利用背光控制眼盒的抬頭顯示器，適於搭配一成像半反射鏡使用且包含：一背光源，用以投射一背光光束；一轉盤式可切換調節鏡，包含曲率不同的多個鏡面，各該鏡面選擇性地被切換來反射來自該背光源的該背光光束，該轉盤的轉動使來自該 背光源的該背光光束投射至其中一該鏡面上；一背光凹面鏡，配置來反射被其中一該鏡面反射的該背光光束；一顯示面板，配置來顯示一影像並供被該背光凹面鏡反射的該背光光束穿透而形成一影像光束；以及一成像凹面鏡，配置來反射該影像光束至該成像半反射鏡，以形成位在該成像半反射鏡之遠離觀看者一側的一顯示面板虛像以及形成位在該成像半反射鏡之接近該觀看者一側且位在該觀看者的眼睛的一背光源實像，該背光源實像即為眼盒，其中，該多個鏡面中的至少兩個鏡面分別讓該眼盒呈現在該觀看者的視線方向上不同的位置。
3. 根據請求項1或2所述的利用背光控制眼盒的抬頭顯示器，其中該成像半反射鏡為一擋風玻璃或一疊像鏡，用以將來自該成像凹面鏡的該影像光束部分反射至該觀看者的眼睛，同時讓其前方景物的光線部分穿透至該觀看者的眼睛。
4. 根據請求項1所述的利用背光控制眼盒的抬頭顯示器，其中該滾筒的滾筒轉軸的至少其中一端可沿一轉軸曲線移動。
5. 根據請求項2所述的利用背光控制眼盒的抬頭顯示器，其中該轉盤的轉盤轉軸的至少其中一端可沿一轉軸曲線移動。
6. 根據請求項1或2所述的利用背光控制眼盒的抬頭顯示器，其中該多個鏡面包含至少一曲面鏡或至少一平面鏡，或者包含至少一曲面鏡和至少一平面鏡。
7. 根據請求項6所述的利用背光控制眼盒的抬頭顯示器， 其中該曲面鏡為球面鏡、非球面鏡或自由曲面鏡。
8. 根據請求項1或2所述的利用背光控制眼盒的抬頭顯示器，其中各該鏡面的角度是可調整的，以決定該眼盒在第一軸向和第二軸向上的位置，該第一軸向垂直於該第二軸向，該第一軸向與該第二軸向皆與該觀看者的視線方向垂直。

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