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CN116088175A - 显示系统及其车用抬头显示系统 - Google Patents

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CN116088175A
CN116088175A CN202211517944.7A CN202211517944A CN116088175A CN 116088175 A CN116088175 A CN 116088175A CN 202211517944 A CN202211517944 A CN 202211517944A CN 116088175 A CN116088175 A CN 116088175A
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CN
China
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curved surface
display system
polarized
polarized light
wave plate
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Application number
CN202211517944.7A
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English (en)
Inventor
蔡威弘
吕坤达
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Interface Optoelectronics Shenzhen Co Ltd
Interface Technology Chengdu Co Ltd
General Interface Solution Ltd
Original Assignee
Interface Optoelectronics Shenzhen Co Ltd
Interface Technology Chengdu Co Ltd
Yecheng Optoelectronics Wuxi Co Ltd
General Interface Solution Ltd
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Publication date
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Priority to TW111146340A priority patent/TWI834409B/zh
Priority to US18/166,584 priority patent/US11872887B1/en
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Abstract

本发明公开一种显示系统及其车用抬头显示系统，显示系统包括至少一个影像产生装置、一偏振反射膜、一透光基板、一曲面波片、一曲面反射镜与一透明基板。影像产生装置发射偏振光。曲面波片通过光学胶贴合于曲面反射镜的反射曲面上，曲面波片与反射曲面的曲度完全相同，反射曲面朝向偏振反射膜。在曲面反射镜经过曲面波片反射依序经过偏振反射膜与曲面波片的偏振光至偏振反射膜时，曲面波片转换偏振光的极化方向。最后，偏振反射膜反射偏振光至透明基板，以产生一虚像。显示系统根据偏振光的偏振特性折叠偏振光，以缩小体积，并维持大视野。

Description

显示系统及其车用抬头显示系统
技术领域
本发明涉及一种显示技术，且特别涉及一种显示系统及其车用抬头显示系统。
背景技术
已经研究和开发了一种能够有效地向车辆中的驾驶员提供信息的抬头显示系统。抬头显示系统可以显示和提供车辆的行驶速度、燃料效率和发引擎状态，并且还可以提供导航信息，以引导驾驶人沿着道路行驶。抬头显示器是通过挡风玻璃或组合器将驾驶信息重叠在前视图上，并向驾驶员显示驾驶信息的显示设备。
表示抬头显示器的性能的典型光学参数包括视角和虚像距离(VID)。一般抬头显示器的视角为5度到6度左右，VID为2公尺到3公尺左右。为了向驾驶员提供更宽视野的驾驶信息和与真实焦点位置匹配的虚拟图像，可能需要视角为10度或更大，VID为7公尺或更长。
组合式抬头显示器通过设置在低于驾驶员视线的位置处的组合器，向驾驶员提供虚拟图像。因此，组合式抬头显示器可能无法在不干扰驾驶员视线的情况下提供虚拟图像。
挡风玻璃抬头显示器可以在最小化驾驶员注视移动的位置提供虚拟图像。但是，设置了虚像的车辆的挡风玻璃的形状会产生像散、畸变等各种像差，通过光学设计来校正这些像差并不容易。习知光学架构需要使用一片平面反射镜与二片自由曲面反射镜，其中自由曲面反射镜用以补偿像差。因为反射镜在空间上无法重叠，致使光学架构的体积难以缩小的缺点。
因此，本发明系在针对上述的困扰，提出一种显示系统及其车用抬头显示系统，以解决习知所产生的问题。
发明内容
本发明提供一种显示系统及其车用抬头显示系统，其减少元件以缩小体积，并维持大视野。
在本发明的一实施例中，一种显示系统包括至少一个影像产生装置、一偏振反射膜、一透光基板、一曲面波片、一曲面反射镜与一透明基板。影像产生装置用以发射偏振光，其中偏振光具有第一极化方向，并包括影像信息。偏振反射膜通过光学胶设于透光基板的表面上，偏振反射膜与透光基板位于偏振光的光学路径上，其中偏振反射膜用以传递偏振光。曲面波片通过光学胶贴合于曲面反射镜的反射曲面上，曲面波片的曲度与反射曲面的曲度完全相同，反射曲面朝向偏振反射膜，曲面波片与曲面反射镜位于偏振光的光学路径上。在曲面波片传递偏振光时，转换偏振光的相位。在曲面反射镜经过曲面波片反射依序经过偏振反射膜与曲面波片的偏振光至偏振反射膜时，曲面波片转换偏振光的第一极化方向转换为不同第一极化方向的第二极化方向。透明基板位于具有第二极化方向的偏振光的光学路径上，其中偏振反射膜用以反射具有第二极化方向的偏振光至透明基板，以产生一虚像。
在本发明的一实施例中，偏振反射膜为偏振分光膜。
在本发明的一实施例中，反射曲面为凹曲面。
在本发明的一实施例中，反射曲面为球面。
在本发明的一实施例中，反射曲面为非球面或自由曲面。
在本发明的一实施例中，曲面波片为四分之一波片。
在本发明的一实施例中，第一极化方向与第二极化方向互相垂直。
在本发明的一实施例中，偏振反射膜与透光基板是可旋转的。
在本发明的一实施例中，影像信息包括一左眼影像与一右眼影像，至少一个影像产生装置包括一第一影像产生装置与一第二影像产生装置。第一影像产生装置用以产生左眼影像，第二影像产生装置用以产生右眼影像。
在本发明的一实施例中，显示系统还包括一感测器，其用以追踪一使用者的眼睛的位置。
在本发明的一实施例中，显示系统还包括一处理器，其耦接影像产生装置与感测器。处理器用以根据感测器所取得的眼睛的位置控制影像产生装置的移动。
在本发明的一实施例中，一种车用抬头显示系统设于一车辆中，车用抬头显示系统包括至少一个影像产生装置、一偏振反射膜、一透光基板、一曲面波片与一曲面反射镜。影像产生装置用以发射偏振光，其中偏振光具有第一极化方向，并包括影像信息。偏振反射膜通过光学胶设于透光基板的表面上，偏振反射膜与透光基板位于偏振光的光学路径上，其中偏振反射膜用以传递偏振光。曲面波片通过光学胶贴合于曲面反射镜的反射曲面上，曲面波片的曲度与反射曲面的曲度完全相同，反射曲面朝向偏振反射膜，曲面波片与曲面反射镜位于偏振光的光学路径上。在曲面波片传递偏振光时，转换偏振光的相位。在曲面反射镜经过曲面波片反射依序经过偏振反射膜与曲面波片的偏振光至偏振反射膜时，曲面波片转换偏振光的第一极化方向转换为不同第一极化方向的第二极化方向。车辆的风挡位于具有第二极化方向的偏振光的光学路径上，偏振反射膜用以反射具有第二极化方向的偏振光至风挡，以产生一虚像。
在本发明的一实施例中，抬头显示系统还包括一感测器，其用以追踪一使用者的眼睛的位置。
在本发明的一实施例中，抬头显示系统还包括一处理器，其耦接影像产生装置与感测器。处理器用以根据感测器所取得的眼睛的位置控制影像产生装置的移动。
基于上述，显示系统及其车用抬头显示系统根据偏振光的偏振特性折叠光路，以减少元件与缩小体积，并维持大视野。
兹为使贵审查委员对本发明的结构特征及所达成的功效还有进一步的了解与认识，谨佐以较佳的实施例图及配合详细的说明，说明如后：
附图说明
图1为施密特-卡赛格林(Schmidt-Cassegrain)望远镜的示意图。
图2为薄饼(Pancake)透镜组的示意图。
图3为本发明的一实施例的显示系统的示意图。
图4为本发明的一实施例的车用抬头显示系统的示意图。
图5(a)至图5(d)为本发明的一实施例的将曲面波片通过光学胶贴合于曲面反射镜的反射曲面上的各步骤结构示意图。
附图标记为：
1…施密特-卡赛格林(Schmidt-Cassegrain)望远镜
10…小反射镜
11…大反射镜
2…薄饼(Pancake)透镜组
20…圆偏振片
21…偏振分光片
22…透镜
23…四分之一波片
24…反射偏振片
25…透镜
3…显示器
4…显示系统
40…影像产生装置
41…偏振反射膜
42…透光基板
43…曲面波片
44…曲面反射镜
45…透明基板
46、47…光学胶
48…感测器
49…处理器
5…车辆
50…风挡
具体实施方式
本发明的实施例将藉由下文配合相关附图进一步加以解说。尽可能的，于附图与说明书中，相同标号系代表相同或相似构件。于附图中，基于简化与方便标示，形状与厚度可能经过夸大表示。可以理解的是，未特别显示于附图中或描述于说明书中的元件，为所属技术领域中具有通常技术者所知的形态。本领域的通常技术者可依据本发明的内容而进行多种的改变与修改。
当一个元件被称为『在…上』时，它可泛指该元件直接在其他元件上，也可以是有其他元件存在于两者之中。相反地，当一个元件被称为『直接在』另一元件，它是不能有其他元件存在于两者的中间。如本文所用，词汇『及/或』包括了列出的关联项目中的一个或多个的任何组合。
于下文中关于“一个实施例”或“一实施例”的描述系指关于至少一实施例内所相关连的一特定元件、结构或特征。因此，于下文中多处所出现的“一个实施例”或“一实施例”的多个描述并非针对同一实施例。再者，于一或多个实施例中的特定构件、结构与特征可依照一适当方式而结合。
揭露特别以下述例子加以描述，这些例子仅系用以举例说明而已，因为对于熟习此技艺者而言，在不脱离本揭示内容的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本揭示内容的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。在通篇说明书与申请专利范围中，除非内容清楚指定，否则「一」以及「该」的意义包括这一类叙述包括「一或至少一」该元件或成分。此外，如本揭露所用，除非从特定上下文明显可见将复数个排除在外，否则单数冠词亦包括复数个元件或成分的叙述。而且，应用在此描述中与下述的全部申请专利范围中时，除非内容清楚指定，否则「在其中」的意思可包括「在其中」与「在其上」。在通篇说明书与申请专利范围所使用的用词(terms)，除有特别注明，通常具有每个用词使用在此领域中、在此揭露的内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本揭露的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供从业人员(practitioner)在有关本揭露的描述上额外的引导。在通篇说明书的任何地方的例子，包括在此所讨论的任何用词的例子的使用，仅系用以举例说明，当然不限制本揭露或任何例示用词的范围与意义。同样地，本揭露并不限于此说明书中所提出的各种实施例。
此外，若使用「电(性)耦接」或「电(性)连接」一词在此系包括任何直接及间接的电气连接手段。举例而言，若文中描述一第一装置电性耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地连接至该第二装置。另外，若描述关于电讯号的传输、提供，熟习此技艺者应该可了解电讯号的传递过程中可能伴随衰减或其他非理想性的变化，但电讯号传输或提供的来源与接收端若无特别叙明，实质上应视为同一讯号。举例而言，若由电子电路的端点A传输(或提供)电讯号S给电子电路的端点B，其中可能经过一晶体管开关的源极两端及/或可能的杂散电容而产生电压降，但此设计的目的若非刻意使用传输(或提供)时产生的衰减或其他非理想性的变化而达到某些特定的技术效果，电讯号S在电子电路的端点A与端点B应可视为实质上为同一讯号。
可了解如在此所使用的用词「包括(comprising)」、「包括(including)」、「具有(having)」、「含有(containing)」、「包括(involving)」等等，为开放性的(open-ended)，即意指包括但不限于。另外，本发明的任一实施例或申请专利范围不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制发明作的权利要求范围。
以下将介绍一种显示系统及其车用抬头显示系统，其根据偏振光的偏振特性折叠光路，以减少元件与缩小体积，并维持大视野。
首先介绍两种折叠光路的应用。图1为施密特-卡赛格林(Schmidt-Cassegrain)望远镜的示意图。施密特-卡赛格林望远镜1采用小反射镜10与大反射镜11以小角度反射入射光线，从而折叠光路。大反射镜11具有一个小视窗，以聚焦光线至观察者。图2为薄饼(Pancake)透镜组的示意图。Pancake透镜组2包括圆偏振片20、偏振分光片21、透镜22、四分之一波片23、反射偏振片24与透镜25。圆偏振片20设于显示器3上。显示器3通过圆偏振片20发射右旋偏振光，右旋偏振光通过偏振分光片21与透镜22后，由四分之一波片23转换成垂直偏振光。反射偏振片24反射垂直偏振光。垂直偏振光由四分之一波片23转换成右旋偏振光。右旋偏振光穿透透镜22后，由偏振分光片21反射并转换为左旋偏振光。左旋偏振光通过透镜22后，由四分之一波片23转换为水平偏振光。水平偏振光通过反射偏振片24与透镜25射入人眼。
图3为本发明的一实施例的显示系统的示意图。请参阅图3，显示系统4包括至少一个影像产生装置40、一偏振反射膜41、一透光基板42、一曲面波片43、一曲面反射镜44、一透明基板45与光学胶46、47。举例来说，偏振反射膜41可为，但不限于偏振分光膜。曲面波片43可为四分之一波片或适合的波片。为了方便与清晰，影像产生装置40的数量以一为例。
影像产生装置40发射偏振光，其中偏振光具有第一极化方向，并包括影像信息。偏振反射膜41通过光学胶46设于透光基板42的表面上，偏振反射膜41与透光基板42位于偏振光的光学路径上。偏振反射膜41传递偏振光。曲面波片43通过光学胶47贴合于曲面反射镜44的反射曲面上。反射曲面可为，但不限于凹曲面、球面、非球面或自由曲面。在此实施例中，反射曲面以凹曲面为例。曲面波片43的曲度与反射曲面的曲度完全相同，反射曲面朝向偏振反射膜41，曲面波片43与曲面反射镜44位于偏振光的光学路径上。在曲面波片43传递偏振光时，转换偏振光的相位。在曲面反射镜44经过曲面波片43反射依序经过偏振反射膜41与曲面波片43的偏振光至偏振反射膜41时，曲面波片43转换偏振光的第一极化方向转换为不同第一极化方向的第二极化方向。举例来说，第一极化方向与第二极化方向互相垂直。透明基板45位于具有第二极化方向的偏振光的光学路径上。偏振反射膜41反射具有第二极化方向的偏振光至透明基板45，以产生一虚像。因为显示系统4需要大视野，所以不能在曲面反射镜44开孔。相较一般抬头显示器，显示系统4在缺少一反射镜的前提下，折叠光路以减少体积与成本，同时维持大视野。在相同的视野下，显示系统4的体积较一般抬头显示器的体积可减少30％。
偏振光的影像信息可包括一左眼影像与一右眼影像。显示系统亦可使用两个影像产生装置40，即一第一影像产生装置与一第二影像产生装置。第一影像产生装置与第二影像产生装置分别产生左眼影像与右眼影像。此外，显示系统4还可包括一感测器48与一处理器49。感测器48追踪一使用者的眼睛的位置。处理器49耦接所有影像产生装置与感测器48。处理器49根据感测器48所取得的眼睛的位置控制所有影像产生装置40的移动。在本发明的某些实施例中，偏振反射膜41与透光基板42是可旋转的，使影像产生装置40以不同角度发射偏振光。
图4为本发明的一实施例的车用抬头显示系统的示意图。请参阅图4，抬头显示系统设于一车辆5中，抬头显示系统包括至少一个影像产生装置40、一偏振反射膜41、一透光基板42、一曲面波片43、一曲面反射镜44与光学胶46、47。举例来说，偏振反射膜41可为，但不限于偏振分光膜。曲面波片43可为四分之一波片或适合的波片。为了方便与清晰，影像产生装置40的数量以一为例。
影像产生装置40发射偏振光，其中偏振光具有第一极化方向，并包括影像信息。偏振反射膜41通过光学胶46设于透光基板42的表面上，偏振反射膜41与透光基板42位于偏振光的光学路径上。偏振反射膜41传递偏振光。曲面波片43通过光学胶47贴合于曲面反射镜44的反射曲面上。反射曲面可为，但不限于凹曲面、球面、非球面或自由曲面。在此实施例中，反射曲面以凹曲面为例。曲面波片43的曲度与反射曲面的曲度完全相同，反射曲面朝向偏振反射膜41，曲面波片43与曲面反射镜44位于偏振光的光学路径上。在曲面波片43传递偏振光时，转换偏振光的相位。在曲面反射镜44经过曲面波片43反射依序经过偏振反射膜41与曲面波片43的偏振光至偏振反射膜41时，曲面波片43转换偏振光的第一极化方向转换为不同第一极化方向的第二极化方向。举例来说，第一极化方向与第二极化方向互相垂直。车辆5的风挡50位于具有第二极化方向的偏振光的光学路径上。偏振反射膜41反射具有第二极化方向的偏振光至风挡50，以产生一虚像。因为抬头显示系统需要大视野，所以不能在曲面反射镜44开孔。相较一般抬头显示器，抬头显示系统在缺少一反射镜的前提下，折叠光路以减少体积与成本，同时维持大视野。在相同的视野下，抬头显示系统的体积较一般抬头显示器的体积可减少30％。
偏振光的影像信息可包括一左眼影像与一右眼影像。抬头显示系统亦可使用两个影像产生装置40，即一第一影像产生装置与一第二影像产生装置。第一影像产生装置与第二影像产生装置分别产生左眼影像与右眼影像。此外，抬头显示系统4还可包括一感测器48与一处理器49。感测器48追踪一使用者的眼睛的位置。处理器49耦接所有影像产生装置与感测器48。处理器49根据感测器48所取得的眼睛的位置控制所有影像产生装置40的移动。在本发明的某些实施例中，偏振反射膜41与透光基板42是可旋转的，使影像产生装置40以不同角度发射偏振光。
图5(a)至图5(d)为本发明的一实施例的将曲面波片通过光学胶贴合于曲面反射镜的反射曲面上的各步骤结构示意图。请参阅图5(a)至图5(d)，首先用电浆清洗曲面波片43与曲面反射镜44。如第5(a)图所示，以热塑成型机台将曲面波片43通过光学胶47贴合于曲面反射镜44的反射曲面上。如图5(b)所示，以雷射切割曲面波片43。如图5(c)所示，以加压脱泡(autoclave)机对曲面波片43与曲面反射镜44进行加压，以避免曲面波片43与曲面反射镜44之间出现气泡。如图5(d)所示，使用紫外线固化光学胶47。
根据上述实施例，显示系统及其车用抬头显示系统根据偏振光的偏振特性折叠光路，以减少元件与缩小体积，并维持大视野。
以上所述，仅为本发明一优选实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，故举凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (22)

1.一种显示系统，其特征在于，包括：
至少一个影像产生装置，用以发射偏振光，其中所述偏振光具有第一极化方向，并包括影像信息；
偏振反射膜与透光基板，所述偏振反射膜通过光学胶设于所述透光基板的表面上，所述偏振反射膜与所述透光基板位于所述偏振光的光学路径上，其中所述偏振反射膜用以传递所述偏振光；
曲面波片与曲面反射镜，所述曲面波片通过光学胶贴合于所述曲面反射镜的反射曲面上，所述曲面波片的曲度与所述反射曲面的曲度完全相同，所述反射曲面朝向所述偏振反射膜，所述曲面波片与所述曲面反射镜位于所述偏振光的光学路径上，其中在所述曲面波片传递所述偏振光时，转换所述偏振光的相位，在所述曲面反射镜经过所述曲面波片反射依序经过所述偏振反射膜与所述曲面波片的所述偏振光至所述偏振反射膜时，所述曲面波片转换所述偏振光的所述第一极化方向转换为不同所述第一极化方向的第二极化方向；以及
透明基板，位于具有所述第二极化方向的所述偏振光的光学路径上，其中所述偏振反射膜用以反射具有所述第二极化方向的所述偏振光至所述透明基板，以产生虚像。
2.如权利要求1所述的显示系统，其特征在于，其中所述偏振反射膜为偏振分光膜。
3.如权利要求1所述的显示系统，其特征在于，其中所述反射曲面为凹曲面。
4.如权利要求1所述的显示系统，其特征在于，其中所述反射曲面为球面。
5.如权利要求1所述的显示系统，其特征在于，其中所述反射曲面为非球面或自由曲面。
6.如权利要求1所述的显示系统，其特征在于，其中所述曲面波片为四分之一波片。
7.如权利要求1所述的显示系统，其特征在于，其中所述第一极化方向与所述第二极化方向互相垂直。
8.如权利要求1所述的显示系统，其特征在于，其中所述偏振反射膜与所述透光基板是可旋转的。
9.如权利要求1所述的显示系统，其特征在于，其中所述影像信息包括左眼影像与右眼影像，所述至少一个影像产生装置包括：
第一影像产生装置，用以产生所述左眼影像；以及
第二影像产生装置，用以产生所述右眼影像。
10.如权利要求1所述的显示系统，其特征在于，还包括感测器，其用以追踪使用者的眼睛的位置。
11.如权利要求10所述的显示系统，其特征在于，还包括处理器，其耦接所述至少一个影像产生装置与所述感测器，其中所述处理器用以根据所述感测器所取得的所述眼睛的所述位置控制所述至少一个影像产生装置的移动。
12.一种车用抬头显示系统，设于车辆中，其特征在于，所述车用抬头显示系统包括：
至少一个影像产生装置，用以发射偏振光，其中所述偏振光具有第一极化方向，并包括影像信息；
偏振反射膜与透光基板，所述偏振反射膜通过光学胶设于所述透光基板的表面上，所述偏振反射膜与所述透光基板位于所述偏振光的光学路径上，其中所述偏振反射膜用以传递所述偏振光；以及
曲面波片与曲面反射镜，所述曲面波片通过光学胶贴合于所述曲面反射镜的反射曲面上，所述曲面波片的曲度与所述反射曲面的曲度完全相同，所述反射曲面朝向所述偏振反射膜，所述曲面波片与所述曲面反射镜位于所述偏振光的光学路径上，其中在所述曲面波片传递所述偏振光时，转换所述偏振光的相位，在所述曲面反射镜经过所述曲面波片反射依序经过所述偏振反射膜与所述曲面波片的所述偏振光至所述偏振反射膜时，所述曲面波片转换所述偏振光的所述第一极化方向转换为不同所述第一极化方向的第二极化方向，所述车辆的风挡位于具有所述第二极化方向的所述偏振光的光学路径上，所述偏振反射膜用以反射具有所述第二极化方向的所述偏振光至所述风挡，以产生虚像。
13.如权利要求12所述的车用抬头显示系统，其特征在于，其中所述偏振反射膜为偏振分光膜。
14.如权利要求12所述的车用抬头显示系统，其特征在于，其中所述反射曲面为凹曲面。
15.如权利要求12所述的车用抬头显示系统，其特征在于，其中所述反射曲面为球面。
16.如权利要求12所述的车用抬头显示系统，其特征在于，其中所述反射曲面为非球面或自由曲面。
17.如权利要求12所述的车用抬头显示系统，其特征在于，其中所述曲面波片为四分之一波片。
18.如权利要求12所述的车用抬头显示系统，其特征在于，其中所述第一极化方向与所述第二极化方向互相垂直。
19.如权利要求12所述的车用抬头显示系统，其特征在于，其中所述偏振反射膜与所述透光基板是可旋转的。
20.如权利要求12所述的车用抬头显示系统，其特征在于，其中所述影像信息包括左眼影像与右眼影像，所述至少一个影像产生装置包括：
第一影像产生装置，用以产生所述左眼影像；以及
第二影像产生装置，用以产生所述右眼影像。
21.如权利要求12所述的车用抬头显示系统，其特征在于，还包括感测器，其用以追踪使用者的眼睛的位置。
22.如权利要求21所述的车用抬头显示系统，其特征在于，还包括处理器，其耦接所述至少一个影像产生装置与所述感测器，其中所述处理器用以根据所述感测器所取得的所述眼睛的所述位置控制所述至少一个影像产生装置的移动。
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