具有改进的视觉人体工学的扩增实境抬头显示器的光学系统

具有改进的视觉人体工学的扩增实境抬头显示器的光学系统实质审查发明

技术领域

[0001] 本揭所讨论的实施例概略涉及光学、抬头显示器(HUD)和扩增实境(AR)系统，并且特别是牵涉到光学元件和装置的配置与排布以藉由改善景深来增强和/或改善视觉人体工学。

具体实施方式

[0015] 第一实作包含AR HUD的光学系统，其被配置为产生三维(3D)虚拟影像。光学系统包含影像产生单元(PGU)、组合器，以及设置在PGU与组合器之间的校正器。校正器系以光学表面的组合所实作。该些光学表面包含折射表面、反射表面，或是折射表面和反射表面两者。该些PGU、校正器和组合器相互作用的结果形成弯曲的VIS。为藉由将一或多个真实影像与一或多个所显示的虚拟影像对齐并且增加SDoF来改善光学系统的视觉人体工学(例如，驾驶舒适度与安全性)，组合器是以具有正透镜的全像光学元件所实作，并且校正器包含至少一个旋转不对称光学表面，用于对自PGU传播到组合器的光线从FoV中心沿水平FoV方向单调地增加光学路径长度。以这些方式，可形成一个圆柱形VIS，其凸面朝向观察者，并且其准线是一条连续的曲线，此线位于沿水平FoV(HFoV)方向和/或HFoV方向上延伸。这可供显示在FoV的中心区域中的虚拟物体看起来比显示在FoV的侧边部分上的虚拟物体更靠近。

[0016] 第二实作包含第一种实作的光学系统，其中校正器为自PGU传播到组合器的光线创建从FoV的中心在水平FoV的方向上单调地增加的光学路径长度以形成VIS，其方式是沿着水平FoV的方向瞄准的任意主光线与VIS的法线之间的角度会随着任意主光线变得远离FoV的中心而增大。这项实作可藉由根据自然视角对显示器FoV中的虚拟物体进行成像来提升视觉感知品质。

[0017] 第三实作包含第一实作和第二实作的光学系统，其中校正器含有至少一个棱镜，棱镜包含位于至少两个折射光学表面之间的至少一个反射光学表面。

[0018] 第四实作包含第一实作、第二实作和第三实作的光学系统，其中一或多个真实影像包含真实行驶方向，并且一或多个所显示的虚拟影像包含与真实行驶方向对准的所显示虚拟行驶方向。作为一范例，所显示的虚拟驾驶方向可以是路线规划(TBT)指针、转弯箭头或是TBT导航服务的其他类似图形元素。

[0019] 1.扩增实境抬头显示器装置配置与排布的光学系统

[0020] 图1a描绘抬头显示器(HUD)系统100(或「HUD 100」)的侧视图，并且图1b描绘根据各种实施例的HUD 100的上视图。特别地，图1a显示HUD 100之元件的相对位置及交互作用的垂直截面。「垂直截面」是指形成垂直FoV的光线所在的平面。此外，图1b显示HUD 100之元件的相对位置及交互作用的水平截面。「水平截面」是指形成水平FoV的光线所在的平面。

[0021] 在一些实作中，HUD 100是扩增实境(AR)系统或是其一部分，并且因此HUD 100可以被称为「AR HUD 100」等等。HUD 100包含影像产生单元(PGU)101、校正光学组件102(又称「校正器102」、「校正光学元件102」等等)，以及组合器103。作为范例，PGU 101可以实作为液晶显示器(LCD)投影机、具有雷射照明的LCD、发光二极体(LED)投影机、雷射二极体投影机、数位光处理(DLP)投影机、基于投影机的投影仪数位微镜元件(DMD)、具有雷射照明的硅上液晶(LCOS)、具有雷射扫描的微机电系统(MEMS)、微光机电系统(MOEMS)雷射扫描器，以及/或是任何其他的合适装置(或装置组合)。在一些实作中，PGU 101亦可包含漫射元件105(也称为「漫射萤幕105」、「漫射表面105」、「微透镜阵列105」及/或等等)。

[0022] PGU 101亦可包含电脑装置和/或控制器，或是通讯地耦接于电脑装置和/或控制器。电脑装置/控制器包含一或多个电子元件，其创建/产生要藉由HUD 100显示的数位内容，并且向PGU 101提供适当的讯令以供产生及投射表示要在组合器103上显示之数位内容的光线。数位内容(例如文字、图像、视讯等等)可以本地储存、透过通讯电路从一或多个远端装置串流、以及/或是基于来自各种感测器、电子控制单元(ECU)和/或设置在载具内或上之致动器的输出。要显示的内容可包含例如安全讯息(例如，碰撞警告、紧急警告、预碰撞警告、交通警告等等)、简讯服务(SMS)/多媒体传讯服务(MMS)讯息、导航系统资讯(例如，地图、路线指示箭头)、电影、电视节目、视讯游戏影像、感测器资讯(例如，速度、行驶距离等等)，以及/或是其他的类似资讯。电脑装置和/或控制器可为或可包含任何适当的处理元件，像是一或更多个微控制器、微处理器、应用处理器或中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、ECU、数位讯号处理器(DSP)、可程式逻辑元件(PLD)、现场可程式闸阵列(FPGA)、应用特定积体电路(ASIC)、系统上晶片(SoC)、特定地建构和配置以控制PGU 101的特定目的处理器，以及/或是其等的组合。现在展示此元件以供简化说明及讨论，并且为了不模糊化所述实施例的揭示内容。

[0023] 本范例中的组合器103是位于观看者104正前方的(半)透明显示表面，此表面重新导向来自PGU 101的所投影虚拟影像，方式是让观看者104在FoV内同时观看周遭的真实世界和虚拟影像而藉此促进AR。通常，FoV的大小是由HUD的最大光学元件所定义，光学元件通常是组合器元件，像是组合器103。在一些实作中，组合器是大反射表面或其他类似的显示表面。在一些实作中，组合器103包含组合器103之中或表面上的全像光学元件(HOE)，此元件重新定向影像/物体。在这些实作中，可将HUD 100被称为全像HUD(hHUD)等等。在一范例实作中，组合器103系经实作为一具有光倍率在1.1‑6.6屈光度范围内且形成在光聚合物基板上的HOE。基底可以放置在挡风玻璃/风遮装置的内侧上或是在三重制造程序和/或一些其他制造方法期间整合到挡风玻璃/风遮装置内。组合器103和HOE可由任何适合材料和/或材料复合物所形成，例如像是玻璃、塑胶、聚合物以及/或是其他类似材料和/或变体中的一或多种。组合器103之内或之上的HOE可具有与HUD 100的其他光学元件一起运作的特定排布，藉以显示出现在观察者104前方远处的图像。

[0024] 校正器102(也称为「校正光学元件102」或「辅助光学元件102」)与组合器103一起运作以显示虚拟影像。校正器102可被设定以校正由组合器103所引起的像差。在各种实作中，校正器102系经设置在PGU 101和组合器103之间。校正器102可包含一或多个光学元件，例如像是透镜、棱镜、反射镜、HOE、棱镜透镜以及/或是其他光学元件和/或其等组合。在本范例中，校正器102包含面向组合器103之一侧的旋转非对称表面120。旋转非对称表面120是不具有旋转对称性的表面。即如后文进一步详细讨论者，旋转非对称表面120让校正器102能够提供从FoV中心开始单调增加的光学路径长度，藉以在经校正光线到达组合器103之后提供弯曲的VIS。组合器103将光线重新定向到眼睛方盒104中，让观察者104能够观看显示在距眼睛方盒104不同距离处的虚拟影像。

[0025] 在一范例中，校正器102系经实作为一或多个折射光学表面、一或多个反射光学表面、或是至少一折射光学表面和至少一反射光学表面的某种组合。这些光学表面中的任何一者都可以具有球面、非球面、环形或自由形状。校正器102的属性是根据在一特定环境内(例如在汽车车厢、飞机驾驶舱等等)内之HUD 100的各式光学元件的特定排布及配置而定。例如，当HUD 100系经配置或布署在汽车内时，校正器102可以具有第一组属性，并且当HUD
100系经配置或布署在飞行器驾驶舱内时，校正器102可以具有第二组属性。在另一范例中，当HUD 100是配置或布署在第一品牌和型号的第一汽车内时，校正器102可以具有第一组属性，并且当HUD 100是配置或布署在第二品牌和型号的第二汽车内时，校正器102可以具有第一(二)组属性。该组属性包含例如校正器102的表面类型或图案、由校正器102之表面形成的形状、校正器102的尺寸、校正器102相对于至少一个其他光学元件的位置、校正器102相对于至少一个其他光学元件的指向、用于制造校正器102的材料或物质，以及/或是其他属性。

[0026] 图2描绘根据各种实施例的HUD 100之元件的相对位置和交互作用的另一个视图。在图2中，类似编号的元件是与前文所讨论者相同。图2也显示校正光学组件102的一些元件，包含光学元件202和203。

[0027] 光学元件202和203可形成为任何类型的三维形状，包含至少一个旋转非对称光学表面以及一或多个附加光学表面，包含平坦或平面、球形、非球形、圆柱形、环形、双圆锥形、自由形状，以及/或是任何适当类型的表面或者其等的组合。至少一个旋转非对称光学表面可具有任何类型的表面设计或几何形状，像是本文列出者，只要表面类型/设计/几何形状并非旋转对称者即可。另外，在存在有一个以上的附加光学表面的实作中，这些附加光学表面可以与其他的附加光学表面相同或不同(例如，第一附加光学表面可以是非球形表面，并且第二附加光学表面可以是自由形状表面)。另外或替代地，附加光学表面中的一或更多者可具有与至少一个旋转非对称光学表面相同的表面设计/几何形状。此外，光学元件202和203的个别表面可以是球形、非球形、变形、圆柱形、自由形状和/或任何适当类型的表面或其等组合。在包含自由形状表面的实作中，自由形状表面可以基于数学描述所建模和/或形成。这类数学描述的范例包含径向基底函数、基底样条曲线、非均匀有理基样条曲线(NURBS)、正交多项式(像是Zernike多项式、Q型多项式、φ多项式等等)、非正交基底(例如，X‑Y X‑Y多项式)、Chebyshev多项式、Legendre多项式、混合缝合表示，以及/或是其等的组合。

[0028] 在一些实作中，光学元件202是远心透镜并且包含至少两个圆柱形光学表面。另外或替代地，光学元件202具有朝向PGU 101指向的凹表面/侧面。另外或替代地，光学元件202形成为矩形多面体形状。另外或替代地，光学元件203是棱镜或具有棱柱形状并且包含至少两个折射光学表面和至少一个反射光学表面。在一范例中，至少两个折射光学表面均为自由形状折射光学表面，并且至少一个反射光学表面为平面反射光学表面。个别的自由形状折射光学表面可具有与其他自由形状折射光学表面相同的表面形状/几何形状，或者可具有与其他自由形状折射光学表面不同的表面设计/几何形状。另外或替代地，至少一个平面反射光学表面系经放置在至少两个自由形状折射光学表面之间。另外或替代地，光学元件203的至少一个反射光学表面是位于光学元件203内并且相对于光学元件202和/或组合器
013按一定角度而指向。校正器102的其他特点以及HUD 100的其他元件在国际申请案No.PCT/IB2021/056977有所讨论，该案系于2021年7月20日申审，兹将其整体依参考方式并入本案。

[0029] 在操作过程中，HUD 100能够形成全彩影像，如后文所述。PGU 101透过校正器102的各种光学元件投射雷射(或以其他方式产生光)。特别是，PGU 101会建立中间影像并将其投影到漫射元件105上。在漫射元件105处散射之后，光线传播通过校正器102并且抵达组合器103。校正器102的至少一个光学表面不具有旋转对称性(例如，旋转非对称表面120)，这为自PGU 101传播到组合器103的光线提供从FoV中心沿水平FoV方向单调地增加的光学路径长度。组合器103将光线重新定向到眼睛方盒104内。观察者104感知立体景深并且看到距眼睛方盒104不同距离处的虚拟物体，这些虚拟物体补充周遭世界(例如，FoV中的真实图像/物体)。此外，在HUD之FoV中的虚拟物体的感知对应于自然视角。

[0030] 除前文讨论的各种实作之外，HUD 100的其他实作也是可能的。另外或替代地，HUD 100的一些或全部元件可以被纳入在单一外壳或框架里。例如，PGU 101(或多个PGU 101)可以放置在与校正器102相同的外壳/框架内。任何上述实作方式皆可根据所涉及的特定使用案例和/或HUD 100布置/设置的环境来组合或重新排布。

[0031] 图2描绘一HUD的范例FoV和SDoF模型300，图中显示出与一虚拟影像301相关的眼睛方盒104。眼睛方盒104与3D虚拟影像301的最近片段之间的距离为最小虚拟影像距离(VID)310。眼睛方盒104与3D虚拟影像321的最远片段之间的距离称为最大VID 311。FoV包含以度(°)指定的水平FoV(HFoV)320和垂直FoV(VFoV)330，其定义显示尺寸或显示区域。在一些实作中，HUD的FoV可以根据观察者/眼睛方盒104能够观看整个显示区域的区域来定义，或者可以表示为能够由观察者/眼睛方盒104观察到的整个显示区域。HUD的模型300具有立体景深325(亦即，SDoF 325)，其是可以在不同距离处显示虚拟物体的距离范围或长度，以补充观察者/眼睛方盒104所观看到的真实世界周遭。

[0032] 图4显示出根据各种实施例的虚拟影像表面(VIS)401的形状。尤其，从眼睛方箱104到VIS 401之表面的虚拟影像距离(VID)410被显示在垂直部分400a和水平部分400b中。
在此，VIS 401是弯曲的，并且在一些实作中，VIS 401可具有圆柱形状或一些其他的适当形状。垂直部分400a包含VFoV 430，并且水平部分400b包含HFoV 420。光线路径包含具有最大长度Lmax(以公尺(m)表示)的最大(max)VID 410。最大VID 410包含具有最小长度Lmin(以公尺(m)表示)的最小(min)VID 415以及SDoF 425。最小VID 415是由眼睛方盒104到圆柱形VIS 401的顶点422的距离，线性测量的SDoF 425是由顶点422到VIS 401的末端(或最大范围)的距离。

[0033] 图5显示出针对特定使用情况之图1的VIS 401的形状，其中垂直部分500a对应于图4的垂直部分400a并且水平部分500b对应于图4的水平部分400b。在图4的范例中，最大VID 410为16.1m(例如Lmax＝16.1m)，最小VID 415为7.2m(例如Lmin＝7.2m)，并且线性测量的SDoF 425为8.9m(例如SDoF＝8.9m)。

[0034] 另外或替代地，HUD 100的范例实作可包含由表0所显示的参数。

[0035] 表0：光学系统参数范例

[0036]

[0037] HUD 100之范例实作的各种参数的其他数值在表1中列出。

[0038] 表1：光学系统参数范例

[0039]

[0040]

[0041] 在表1中，「H‑K9L」是指用于光学元件的硼硅酸盐玻璃(有时称为硼冠玻璃)，其可具有约1.509至1.517的折射指数以及约64.17至64.20的色散(Abbe数)。H‑K9L相当于和并且这类材料的其他性质在光学玻璃系列资料表」中有所讨论，可从下列网址取得：

[0042] https://www.schott.com/en‑gb/products/optical‑glass‑p1000267/downl oads

[0043] Schott AG(2014)([Schott])，兹将其内容依其整体以参考方式并入本案。可供运用的附加或替代材料，像是熔融二氧化硅、氟化钙(CaF2)、硒化锌(SeZn或ZnSe)、锗，以及/或是具有相对高透射率的任何其他光学材料，像是在Schott中所讨论者。

[0044] 在各种实作中，光学系统(例如，HUD 100)包含球形、圆柱形和/或自由形状表面。在一些实作中，校正器102的透镜202包含由等式(1)所表示的两个圆柱形表面。

[0045]

[0046] 在等式(1)中，z是透镜202的垂度，并且Rx,Ry及kx,ky分别是两个正交截面的半径和圆锥常数。特别地，Rx是水平部分400b中的曲率半径(RoC)，Ry是垂直部分400a中的RoC，kx是水平部分400b的圆锥常数，并且ky是垂直部分400a的圆锥常数。在一些实作中，棱镜203的折射表面为自由形状表面，其可用等式(2)来表示。

[0047]

[0048] 在等式(2)中，z是棱镜203的垂度，R是第二阶RoC，k是第二阶圆锥常数，Ai是多项式Ei项上的系数。全像组合器103代表在球形基底上对于波长为532奈米(nm)所形成的相位光栅，其中表面的相位是由等式(3)给定。

[0049]

[0050] 在等式(3)中，Φ是表面的相位，M是等于1的绕射阶级，Ai是Zernike Fringe多项式Zi上的系数。表2中列出表面7和12的多项式Ei项上的系数Ai，对于全像组合器103的多项式Zi项上的系数Ai列于表3中。

[0051] 表2：对于表面7和12的多项式项上的系数

[0052]

[0053]

[0054] 表3：Zernike Fringe多项式上的系数

[0055]

[0056]

[0057] 图6显示AR HUD 600a和AR HUD 600b两个光学系统的VIS比较。AR HUD 600a和600b分别包含棱镜603a和603b，并且能够产生VIS。具体地，AR HUD 600b被配置为产生没有SDoF的平面VIS 601b，而AR HUD 600a被配置为产生具有SDoF(例如，SDoF 25)的弯曲VIS
601a。

[0058] 为创建弯曲的VIS 601a，AR HUD 600a包含至少一个旋转非对称和/或自由形状光学表面630a，这使得光线(自PGU传播到组合器)的光学路径长度能够从FoV的中心(例如，顶点622)沿着HFoV 420的方向单调地增加，并因此提供SDoF 425。然而，具有不带SDoF的平面VIS的AR HUD(例如，AR HUD 600b)也可以包含旋转非对称光学表面。因此，为创建SDoF 425，光学系统600a和600b的两个几乎相同的校正器102中的表面垂度(或矢状面)的差异是基于棱镜603a和603b之光学表面630a和630b的形状、曲线和/或其他性质。具体地，在本范例中，两个AR HUD 600a和600b的不同之处只在于它们个别的棱镜603a和603b之个别的光学表面630a和630b的形状。换言之，棱镜603a的光学表面630a具有与棱镜603b的光学表面
630b的形状、曲线和/或其他性质不同的形状、曲线和/或其他性质。

[0059] 图7包含图形700，其中显示AR HUD 600a和AR HUD 600b中棱镜表面陷落的比较。图形700的x轴包含光学表面x座标值(以公厘表示)，并且图形700的y轴包含表面垂度值(以公厘表示)。在图形700中，曲线701a对应于棱镜603a的光学表面630a的垂度，曲线701b对应于棱镜603b的光学表面630b的垂度，并且差值曲线711是曲线701a和701b之间的差值。差值曲线711从FoV中心沿着HFoV方向单调地递增。考虑到AR HUD 600a和AR HUD 600b中的所有其他光学表面(表面630a和630b除外)相等的事实，差值曲线711的单调增加可解释AR HUD
600a中对于经由校正器102从PGU 101传播到组合器103的光线光学路径长度的单调增加。
光学路径长度的单调增加提供SDoF 425和正面的视觉人体工学效果。

[0060] 图8显示出范例驾驶情境，其中车辆820a、820b正在利用引导车辆820a、820b的路线的虚拟导航箭头进行转弯操纵。车辆820b包含产生VIS形状800b的AR HUD，其中虚拟导航箭头不对应于真实轨迹803。VIS形状800b具有VIS 801b，虚拟物体将沿着VIS 801b放置。VIS形状800b也包含虚拟介面811b，其显示出当与真实世界物体一起显示时虚拟物体的方向和/或指向。在此，VIS形状800b的凸侧802b是以远离于车辆820b内的观察者所指向。这意味着虚拟影像将沿着VIS 801b和指向凸侧802b之顶点的虚拟介面811b放置。在本范例中，当车辆820b接近十字路口以进行右转操纵时，观察者视场右侧的虚拟驾驶箭头指向左前，而不是右前，这可能导致迷失方向和不安全的驾驶场景。

[0061] 图8中也显示由车辆820a中的AR HUD(例如，图6的AR HUD 600a)所产生的范例VIS形状800a，其中虚拟驾驶方向对应于真实轨迹803。VIS形状800a具有VIS 801a以及虚拟介面811a，虚拟物体将沿着VIS 801a放置，虚拟介面811a显示与真实世界物体一起显示时虚拟物体的方向和/或指向。在此，VIS形状800a的凸侧802a是朝向车辆820a内的观察者。这意味着虚拟影像将沿着VIS 801a和远离凸侧802a的顶点指向的虚拟介面811a而放置。在本范例中，当车辆820a接近十字路口以进行右转操纵时，观察者视场右侧的虚拟驾驶箭头将向右前方引导，与真实轨迹803一致。与VIS形状800b不同，VIS形状800a的凸侧802a朝向观察者，因此，虚拟物体(例如，TBT指针/箭头)对应于真实世界物体(例如，真实轨迹803)。前述实作以及后文讨论的各种实施例提供优于传统HUD的优点，因为VIS 801a(包含SDoF)的形状允许根据真实驾驶方向的自然感知来显示虚拟驾驶方向。例如，当AR HUD 100显示行驶路线的TBT指针时，VIS 801a的形状(包含SDoF)让TBT指针能够显示在真实世界驾驶方向(真实轨迹803)之上或之处。在前文讨论的传统HUD中，VIS设置有远离观察者定向的凸侧，这与根据本案实施例所产生之VIS的指向相反。

[0062] 图9显示出范例驾驶场景，其中车辆920a、920b跟随(或接近)另一台车辆922a、922b。车辆920a包含产生VIS形状900a的AR HUD(例如，图6的AR HUD 600a)，其可以与图8的VIS形状800a相同或相似。在此，VIS形状900a「包绕」于车辆920a前方的车辆922a。相较之下，车辆920b包含产生VIS形状900b的AR HUD，其可以与图8的VIS形状800b相同或相似。在此，VIS形状900b包围或重迭于车辆920b前方的车辆922b。在此情况下，沿着VIS形状900b放置的虚拟影像将看起来比前方车辆922b更远离车辆920b。虚拟物体与真实世界物体(例如，前方车辆922b)重迭或显示在真实世界物体之外(例如，在前方车辆922b之外)的情况对于视觉感知的舒适度及和驾驶安全性方面可能是相当令人不悦的。换言之，所显示的虚拟物体的距离并未正确地对应于它们应该被补充的真实物体的距离。这种情况可能经常出现在拥挤的区域，例如高速公路或城市环境，速度通常较低和/或车辆彼此相对较为接近。

[0063] 图10描绘根据各种实施例用于将HFoV划分成区段1010的范例划分法则1000。如前所述，光学系统(例如HUD 100)透过根据自然视角来对显示器FoV中的虚拟物体进行成像以提升视觉感知品质。校正器102以这样的方式实作，使得对于从PGU 101传播到组合器103的光线1015，其使得光学路径长度能够从FoV的中心沿着HFoV的方向单调地增加。因此，VIS 401具有U形和/或圆柱形，其凸侧1022朝向观察者104。此外，VIS 401的侧边区域逐渐远离观察者104。同时，随着主光线1015远离FoV凸侧1022的中心而行进，沿着HFoV方向瞄准的任意主光线1015与VIS1001的法线之间的角度变得更大。这意味着虚拟物体，看起来不倾斜，的可用尺寸将显得较小，虚拟物体距离观察者104愈远，因此沿着HFoV的方向距离FoV的中心愈远。

[0064] 该分割法则1000包含一组本地区段1010(或简称「区段1010」)。在图10中，仅显示出HFoV的一半的区段1010。各个区段1010具有基于观察者104和VIS 1001间之个别光线1015的两个端点1005。在本实作中，各个区段1010具有大约150弧秒(”)的SDoF。在此，如果介面的真实立体阈值处于或接近150”，则在各个区段1010内显示的虚拟物体对于观察者
104不应该看起来倾斜。根据实施范例，各个局部区段1010的角度大小透过图10(以度为单位)显示，但是在其他实作中其他的角度大小也是可能。

[0065] 该分割法则1000亦包含两个区段1010之间的各端点1005处的角度α(注意，为清楚起见，图10中仅示两个角度，角度α1和角度α2)。各个角度α是VIS1001的法线1002与在观察者104和VIS 401间传播的光线1015之间的角度。在此，角度α1是VIS1001的法线1002和第一主光线10151之间的角度，角度α2是VIS1001的法线1002和第二主光线10152之间的角度，其中第二主光线10152比第一主光线10151传播得更远离FoV的中心，并且第一主光线10151传播得比第二主光线10152更靠近FoV的中心。在本实作中，角度α2大于角度α1，并且距离观察者
104较近的区段1010比距离观察者104较远的区段1010具有较大的角度大小。此特性对应于观察者104的自然透视。根据自然透视显示虚拟物体可以透过更有效地利用FoV及SDoF来提升视觉感知的品质，因为自然透视对应于真实人类对3D空间的感知。

[0066] 图11描绘SDoF模型1100。如前所述，由于AR HUD 100提供更大的SDoF，因此与现有/传统AR HUD相比，AR HUD 100可提供改进的视觉人体工学。SDoFδ可以表示为敛聚在位于靠近眼睛方盒104的物体A上的角度ω与位于远离眼睛方盒104的物体B的角度θ之间的差值。SDoFδ可以利用等式(4)来计算。

[0067] δ＝ω‑θ (4)

[0068] 这些角度之间的差异是根据到物体的观看距离L、眼间距离b而定，且因此SDoFδ也可以利用等式(5)来表示。

[0069]

[0070] 在等式(5)中，视距L1为眼睛方盒104与物体A之间的视距，视距L2为眼睛方盒104与物体B之间的视距，并且b为眼间距离。此外，视距L1和视距L2之间的差异是线性测量的所感知深度Δd。在一个范例实作中，视距L1和L2在7.2m到16.1m的范围内变化(例如，Δd＝8.9m)以及眼间距离b，SDoFδ等于4.9毫弧度(mrad)。在AR HUD 100中，透过更宽的FoV达到的SDoFδ变大，而不超过立体阈值的虚拟物体的尺寸(例如，虚拟物体看起来不倾斜)保持不受影响。

[0071] 图12显示SDoF对FoV大小的依赖性。在此，SDoF随着FoV变宽而变大。在图12中，VIS1201围绕于FoV中心点有一维倾斜。例如，假设倾斜角1223为79°(例如α＝79°)，并且FoV的中心点1210距观察者104为10m，那么对于4°的FoV 1220来说SDoFδ将为2.3mrad，对于7°的FoV 21来说，SDoFδ将为4.1mrad。转换为距离范围，对于FoV 1220，感知深度为3.7m(例如Δd＝3.7m)，对于FoV 1221，感知深度为7.1m(例如Δd’＝3.7m)。

[0072] 图13显示虚拟物体1302的最大可用尺寸1330，其不超过立体阈值1340。这里，不超过立体阈值1340的虚拟物体1302的最大可用尺寸1330是虚拟物体看起来不会对观察者104倾斜的尺寸。在图13的范例中，立体阈值1340是150”。

[0073] AR HUD 100可以具有比现有/传统AR HUD中的SDoF更大的SDoF的原因之一是AR HUD 100的SDoF是在HFoV方向上达成的，而在现有/传统AR HUD中SDoF则是在VFoV方向上达成的。图14显示对于典型的AR HUD几何结构增加VFoV尺寸的难度。图14所示，与增大HFoV相比，增加VFoV尺寸的困难度是基于组合器1403在垂直平面1410上的投影长度L与组合器1403的实际尺寸L’的关系。

[0074] 典型的组合器1403倾斜角1423不小于60度(例如，α≧60)，并且组合器1403的垂直尺寸L’将比其在垂直平面1410上的投影至少大两倍。然而，对于水平面则不存在这样的问题。因此，在所有条件等同的情况下，由于组合器尺寸的限制L’、大数值孔径以及像差在VFoV方向上快速地增加(尤其是散光)之故，可实现的最大典型VFoV将至少比HFoV小两倍。这也可以藉由现有HUD的FoV典型值来说明，包含先前讨论的5.4x1.8；10×4；12x3度。

[0075] AR HUD 100比现有/传统AR HUD可具有更大SDoF的另一个原因是，组合器103被实作为具有正光倍率的全像光学元件(HOE)，与现有的相比，可进一步增加HFoV和VFoV HUD(参见例如图12，图中显示出SDoF和FoV大小之间的依赖性)。在一范例实作中，组合器103的光倍率为2.85屈光度，并且组合器焦距为350mm。而在现有/传统的AR HUD中，限制FoV扩展的因素之一是组合器尺寸的限制，这与组合器的低光倍率(～<1屈光度)有关。组合器的光倍率愈低，可达到的视场就愈小，但是光学系统尺寸仍受到限制。

[0076] 图15描绘图表1500，图中显示对于到虚拟影像的不同距离，典型AR HUD的体积与组合器的光倍率的依赖性。图表1500中给出的资料是针对距虚拟影像的不同距离所提供，以毫米(mm)为单位。对于图15，典型的AR HUD给出以下系统参数值：眼睛方盒到组合器的距离为700mm，圆形眼睛方盒的半径为71mm，FoV半径为6.5°。

[0077] 图表1500显示，考虑到虚拟影像的足够距离(>3m)，典型AR HUD的体积增加相当地快速。组合器的光倍率或焦距被实作为挡风玻璃的一个区域，可以考虑该区域处的最小最接近曲率半径来估计。因此传统组合器的典型焦距通常大于1000mm，而AR HUD 100的全像组合器103具有显著地更高的光倍率(例如，更短的焦距)。高光倍率让全像AR HUD 100能够拥有更宽的FoV，因此具有更大的SDoF，从而提供改进的视觉人体工学。

[0078] 除先前描述的HUD 100的各种实施例之外，HUD 100也可以含有除所示之外的附加或替代元件。例如，HUD 100亦可包含操纵光线的一或多个附加光学元件/部件，例如透镜、滤器、棱镜、映镜、分束器、漫射器、衍射光栅、多元光学元件(MOE)等等。除此之外，本揭所显示及描述的各个元件/部件可利用任何适合的制造手段(例如本揭所讨论者)来制造或构成。另外，本揭所显示及描述的各个元件/部件可藉由任何合适的紧固装置(例如本文所讨论者)连接到其他元件/部件以及/或是连接到车辆的一局部/区段。此外，本揭所显示及描述的元件/部件的几何形状(形状、体积等)、位置、方向和/或其他参数可能与图1‑15的范例实施例中所描述的形状、位置、方向和/或其他参数不同，根据设置AR HUD 100的车辆的形状、尺寸和/或其他参数/特性而定，以及/或是基于AR HUD 100和/或设置AR HUD 100的车辆的其他元件/部件的形状、大小、位置、方向和/或其他参数/特性。

[0079] 2.范例实作

[0080] 后文提供的一些非限制性范例。以下范例牵涉到进一步的实施例。范例中的细节可在一或多个实施例中的任何地方使用。本揭所述的装置的所有可选特性亦可针对于方法或程序来实作。

[0081] 范例A01包含一个光学系统，其含有影像产生单元(PGU)、组合器和设置在PGU和组合器之间的校正器，其中，校正器包含至少一个旋转非对称的光学表面，该表面系经排布以藉由单调地增加从视场中心(FoV)沿水平FoV(HFoV)方向的光学路径长度来对于自PGU通过校正器传播到组合器的光线提供立体景深(SDoF)。

[0082] 范例A02包含范例A01和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中至少一个旋转非对称光学表面被配置为基于由PGU投射的光形成弯曲的虚拟影像表面(VIS)。

[0083] 范例A03包含范例A01或A02和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中光学系统系经配置为由于PGU、校正器和组合器之间的相互作用而形成弯曲的虚拟影像表面(VIS)，并且藉由将一或多个真实物体与一或多个显示的虚拟影像齐一的方式来改善光学系统的视觉人体工程学(例如，驾驶舒适度及安全性)。

[0084] 范例A04包含范例A03和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中一或多个真实物体包含真实驾驶方向，并且一或多个显示的虚拟影像包含显示的虚拟驾驶方向，并且显示的虚拟驾驶方向是路线规划(TBT)指针、转弯箭头中的一或多种，或是TBT导航服务的其他类似图形元素。

[0085] 范例A05包含范例A03‑A04和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中VIS具有圆柱形形状，并且圆柱形形状的凸侧是朝着观察者所指向。

[0086] 范例A06包含范例A05和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中VIS的准线是沿着HFoV的方向定位的连续曲线。

[0087] 范例A07包含范例A01‑A06和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中校正器被实作为光学表面的组合，包含一或多个折射表面、一或多个反射表面、或是至少一折射表面以及至少一反射表面的组合。

[0088] 范例A08包含范例A01‑A07和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中组合器被实作为具有正光倍率的全像光学元件。

[0089] 范例A09包含范例A01‑A08和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中，校正器系经配置为对于从PGU传播到组合器以形成VIS的光线产生从FoV的中心在HFoV的方向上单调地增加的光学路径长度，使得主光线与瞄准的主光线之间的角度随着主光线距离FoV中心愈远，沿着HFoV方向和VIS法线的距离就愈大。

[0090] 范例A09包含范例A01‑A08和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中光学系统根据自然透视在距离观察者不同距离显示虚拟物体。

[0091] 范例A10包含范例A01‑A09和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中校正器进一步包含至少一个棱镜，该棱镜包含设置在至少两个折射光学表面之间的至少一个反射光学表面。

[0092] 范例A11包含范例A10和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中所述至少两个折射光学表面是所述至少一个棱镜的表面。

[0093] 范例A12包含范例A01‑A11和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中组合器包含具有在1.1‑6.6屈光度之间的光倍率的全像光学元件(HOE)。

[0094] 范例A13包含范例A01‑A12和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中组合器包含具有2.85屈光度的光倍率和350毫米(mm)焦距的HOW。

[0095] 范例A14包含范例A01‑A13和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中校正器包含具有至少两个折射表面的至少一个光学元件。

[0096] 范例A15包含范例A01‑A14和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中PGU与车载计算系统通讯耦接，并且PGU系经配置为基于自车载计算系统所获得的讯号来产生三维(3D)虚拟影像。

[0097] 范例A16包含范例A01‑A15和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中光学系统为，或被纳入，具有改进的视觉人体工学的扩增实境(AR)抬头显示器(HUD)装置。

[0098] 范例B01包含一种光学系统，其包含：组合器；影像产生单元(PGU)，被配置为向组合器投射光线；以及设置在PGU和组合器之间的校正光学组件，其中校正光学组件包含至少一个旋转非对称光学表面，该光学表面系经排布为藉由产生具有单调地增加的光学路径长度的光学路径来提供立体景深(SDoF)光线透过校正光学组件PGU传播到组合器的水平视场(HFoV)。

[0099] 范例B02包含范例B01和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中在垂直视场(VFoV)的方向上不提供SDoF。

[0100] 范例B03包含范例B01‑B02和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中至少一个旋转非对称光学表面被配置为基于自PGU传播的光线形成弯曲的虚拟影像表面(VIS)。

[0101] 范例B04包含范例B03和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中弯曲VIS的顶点朝着观察者所指向。

[0102] 范例B05包含范例B03‑B04和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中VIS具有圆柱形形状，并且圆柱形形状的凸侧朝着观察者所指向。

[0103] 范例B06包含范例B05和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中弯曲VIS的准线是沿着HFoV的方向定位的连续曲线。

[0104] 范例B07包含范例B01‑B06和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中弯曲VIS的准线是沿着HFoV的方向定位的连续曲线。

[0105] 范例B08包含范例B01‑B07和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中单调地增加的光学路径长度从视场(FoV)的中心点在HFoV的方向上单调地增加。

[0106] 范例B09包含范例B01‑B08和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中第一主光线与VIS的法线之间的第一角度小于第二主光线与VIS的法线之间的第二角度，其中第一主光线比第二主光线更靠近FoV的中心，第一主射线和第二主射线均沿着HFoV方向瞄准。

[0107] 范例B10包含范例B01‑B09和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中校正光学组件包含至少一个光学元件，其中该至少一个光学元件包含复数个表面。

[0108] 范例B11包含范例B10和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中所述至少一个光学元件形成为三维形状形成，其选自于由平面、球体、非球面、棱柱、棱锥体、椭圆形、圆锥体、圆柱体、圆环面所组成的群组，或是由平面、球体、非球面、棱柱、棱锥体、椭圆形、圆锥体、圆柱体、环形所组成之群组的任两种或更多形状的组合。

[0109] 范例B12包含范例B10‑B11和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中复数个表面包含至少两个折射表面和至少一个反射表面。

[0110] 范例B13包含范例B12和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中至少一个旋转非对称光学表面是至少两个折射表面之一。

[0111] 范例B14包含范例B12‑B13和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中至少一个反射表面是设置在至少两个折射表面的各个折射表面之间。

[0112] 范例B15包含范例B14和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中至少两个折射表面中的第一表面为球形表面、非球形表面、变形表面或自由形状表面；所述至少两个折射面中的第二表面为球形表面、非球形表面、变形表面或自由形状表面。

[0113] 范例B16包含范例B14‑B15和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中至少两个折射表面中的各个是自由形状光学表面并且至少一个反射表面是平面光学表面。

[0114] 范例B17包含范例B16和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中自由形状表面是基于选自于由径向基底函数、基底样条、非均匀有理基底样条、正交多项式、非正交多项式，基于选自于由径向基底函数、基底样条、非均匀有理基底样条、正交多项式、非正交多项式所组成之群组的两个或更多个函数之组合的混合缝合表示，所组成之群组中的函数所形成。

[0115] 范例B18包含范例B12‑B17和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中至少一个旋转非对称光学表面被指向为朝着组合器。

[0116] 范例B19包含范例B12‑B18和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中至少一个光学元件是棱镜。

[0117] 范例B20包含范例B19和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中校正光学组件进一步包含设置在棱镜和PGU之间的透镜。

[0118] 范例B21包含范例B20和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中透镜包含至少两个圆柱形光学表面。

[0119] 范例B22包含范例B21和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中透镜包含朝着PGU指向的凹表面。

[0120] 范例B23包含范例B21‑B22和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中透镜是远心透镜。

[0121] 范例B24包含范例B01‑B23和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中校正光学组件包含一或多个透镜、一或多个棱镜、一或多个棱镜透镜、一或多个映镜、一或多个全像光学元件中的一或更多者。

[0122] 范例B25包含范例B24和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中校正光学组件进一步包含漫射元件，光线由PGU投射到该漫射元件上，其中漫射元件包含一或多个漫射萤幕、漫射板、散射表面或微透镜阵列的组合。

[0123] 范例B26包含范例B01‑B25和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中组合器包含具有正光倍率的全像光学元件(HOE)。

[0124] 范例B27包含范例B26和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中HOE的光倍率是在1.1到6.6屈光度之间。

[0125] 范例B28包含范例B27和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中HOE的光倍率是在2.85屈光度之间。

[0126] 范例B29包含范例B28和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中HOE具有350毫米(mm)的焦距。

[0127] 范例B30包含范例B01‑B29和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中PGU与车载计算系统通讯地耦接，并且PGU被配置为基于来自车载计算系统所获得的讯号来产生光线，其中光线代表一或多个三维(3D)虚拟影像。

[0128] 范例B31包含范例B01‑B30和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中该光学系统是，或被纳入于，扩增实境(AR)抬头显示器(HUD)装置。

[0129] 范例C01包含一种光学系统，其包含：组合器；影像产生单元(PGU)，其系经配置为向组合器投射光线；以及设置在PGU和组合器之间的校正光学组件，其中校正光学组件包含至少一个旋转非对称光学表面，该表面系经排布以形成虚拟影像表面(VIS)，其顶点朝向观察者，这是藉由从传播的光线在水平视场(HFoV)的方向上产生具有从顶点单调地增加的光学路径长度的光学路径以透过校正光学组件从PGU传播到组合器，使得光学系统能够提供立体景深(SDoF)来在距观察者的不同距离处显示虚拟物体。

[0130] 范例C02包含范例C01和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中单调地增加的光学路径长度从视场(FoV)的中心点在HFoV的方向上单调地增加。

[0131] 范例C03包含范例C02和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中第一主光线与VIS法线之间的第一角度小于第二主光线与VIS法线之间的第二角度，其中第一主光线比第二主光线更靠近FoV的中心，并且第一主射线和第二主射线两者均沿着HFoV方向瞄准。

[0132] 范例C04包含范例C03和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中光学系统根据自然透视在距观察者不同的距离处显示虚拟物体。

[0133] 范例C05包含范例C01‑C04和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中VIS具有圆柱形形状，并且圆柱形形状的凸侧朝着观察者所指向。

[0134] 范例C06包含范例C05和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中VIS具有准线，其系沿着HFoV的方向定位的连续曲线。

[0135] 范例C07包含范例C05和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中VIS具有准线，该准线是在HFoV的方向上线性延伸的连续曲线。

[0136] 范例C08包含范例C01‑C07和/或本文的一些其他范例的光学系统，其中组合器包含具有正光倍率的全像光学元件(HOE)。

[0137] 范例C09包含范例C08和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中HOE的光倍率是在1.1到6.6屈光度之间。

[0138] 范例C10包含范例C01‑C09和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中校正光学组件包含至少一个光学元件，并且该至少一个光学元件包含复数个表面。

[0139] 范例C11包含范例C10和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中复数个表面系经形成为包含至少一个旋转非对称光学表面和一或多个附加光学表面的三维形状，其中一或多个附加光学表面中的个别附加光学表面系选自于由平面、球面、非球面、圆柱、环状、双圆锥、自由形状所组成的群组。

[0140] 范例C12包含范例C10和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中复数个表面形成为包含所述至少一个旋转非对称光学表面和一或多个附加光学表面的三维形状，其中一或多个附加光学表面中的个别附加光学表面为平面表面、球形表面、非球形表面、圆柱形表面、环形表面、双圆锥表面或自由形状表面。

[0141] 范例C13包含范例C10‑C12和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中多个表面包含至少两个折射光学表面和至少一个反射光学表面，并且至少一个光学元件系经形成以使得至少一个反射光学表面设置在至少两个折射光学表面中的个别折射光学表面之间。

[0142] 范例C14包含范例C13和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中至少一个旋转非对称光学表面是至少两个折射光学表面其中之一。

[0143] 范例C15包含范例C13‑C14和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中至少一个光学元件是棱镜。

[0144] 范例C16包含范例C13‑C15和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中至少两个折射光学表面中的第一表面为球形表面、非球形表面、双锥表面或自由形状表面；该些至少两个折射光学面的第二表面为球形表面、非球形表面、双锥表面或自由形状表面。

[0145] 范例C17包含范例C13‑C16和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中至少一光学反射光学表面为球形表面、非球形表面、双锥表面或自由形状表面。

[0146] 范例C18包含范例C13‑C17和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中至少两个折射光学表面中的各者是自由形状光学表面并且至少一个反射光学表面是平面光学表面。

[0147] 范例C19包含范例C10‑C18和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中校正光学组件进一步包含一或多个附加光学元件，其中一或多个附加光学元件包含透镜、滤镜、棱镜、映镜、分束器、漫射器、衍射光栅和多元光学元件中的一或更多者。

[0148] 范例C20包含范例C01‑C19和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中光学系统是，或被纳入，具有改进的视觉人体工学的扩增实境(AR)抬头显示器(HUD)装置中。

[0149] 范例D01包含具有改进的视觉人体工学的扩增实境(AR)抬头显示器(HUD)装置的光学系统，该光学系统包含：组合器，其包含具有正光倍率的全像光学元件(HOE)；影像产生单元(PGU)，被配置为朝向组合器投射光线；以及设置在PGU和组合器之间的校正光学组件，其中校正光学组件包含至少一个旋转非对称光学表面，其系经排布为为藉由自PGU传播到组合器的光线沿着水平视场(HFoV)产生单调地增加的光学路径来提供立体景深(SDoF)，使得光学系统能够显示与观察者不同距离的虚拟物体。

[0150] 范例D02包含范例D01和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中单调地增加的光学路径从视场(FoV)的中心点沿着HFoV的方向单调地增加。

[0151] 范例D03包含范例D01‑D02和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中至少一个旋转非对称光学表面系经配置为基于自PGU传播的光线形成弯曲虚像表面(VIS)，并且其中弯曲VIS具有圆柱形形状，弯曲VIS的顶点朝向观察者，并且弯曲VIS的准线是在水平视场(HFoV)方向上延伸的连续曲线。

[0152] 范例D04包含范例D03和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中校正光学组件包含至少一个光学元件，并且该至少一个光学元件包含至少两个折射光学表面和至少一个反射光学表面。

[0153] 范例D05包含范例D04和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中该至少一个光学元件系经形成为具有棱柱形状，并且该至少一个反射光学表面系经设置在该些至少两个折射光学表面的个别折射光学表面之间。

[0154] 范例D06包含范例D04‑D05和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中该至少一旋转非对称光学表面为该些至少两个折射光学表面之一，并且该些至少两个折射光学表面之一为平坦或平面表面、球形表面、非球形表面、圆柱形表面、环形表面、双锥表面或自由形状曲面之一，以及其中该至少一反射光学面为平面表面、球形表面、非球形表面、圆柱形表面或圆柱表面、环形表面、双锥表面或自由形状表面之一。

[0155] 范例D07包含范例D04‑D06和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中至少两个折射光学表面中的各者是自由形状光学表面并且至少一个反射光学表面是平面光学表面。

[0156] 范例E01包含一种具有改进的视觉人体工学的扩增实境抬头显示器装置的光学系统，包含：用于显示一或多个虚拟物体的组合器装置；影像产生装置，用于将表示一或多个虚拟物体的光线投射朝向该组合器装置；以及设置在该影像产生装置和该组合器装置之间的校正光学装置，其中校正光学装置用于藉由产生具有自光线的水平视场(HFoV)方向上自顶点单调地增加的光学路径长度的光学路径来形成其顶点朝向观察者的虚拟影像表面(VIS)从该图像产生装置传播到该组合器装置的光线，使得光学系统能够提供立体景深(SDoF)以显示距观察者不同距离处的一或多个虚拟物体。

[0157] 范例E02包含范例E01和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中单调地增加的光学路径长度从视场(FoV)的中心点沿着HFoV的方向单调地增加。

[0158] 范例E03包含范例E02和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中第一主光线与VIS的法线之间的第一角度小于第二主光线与VIS的法线之间的第二角度，其中第一主光线比第二主光线更靠近FoV的中心，并且第一和第二主光线两者都沿着HFoV的方向瞄准。

[0159] 范例E04包含范例E03和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中该校正光学装置用于形成VIS，使得一或多个虚拟物体根据自然透视被显示在距观察者不同的距离处。

[0160] 范例E05包含范例E01‑E04和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中VIS具有圆柱形形状，并且圆柱形形状的凸侧为朝着观察者指向。

[0161] 范例E06包含范例E05和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中其中VIS具有沿HFoV方向定位的连续曲线的准线以及/或是沿HFoV方向直线延伸的连续曲线的准线。

[0162] 范例E07包含范例E01‑E06和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中一或多个虚拟物体是全像物体。

[0163] 范例E08包含范例E01‑E07和/或本揭的一些其他范例的光学系统，其中校正光学装置是范例A01‑D07中的任意一或多个的校正光学组件，组合器装置是范例A01‑D07中的任意一或多个的组合器，并且影像产生装置是范例A01‑D07中的任一或多个的PGU。

[0164] 范例F01包含与范例A01‑E08中任一个的AR HUD通讯地耦接的电脑装置，并且该电脑装置被配置为产生一或多个讯号以控制范例A01‑E08中任一或多个的PGU。

[0165] 范例F02包含一或多个包含指令的电脑可读媒体，其中处理器电路执行指令是为了使电脑装置产生一或多个讯号以控制范例A01‑E08中的任一或多个的PGU。

[0166] 范例F03包含作为执行由一或多个电脑可读媒体储存之指令的结果而产生的电磁讯号，其中该电磁讯号系为令范例A01‑E08中的任一或多个的PGU产生代表范例A01‑E08中之任一或多个虚拟物体的光线。

[0167] 3.术语

[0168] 如本揭所使用，单数形式「一」、「一个」和「该」亦意图包含复数形式，除非上下文清楚地另予说明。将能进一步了解术语「包含」和/或「含有」在本说明书中使用时具体指所陈述的特性、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一或多个其他特性、整体、步骤、操作、元件、组件以及/或是其群组的存在或添增。短语「A和/或B」意思是(A)、(B)或(A和B)。为本揭露之目的，短语「A、B和/或C」意思是(A)、(B)、(C)、(A和B)、(A和C)、(B和C)，或(A、B和C)。该描述可以使用短语「在一个实施例中」或「在一些实施例中」，其中各个可以参照于一或多个相同或不同的实施例。除此之外，如对于本揭所使用者，术语「包含」、「包含」、「具有」等等为同义词。

[0169] 术语「变形表面」至少在一些实施例中是指具有双轴对称性的非对称表面。术语「变形元件」和/或「变形光学元件」是指具有至少一变形表面的光学元件和/或具有球面、非球面和环形表面之组合的光学元件。

[0170] 术语「孔径」在至少一些实施例中是指光学表面的光学相关部分。另外或替代地，术语「孔径」至少在一些实施例中是指光线穿过而行旅的孔洞或开口。另外或替代地，光学系统的「孔径」和焦距决定到达影像平面中的焦点之光线束的锥角。

[0171] 术语「孔径光阑」至少在一些实施例中指的是限制穿过光学系统之光量的开口或结构。另外或替代地，术语「孔径光阑」至少在一些实施例中指的是主要决定在影像点处的射线锥角及亮度的光阑。术语「光阑」至少在一些实施例中指的是限制光束的开口或结构，并且可以包含孔径的隔膜、透镜或映镜的边缘、将光学元件固持就位的固定器，以及/或是类似者。

[0172] 根据上下文而定，术语「面向」至少在一些实施例中是指坡度的指向，其可按从0到360的度数顺时针测量，其中0是面朝北，90是面朝东，180是面朝南，270是面朝西。

[0173] 术语「扩增实境」或「AR」至少在一些实施例中是指真实世界环境的互动式体验，其中现实世界中的物体被电脑产生的感知讯息「扩增」，有时跨越多种感官模式，包含视觉、听觉、触觉、体感以及嗅觉。

[0174] 术语「主光线」至少在一些实施例中指的是光线束的中心光线。另外或替代地，术语「主光线」至少在一些实施例中指的是来自离轴物点的穿过光学系统的孔径光阑之中心的光线。另外或替代地，术语「主光线」至少在一些实施例中指的是物体的边缘开始并且穿过孔径光阑中心的子午光线。术语「主光线」或「主射线」也可称为「主光线」或「b光线」。

[0175] 本揭中使用术语「耦接」、「通讯耦接」及其衍生词。术语「耦接」可以指两个或更多元件彼此直接物理或电气接触，可以指两个或更多元件间接地彼此接触但仍然彼此协作或相互作用，以及/或是可以指一或多个其他元件耦接或连接于被称为彼此耦接的元件之间。术语「直接耦接」可以意味着两个或更多元件彼此直接接触。术语「通讯耦接」可以意味着两个或更多个元件可经由包含透过有线或其他互连连接、透过无线通讯频道或链结等等的通讯手段彼此接触。

[0176] 术语「曲率」至少在一些实施例中指的是曲线方向相对于沿着曲线的距离的变化率。

[0177] 术语「漫射器」至少在一些实施例中指的是任何以某种方式漫射或散射光线的装置或材料。「漫射器」可以包含反射光线的材料、半透明材料(例如，玻璃、磨砂玻璃、反射玻璃/回流焊接、蛋白石玻璃、灰色玻璃等)和/或其他材料。术语「衍射漫射器」至少在一些实施例中是指利用衍射和折射原理的漫射器或衍射光学元件(DOE)。术语「散斑漫射器装置(也称为「散斑漫射器」)至少在一些实施例中指的是光学中用于在雷射从表面反射之前破坏雷射的空间同调性(或同调性干涉)的装置。

[0178] 术语「屈光度」至少在一些实施例中是指光学元件的折射力的单位。

[0179] 术语「准线」至少在一些实施例中指的是与产生像是圆柱形表面的几何物体之程序相关联的曲线。

[0180] 至少在一些实施例中，术语「虚设表面」指的是不具有折射效应和/或不改变光线路径的表面。另外或替代地，术语「虚拟表面」至少在一些实施例中是指光学系统的描述中的参考以指明在制造光学系统时或之后零件将位于何处；这些部件可以包含例如机械光阑、孔径、遮蔽物、架装件、挡板和/或一些其他机械零件。

[0181] 术语「自我」(像是在例如「自我装置」中)和「主体」(像是在例如「资料主体」中)至少在一些实施例中是指正在考虑或正在考量的实体、元件、装置、系统等。术语「邻居」和「邻近者」(如例如「邻近装置」)至少在一些实施例中指的是除了自我装置或主体装置之外的实体、元件、装置、系统等等。

[0182] 术语「元素」至少在一些实施例中指的是给定抽象层级上不可分割并且具有明确定义的边界的单元，其中元件可以是任何类型的实体，包含例如一或多个装置、系统、控制器、网路元件、模组等或其组合。

[0183] 术语「眼睛方盒」至少在一些实施例中指的是可观察到虚拟影像的空间体积，并且表示射出光瞳尺寸及眼睛出瞳距离的组合。

[0184] 术语「制造」至少在一些实施例中是指利用制造手段创建金属结构。本揭中所使用的术语「制造手段」是指在制造程序过程中所使用的任何适当工具或机器，并且可能牵涉到用于切割的工具或机器(例如，使用手动或电动锯子、剪刀、凿子、刳刨机、火炬，包含手持火炬，例如氧燃料火炬或等离子火炬，和/或电脑数控(CNC)切割机，包含雷射，铣刀、火炬、喷水器、刳刨机等)、弯曲(例如，手动、电动或数控锤、碟式煞车、折弯机、弯管机、卷弯机、专用机械压力机等)、组装(例如，透过焊接、焊焊、铜焊、压接、用粘合剂耦接、铆接、使用紧固件等)、模铸或铸造(例如压铸、离心铸造、注射成型、挤出成型、基体成型、三维(3D)列印)技术，包含熔融沈积建模、选择性雷射熔化、选择性雷射烧结、复合材料丝制造、熔融丝制造、立体光刻、定向能量沉积、电子束自由成形制造等)以及PCB和/或半导体制造技术(例如，丝网印刷、光刻、照相雕刻、PCB铣削、雷射抗蚀剂烧蚀、雷射蚀刻、电浆曝露、原子层沉积(ALD)、分子层沉积(MLD)、化学气相沉积(CVD)、快速热处理(RTP)以及/或是其他等等)。

[0185] 术语「视场」或「FoV」至少在一些实施例中是指在空间中的特定位置和指向处以及/或是在给定时刻之可观察或可观看区域或范围。另外或替代地，术语「视场」或「FoV」至少在一些实施例中是指视锥体(例如，视角)的角度大小。另外或替代地，术语「视场」或「FoV」至少在一些实施例中指的是可透过光学系统看到的视角。

[0186] 术语「焦距」至少在一些实施例中是指光学系统或光学装置敛聚或发散光线有多强烈的量度。另外或替代地，术语「焦距」至少在一些实施例中是指光学系统的光倍率的倒数。

[0187] 术语「焦平面」至少在一些实施例中指的是穿过焦点的平面。

[0188] 术语「焦点」至少在一些实施例中指的是平行输入光线被光学系统或光学元件敛聚到的点处。

[0189] 术语「焦点」至少在一些实施例中指的是源自于物体上的点之光线敛聚的点处。在一些实施例中，术语「焦点」可以称为「主焦点」、「焦点」或「影像点」。

[0190] 术语「自由形状光学元件」和/或「FOE」至少在一些实施例中是指具有至少一个自由形状表面的光学元件。另外或替代地，术语「自由形状光学元件」和/或「FOE」至少在一些实施例中是指绕于垂直于平均平面的轴不具有平移或旋转对称性的光学元件。另外或替代地，术语「自由形状光学元件」和/或「FOE」至少在一些实施例中是指具有以预定方式折射入射光束之特殊造形表面的光学元件。相对于衍射光学元件(DOE)，FOE表面结构光滑，没有突然的高度跳跃或高频调变。类似于经典透镜，FOE藉由其弯曲表面结构处的折射来影响光束。FOE折射行为是由几何光学(例如光线追踪)决定，与波动光学模型所描述的DOE不同。Rolland等人的「Freeform optics for imaging」，Optica，vol.8，第161‑176页(2021)，兹将其整体依参考方式并入本案。

[0191] 术语「自由形状表面」至少在一些实施例中是指不具有刚性径向尺寸的几何元件。另外或替代地，术语「自由形状表面」至少在一些实施例中是指不具有旋转不变性轴的表面。另外或替代地，术语「自由形状表面」至少在一些实施例中是指其不对称性超出双轴对称、球形、旋转对称非球形、离轴圆锥形、环形和双圆锥形的非对称表面。另外或替代地，术语「自由形状表面」至少在一些实施例中指的是可以藉由正交多项式金字塔(或其等同物)的彗形形状分量或高阶旋转变项来识别的自由形状表面。另外或替代地，术语「自由形状表面」至少在一些实施例中指的是以预定方式折射入射光束的特殊形状的表面。与旋转对称表面相较，自由形状表面具有更多的自由度。

[0192] 术语「前焦点」至少在一些实施例中指的是穿过光学元件或光学系统并且从与光轴平行之光学元件/系统射出的任何光线。

[0193] 术语「全像光学元件」或「HOE」至少在一些实施例中是指利用全像成像程序(例如，映镜、透镜、滤镜、分束器、定向漫射器、衍射光栅等)或是原理，例如绕射原理，来产生全像影像的光学元件。HOE的形状和结构是根据所需的硬体而定，耦接波理论是用于计算衍射效率或光栅体积的常用工具，有助于HOE的设计。

[0194] 术语「雷射」至少在一些实施例中是指藉由辐射的受激发射所进行的光放大。另外或替代地，术语「雷射」至少在一些实施例中指的是藉由基于电磁辐射之受激发射的光学放大程序来发射光的装置。如本揭所使用的术语「雷射」可以指发射雷射的装置、由这类装置所产生的光、或是两者。

[0195] 术语「横向」至少在一些实施例中是指从一侧延伸到另一侧的位置或方向的几何术语。另外或替代地，术语「横向」至少在一些实施例中指的是相对于物体跨越物体主体的宽度、与物体的侧面相关，以及/或是相对于物体沿侧向方向移动的方向或位置。

[0196] 术语「透镜」至少在一些实施例中指的是透明物质或材料(通常是玻璃)，其用于透过聚焦来自物体的光线以形成物体的影像。透镜通常呈圆形，具有两个抛光表面，其中一个或两个表面为弯曲，并且可以是凸面(凸出)或凹面(凹陷)。曲线几乎总是球形的；即曲率半径为恒定。

[0197] 术语「线性」至少在一些实施例中指的是相对于物体沿着相对于物体的给定路径行进的方向或位置，其中路径的形状是直的或非直的(例如，弯曲等等)。

[0198] 术语「线性」至少在一些实施例中指的是相对于物体遵循相对于物体之直线的方向或位置，以及/或是指沿直线而不是沿曲线发生的运动或力度。

[0199] 术语「纵向」至少在一些实施例中指的是延伸主体长度之位置或方向的几何术语。另外或替代地，术语「纵向」至少在一些实施例中是指相对于物体跨越物体主体之长度的方向或位置；与物体的顶部或底部相关，以及/或是相对于物体沿着向上和/或向下的方向移动。

[0200] 术语「边际光线」至少在一些实施例中指的是穿过靠近孔径边缘的光学系统的光线。另外或替代地，术语「边缘光线」至少在一些实施例中指的是光学系统中的从物体与光轴交叉的点开始，并且接触到光学系统的孔径光阑之边缘的光线。术语「边际射线」也可称为「边际轴向射线」或简称「射线」。

[0201] 术语「子午光线」至少在一些实施例中指的是被限制在包含光学系统的光轴和该光线所源自的物体点之平面内的光线。术语「子午光线」也可称为「切向光线」。

[0202] 术语「映镜」至少在一些实施例中是指根据反射定律使光线转向的材料或物质的表面。

[0203] 术语「单调」或「单向」至少在一些实施例中是指增加或减少和/或不具有拐点的变数。另外或替代地，术语「单调」或「单向」至少在一些实施例中是指第一变数分别随着第二变数增加或减少而增加或减少(该关系不一定是线性的，但是方向不会改变)。另外或替代地，术语「单调地增加」指的是持续增加的变数，以及/或是随着第二变数增加而持续增加的变数。

[0204] 术语「自然透视」至少在一些实施例中指的是按照人类视觉系统出现的方式描绘物体的方式。另外或替代地，术语「自然透视」至少在一些实施例中是指一种现象，其中一系列相同尺寸的物体中愈远的物体与一系列物体中愈近的物体相比看起来愈小，并且相反地，愈近的物体看起来愈大，同时外观尺寸将与距离成比例地减小。

[0205] 术语「法线」至少在一些实施例中指的是垂直于给定物体的线、射线或向量。术语「法线」是指在给定点处垂直于光学媒体和/或光学元件表面的向外指向的光线。

[0206] 术语「离轴光学系统」至少在一些实施例中指的是其中孔径的光轴与孔径的机械中心不重合的光学系统。

[0207] 术语「获得」至少在一些实施例中是指在原始的封包串流上或者在封包串流的拷贝(例如，新的实例)上拦截、移动、复制、撷取或获取(例如，从记忆体、介面或缓冲器)的(部分的或全部的)动作、任务、操作等等。获得或接收的其他特点可以牵涉到实例化、启用或控制取得或接收封包串流(或以下参数以及范本或范本值)的能力。

[0208] 在光学领域的情境中，术语「物体」至少在一些实施例中指的是透过光学系统观察或成像的图形或元件，以及/或是可以将其视为点的汇集。为本揭示之目的，在光学领域的情境中，术语「物体」至少在一些实施例中可以是由另一个光学系统所形成之物体的真实或虚拟影像。

[0209] 在光学领域的情境中，术语「物镜」至少在一些实施例中指的是接收来自物体的光线的光学部件和/或光学元件。

[0210] 术语「光学像差」和/或「像差」至少在一些实施例中指的是光学系统和/或光学元件的性质，其导致光在空间的某些区域上展开而不是聚焦到一点处。像差可以定义为光学系统的效能与预测效能等级(或近轴光学元件的预测)的偏差。

[0211] 术语「光轴」至少在一些实施例中指的是光学系统中沿着其存在有某种程度的旋转对称性的线。另外或替代地，术语「光轴」至少在一些实施例中指的是穿过光学元件之几何中心的直线。沿着光轴的光线路径垂直于光学元件的表面。术语「光轴」也可以称为「主轴」。穿过光学元件及其光学中心(光学元件的几何中心)的所有其他光线路径可以称为「次轴」。透镜的光轴是穿过透镜的几何中心并且连接其表面的两个曲率中心的直线。曲面映镜的光轴穿过映镜的几何中心及其曲率中心。

[0212] 术语「光学元件」至少在一些实施例中指的是用于，或另与光的发生及传播相关，光经历和产生的变化，以及/或是与驾御运用光和/或光本身的本质和特性之各式装置的影像形成性质之原理相关的其他现象，的任何组件、物体、物质和/或材料。为本揭示之目的，术语「光学元件」至少在一些实施例中指的是由一或多种光学材料所建构或形成之光学系统的一部分。

[0213] 术语「光倍率」至少在一些实施例中是指光学元件或光学系统敛聚或发散光的程度。光学元件的光倍率等于装置之焦距的倒数。高光倍率对应于短焦距。光倍率的SI单位是米的倒数(m‑1)，通常称为屈光度(或「屈光率」)。术语「光倍率」有时被称为屈光力、折光力、聚焦力或是敛聚力。

[0214] 术语「光学路径」至少在一些实施例中指的是光线在其传播穿过光学媒体时所遵循的轨迹。

[0215] 术语「光路长度」至少在一些实施例中指的是光所遵循之光学路径的几何长度以及光线传播穿过之媒体的折射指数。术语「光学路径长度」也可以称为「光学距离」。

[0216] 术语「光学表面」(或简称为「表面」)至少在一些实施例中是指光学系统中感兴趣的位置、范围或区域，并且在空间中具有特定的形状(曲率)和扩展(孔径)。另外或替代地，术语「光学表面」至少在一些实施例中指的是非常接近所欲几何表面的反射或折射表面。

[0217] 术语「棱镜」至少在一些实施例中指的是具有可折射光线之平坦、抛光表面的透明光学元件。另外或替代地，术语「棱镜」至少在一些实施例中指的是多面体，其包含n边多边形基底、作为第一基底之平移复制(刚性移动而不旋转)的第二基底、以及连接两个基底之相对应侧边的其他面。

[0218] 术语「后焦点」或「背焦点」至少在一些实施例中指的是平行于光轴进入光学元件或光学系统并且被聚焦以使得它们穿过后焦点的任何光线。

[0219] 术语「旋转对称」和「径向对称」是指形状或表面在部分旋转后看起来相同的性质。物体的旋转对称度是指每次旋转时物体看起来完全相同的不同方向的数量。

[0220] 术语「矢状面」或「矢垂度」至少在一些实施例中是指从弦(亦即，连接曲线上之两点的线段)测量的曲线的高度。另外或替代地，术语「矢状面」或「下垂度」至少在一些实施例中是指一光学表面，例如像是凸透镜或凹透镜的光学表面，的高度或深度。另外或替代地，术语「矢状面」或「矢垂度」至少在一些实施例中是指从光学表面之曲线的顶点到穿过光学表面之曲线的平面的垂直距离(或位移)。

[0221] 术语「立体」或「立体视觉」至少在一些实施例中指的是由于眼睛的间隔而产生的三维视觉，让眼睛能够从略微不同的视点看到物体。

[0222] 术语「立体景深」、「立体DoF」或「SDoF」至少在一些实施例中是指虚拟影像在视场内的不同距离处所显示的性质或能力。

[0223] 术语「立体阈值」或「立体门槛值」至少在一些实施例中指的是产生深度感知的最小相对双眼视差。

[0224] 术语「坡度」至少在一些实施例中是指表面的陡度或是倾斜程度。

[0225] 术语「讯号」至少在一些实施例中指的是在品质和/或数量上的可观察变化。另外或替代地，术语「讯号」至少在一些实施例中指的是载送关于物体、事件或现象之讯息的功能。另外或替代地，术语「讯号」至少在一些实施例中指的是可以携带或不携带资讯的任何时变电压、电流或电磁波。术语「数位讯号」至少在一些实施例中指的是由物理量的离散波形集合所建构以表示离散值序列的讯号。

[0226] 术语「球形」至少在一些实施例中是指具有与球体或大致上类似于球体之形状的物体。「球体」是三维空间中距给定点(中心)相同距离(半径)的所有点的集合，或是绕其直径之一旋转圆的结果。

[0227] 术语「基板」至少在一些实施例中指的是支撑材料，并在其上或在其内制造或附接半导体装置的元件。另外或替代地，术语「薄膜积体电路的基板」至少在一些实施例中指的是一件形成用于薄膜电路元件和可能的附加部件之支撑基底的材料。另外或替代地，术语「覆晶晶粒的基板」至少在一些实施例中，指的是其上附接一个或多个半导体覆晶晶粒的支撑材料。另外或替代地，术语「原始基板」至少在一些实施例中指的是正在处理的原始半导体材料。原始材料可以是从单晶切割的半导体材料层、沉积在支撑基底上的半导体材料层、或是支撑基底本身。另外或替代地，术语「剩余基板」至少在一些实施例中指的是当装置元件形成在原始材料上或原始材料内时基本上保持不变的原始材料的部分。

[0228] 术语「表面」至少在一些实施例中指的是实体物体或空间的最外层或最上层。

[0229] 术语「环形」至少在一些实施例中是指具有与环面或基本上类似形状的物体。「环面」是透过在三维空间中绕于与圆共平面之轴旋转圆而产生的旋转表面。

[0230] 术语「聚散度」至少在一些实施例中是指由彼此不完全平行的光线形成的角度。另外或替代地，术语「聚散度」至少在一些实施例中是指光学波前的曲率。术语「敛聚」、「敛聚性」和「敛聚的」是指光线在传播时靠近光轴。另外或替代地，术语「敛聚」、「敛聚性」和「敛聚的」是指朝单点传播的波前和/或产生正敛聚的波前。术语「发散」、「发散性」和「发散的」是指光线在传播时远离光轴。另外或替代地，术语「发散」、「发散性」和「发散的」是指远离单一源点传播的波前和/或产生负敛聚的波前。通常，凸透镜和凹面镜使平行光线敛聚，而凹透镜和凸面镜使平行光线发散。

[0231] 术语「视觉人体工学」至少在一些实施例中是指涉及人类视觉程序以及/或是人类视觉过程与系统的其他元件间之交互作用的系统的理论、知识、设计、工程和/或评估。视觉人体工学通常牵涉到藉由优化人类福祉和整体系统性能来设计、制作和/或评估系统，并且可包含像是视觉环境(例如，照明等)、视觉要求高的工作、视觉功能及效能、视觉舒适度与安全性、光学矫正及其他任务以及/或是辅助工具等等方面。

[0232] 前述详细说明参照随附图式，其以范例方式显示出可予实作的实施例。在不同的附图中可使用相同的参考标号来标注相同或相似的元件。可将各种操作依序描述为多个离散操作以有助于了解实施例；然而，描述的顺序不应被解释为暗示这些操作具有顺序相关性。本揭示可以使用基于透视的描述，例如上/下、后/前、顶部/底部等等。这些描述仅用以便于了解，而且目的并非将本申请案局限于所揭露的实施例。

[0233] 一或多个实作的前述描述提供各种范例实施例的说明及描述，然并非意图穷举或将实施例的范畴局限于所揭露的精确形式。可根据前文教示进行修改及变更，或者可自各式实施例的实作中获致。在为描述本揭露特点而阐述具体细节的情况下，对于熟谙本领域之技术人员而言应可显知能够在没有这些具体细节，或是在有这些具体细节之变更，的情况下实作本揭示。因此，本揭叙述应被视为具有说明性而非限制性。

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