TWI449950B - Header display device - Google Patents

Description

抬頭顯示裝置

本發明係有關一種光學系統架構，特別是有關一種適用於移動式載具之抬頭顯示裝置。

眾所皆知過去的抬頭顯像裝置(Head Up Display，HUD)是使用在航空器上的飛行輔助儀器，可以讓駕駛人不需要低頭就能夠看到儀表上的資訊，以避免注意力中斷以及喪失對狀態意識(Situation Awareness)的掌握，因為使用抬頭顯像裝置極具便利性且能夠提高飛行安全，因此亦可使用在其他類型的移動式載具上，不單是民航機可以使用，甚至汽車及船舶也可使用。

在過去習知技藝中的抬頭顯示功能，都只是在駕駛人的視線範圍內提供一些極小的顯示範圍面積的簡單儀表數據資訊，以顯示任何有關移動式載具有關移動式載具所須之關鍵資訊，且在習知技藝之抬頭顯示器當中大多是以單一光路顯像裝置作為提供小顯示範圍面積，其作法是先將關鍵資訊投影至光機，顯示螢幕則是放置擋風玻璃內側面，並面對擋風玻璃，而關鍵資訊經由光機再傳送至顯示螢幕，進而由顯示螢幕所顯示之關鍵資訊透過擋風玻璃之反射直接顯示於擋風玻璃上，且其顯示之位置通常是直接落於駕駛者前方的視線內，讓駕駛者在駕駛中可直接視得車速或其他所欲得知之數值，而不必抬頭或低頭變換視線，然而這樣的單一光路顯像裝置依據光學成像原理可知，不論是使用任何透鏡或面鏡，輸入影像、成像面積都和透鏡、面鏡之光學元件尺寸大小是成正比關係，如此一來，抬頭顯像裝置需要極大的透鏡或面鏡方能將虛像投射出來，因此若是想要將這套單一光路顯像裝置與儀錶台做一裝置整合並不容易，因為抬頭顯像裝置之所需體積對原已裝滿電線與接頭的儀錶台來說已過大，更何況基於投影品質而論，抬頭顯像裝置的光學元件尺寸也不宜再縮小，因此在空間有限的駕駛艙裡想做到大顯像面積可以說是非常難以實施，況且顯示面積範圍過小的顯像資訊也僅能讓駕駛人使用餘光短暫地一瞥儀錶控台，因此駕駛人還是無法立即可以過濾出重要的關鍵資訊，若是駕駛人太過於仔細留意抬頭顯像裝置的關鍵資訊，反而容易分散注意力而讓駕駛人危機四伏。

有鑑於此，本發明係針對上述之問題，提出一種抬頭顯示裝置，可具有減少透鏡或面鏡之光學元件的尺寸，更具有大面積顯像範圍，係為一種可兼具安全與效率之多功能型的高階抬頭顯示裝置。

本發明之主要目的，係在提供一種抬頭顯示裝置，利用旋轉機構將影像訊號進行分部切割以個別投影，再輔以重新匯集顯像之技術手段，本發明可利用相同透鏡或面鏡之光學元件的尺寸來產生更大的顯像面積，或是可以縮小透鏡或面鏡之光學元件的尺寸，藉此降低抬頭顯示裝置體積，在有限車內安裝空間內，可達到大面積顯像效果，抬頭顯示裝置所提供之資訊畫面可與外界景象完全疊合或是使資訊畫面對應景像做搭配顯示，可以幫助駕駛人注意所需移動式載具之關鍵資訊，有效解決過去單一光路顯像裝置僅能以小面積範圍顯示的問題。

本發明之另一目的，係在提供一種抬頭顯示裝置，以旋轉機構分別投影並匯集顯像，並透過透視平面鏡的可調性可以隨著駕駛的身高與坐姿隨時進行調整適當的顯示角度，相較於過去所採用的單一光路顯像裝置，本發明更能提供駕駛人全神貫注於前方的道路狀況及駕駛上的舒適度。

為達上述之目的，本發明提供一種抬頭顯示裝置，至少包括：可產生一或多個輸入影像的顯像單元，至少一虛像產生元件以接收輸入影像並產生至少一虛像；一旋轉機構，可控制虛像產生元件之旋轉角度，使虛像產生元件改變虛像投影角度；以及複數透視平面鏡，以分別對應接收虛像並反射成一大面積虛像。

底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

本發明係在於提供一種抬頭顯示裝置，利用旋轉機構與虛像產生元件可將影像進行切割或是以多個顯像單元使影像呈現個別投影再輔以重新匯集顯像的方式，利用本發明之技術內容可直接減少透鏡或面鏡之光學元件尺寸大小，而具有大面積顯像範圍，本發明提供透視平面鏡的可調性，可依據駕駛的身高與坐姿進行來調整最適當的顯示角度。

本發明之實施方式，首先參閱第1圖，以說明本發明之裝置架構方塊圖，如圖所示，本發明之抬頭顯示裝置10可搭配至少一如電荷耦合元件或是互補式金屬-氧化-半導體元件之攝像單元12及搭配至少一如中央處理器、微處理器或單片微型電腦之處理單元14，並使用液晶顯示器或數位光處理投影器做為顯像單元16，當處理單元14電性連接攝像單元12及顯像單元16時，攝像單元12即可使用單一或多個以進行擷取前方景象如為車道線、水平線或障礙物輪廓或是可再使用單一或多個攝像單元12安置在載具周圍可擷取載具視野死角景象之外部訊號，處理單元14加以整合移動式載具所需的關鍵資訊，如接收攝像單元12之外部訊號，以及同時進行接收及處理如載具工作溫度、轉速、時速、導引資訊、胎壓、換擋提示、轉向、倒車提示、障礙物警示、飛行高度，飛行速度，航向，垂直速率變化，載具傾斜角度、風向資訊、載具行進或怠速之載具訊號，或是可再利用障礙物輪廓偵測作為障礙物距離警示訊號，處理單元14在彙整移動式載具所需的關鍵資訊之後，加以處理成一影像訊號，最後處理單元14傳送影像訊號至顯像單元16，再由顯像單元16產生至少一輸入影像投影至光學機構18。

接續，關於本發明之第一實施方式，可參閱第2圖、第3A圖及第3B圖，參閱同時輔以第1圖，以說明光學機構第一實施例示意圖、虛像產生元件結構圖及虛像產生元件與旋轉機構結構圖，本發明在此揭示一種利用數位微鏡元件上所具有的複數微鏡做為虛像產生元件之實施方式，如圖所示，本發明所揭示之抬頭顯示裝置10至少包括：可產生一或多個輸入影像之顯像單元16及可接收輸入影像並產生虛像之光學機構18；如第2圖、第3A圖及第3B圖所示，光學機構18，至少包括：虛像產生元件22可接收顯像單元16所產生之輸入影像並產生至少一虛像，複數透視平面鏡28以分別對應接收虛像並反射成一大面積虛像，其中在第一實施方式中的虛像產生元件22之細部實施態樣如第3A圖所示，複數個虛像產生元件22可排列成矩陣陣列以組成一數位微鏡元件24，虛像產生元件22可搭配旋轉機構26以控制虛像產生元件22之旋轉角度進而可改變虛像投影角度，由於每一輸入影像係皆是具有複數像素，每一虛像產生元件22則對應至少一像素，而在本發明所設計之技術手段係以透視平面鏡28與旋轉機構26之偏擺狀態數量相等，意即在第2圖當中本發明是以旋轉機構26以左右二段做為偏擺狀態作為舉例說明，因此使用二片透視平面鏡28作為對應之實施方式，當假設旋轉機構26以左中右三段做為偏擺狀態時，則使用三片透視平面鏡28作為對應之實施方式，因此同理當旋轉機構26設定成具有多種偏擺狀態，此時只需對應透視平面鏡28相等之數量即可，其實施原理相同而明確，故不再重複贅述，旋轉機構26之細部實施態樣則如第3B圖所示，其中旋轉機構26更包括可為致動機組30以及動力機組32，致動機組30可由齒輪34、齒條36或其組合所構成，而動力機組32則可使用微馬達，如此一來，動力機組32可產生動力以帶動致動機組30，致使致動機組30可控制虛像產生元件22，此時再讓旋轉機構26至少以週期=1/60的設定方式將虛像產生元件22快速偏擺，也就是說當虛像產生元件22以一秒高達60次或以上的偏擺次數之下，將虛像投影至前方的透視平面鏡28，在人眼視覺暫留原理下，透視平面鏡28所呈現的即是一虛像顯示屏幕。

接續，一同參閱第4圖、第5圖、第6圖及第7圖，參閱同時輔以第2圖，以說明本發明之虛像產生元件成像示意圖、大面積成像示意圖、凹面鏡光學特性示意圖及弧面鏡成像示意圖，如第4圖及第5圖所示，本發明之虛像產生元件22可為凹面鏡38或凸透鏡40，皆是利用正立放大虛像之光學原理，以產生虛像，並以大面積的方式成像至窗外，所產生之虛像至少可搭配實際車道線42並對應至虛像車道線44。

如第6圖所示，本發明之凹面鏡38其光學特性，當曲率半徑R為∞時，為凹面鏡38，焦距為∞；當曲率半徑R為100時，為具一弧度之凹面鏡38，其焦距為50。凹面鏡38均可產生虛像，其焦距如式(1)：

f=R/2　(1)

其凹面鏡38曲面也可設定為非球面，可避免光學像差產生，當輸入影像置於焦距內，凹面鏡38將呈現一放大之虛像，其放大率如式(2)及式(3)：

1/S+1/S'=1/f　(2)

m=S'/S　(3)

其中式(1)～式(3)R為曲率半徑、S為物距、S’為像距、f為焦距及m為放大率。

如第7圖所示，本發明所揭示之一種設有抬頭顯示裝置10，其技術內容若是應用在車輛，則所提供顯示畫面之面積可對應至虛像車道線44，其畫面可至少涵蓋寬4公尺，高1公尺，其中透視平面鏡28係為高反射率光學薄膜之平板片，其穿透率可為70%～75%之間，反射率可為30%～25%之間，並且擺放至擋風玻璃46之窗內，如此一來，駕駛人即可依序透過透視平面鏡28及擋風玻璃46注視著前方虛像，虛像將與前方景像相互重疊或是使虛樣對應景像做顯示，當透視平面鏡28與搭配之光路數量夠多時，則可使透視平面鏡28成為一弧面鏡48，以顯示一大畫面，此外，透視平面鏡28具有可調性，駕駛人可依據自己的身高與坐姿隨時進行調整適當的顯示角度。本發明之第5圖及第7圖是以車輛為載具做為實施方式作說明，故列舉虛像車道線44做為輔助說明，當然其他任何一種移動式載具上如航空器及船舶若欲對應水平線，其實施原理相同且明確，故不重複贅述。

一同參閱第8A圖、第8B圖及第8C圖，以說明上述關於本發明之可調性透視平面鏡結構圖、可調性透視平面鏡平視示意圖及可調性透視平面鏡俯視示意圖，本發明所採用之透視平面鏡28係具有可調性，駕駛人可依據自己的身高與坐姿隨時進行調整適當的顯示角度，如第8A圖所示，透視平面鏡28可固定在旋轉機構50上，旋轉機構50則設置在旋轉致動機構52上，旋轉機構50可供水平軸X順時針及逆時針翻轉，旋轉致動機構52則可供垂直軸Y順時針及逆時針翻轉，如此一來透視平面鏡28即具有可調性，可以隨著駕駛的身高與坐姿隨時進行調整適當的顯示角度，如第8B圖及第8C圖所示，旋轉機構50及旋轉致動機構52可依據人眼54位置的不同加以調整透視平面鏡28的最佳顯示角度。

參閱第9A圖第9B圖及第9C圖，以說明本發明之本發明之聚視範圍示意圖、左半部及右半部聚視影像示意圖及上半部及下半部聚視影像示意圖，本發明之抬頭顯示裝置10，其中具有一聚視範圍56，透視平面鏡28可將虛像反射至聚視範圍56內以呈現一大面積虛像，由於本發明之第一實施方式是以至少二輸入影像做為舉例說明，因此具有二光路以呈現左半部58、右半部60或是以上半部62、下半部64之虛像反射至聚視範圍56內，當各部虛像合併之後在聚視範圍56內可觀視的就是一個大面積虛像顯示，同理，當本發明若是改以三或是三以上的輸入影像做為實施態樣，則聚視範圍56之虛像則呈現三部份或是三以上部份，其實施原理相同且明確，故不再贅述。

接續，關於本發明之第二實施方式，可參閱第10圖並同時參考第4圖、第9A圖、第9B圖及第9C圖，以說明光學機構第二實施例示意圖，如圖所示，本發明之抬頭顯示裝置10，更包括光源產生元件65，光源產生元件65可產生一光源，光學機構18則利用數位微鏡元件(Digital Micromirror Device，DMD)做為顯像單元66之實施態樣，由於顯像單元66係由複數微鏡組成一矩陣陣列，而每一輸入影像皆具有複數像素，每一微鏡皆可分別對應每一像素，且顯像單元66上的微鏡係與像素之數量相等，當顯像單元66得到光源產生元件65之光源，顯像單元66即可產生一或多個輸入影像，顯像單元66可控制每一像素的亮暗狀態(如同數位開關0與1的狀態)，因此顯像單元66可決定哪一部份的像素將做投影，當顯像單元66上之微鏡將一部分像素投影至虛像產生元件68，虛像產生元件68再投影虛像至透視平面鏡28，將可同樣達到如第一實施方式分部虛像合併成一個大面積虛像顯示之目的及功效，如第4圖所示，虛像產生元件68可使用凹面鏡38或凸透鏡40，同樣是利用正立放大虛像之光學原理，以產生虛像，在第二實施方式當中，同樣係具有旋轉機構70來控制虛像產生元件68之旋轉角度，使虛像產生元件68得以改變虛像之投影角度將每一像素投影至透視平面鏡28以分別對應接收虛像並反射成一大面積虛像，其中旋轉機構70具有致動機組72及動力機組74，致動機組72可為齒輪76、齒條78或其組合，而動力機組74係為步進馬達，旋轉機構70同樣至少以週期=1/60的設定方式將虛像產生元件68快速偏擺，其人眼視覺暫留原理同於第一實施方式所述，故不再贅述。在本發明所揭示之第二實施方式裡，同樣是以至少二輸入影像做為舉例說明，因此同樣係以具有二光路以呈現左半部58、右半部60或是以上半部62、下半部64之虛像反射至聚視範圍56內，其實施原理同於第一實施方式且明確，亦不再贅述。

雖然，本發明前述之實施例揭露如上，然其並非用以限訂本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內所為之更動與潤飾，均屬於本發明專利範圍之主張。關於本發明所界定之專利範圍請參考所附之申請專利範圍。

10．．．抬頭顯示裝置

12．．．攝像單元

14．．．處理單元

16．．．顯像單元

18．．．光學機構

22．．．虛像產生元件

24．．．數位微鏡元件

26．．．旋轉機構

28．．．透視平面鏡

30．．．致動機組

32．．．動力機組

34．．．齒輪

36．．．齒條

38．．．凹面鏡

40．．．凸透鏡

42．．．實際車道線

44．．．虛像車道線

46．．．擋風玻璃

48．．．弧面鏡

50．．．旋轉機構

52．．．旋轉致動機構

54．．．人眼

56．．．聚視範圍

58．．．左半部

60．．．右半部

62．．．上半部

64．．．下半部

65‧‧‧光源產生元件

66‧‧‧數位微鏡元件

68‧‧‧虛像產生元件

70‧‧‧旋轉機構

72‧‧‧致動機組

74‧‧‧動力機組

72‧‧‧致動機組

76‧‧‧齒輪

78‧‧‧齒條

S‧‧‧物距

S’‧‧‧像距

f‧‧‧焦距

第1圖係為本發明之裝置架構方塊圖。

第2圖係為光學機構第一實施例示意圖。

第3A圖係為虛像產生元件結構圖。

第3B圖係為虛像產生元件與旋轉機構結構圖。

第4圖係為本發明之虛像產生元件成像示意圖。

第5圖係為大面積成像示意圖。

第6圖係為凹面鏡光學特性示意圖。

第7圖係為弧面鏡成像示意圖。

第8A圖係為可調性透視平面鏡結構圖。

第8B圖係為可調性透視平面鏡平視示意圖。

第8C圖係為可調性透視平面鏡俯視示意圖。

第9A圖係為聚視範圍示意圖。

第9B圖係為左半部及右半部聚視影像示意圖。

第9C圖係為上半部及下半部聚視影像示意圖。

第10圖係為光學機構第二實施例示意圖。

16．．．顯像單元

18．．．光學機構

24．．．數位微鏡元件

28．．．透視平面鏡

Claims (10)

1. 一種抬頭顯示裝置，至少包括：一顯像單元，可產生一或多個輸入影像；至少一虛像產生元件，該虛像產生元件可接收該輸入影像並產生至少一虛像；一旋轉機構，可控制該虛像產生元件之旋轉角度，使該虛像產生元件改變該虛像投影角度；以及複數透視平面鏡，以分別對應接收該虛像並反射成一大面積虛像。
2. 如請求項1所述之抬頭顯示裝置，其中該虛像產生元件為複數個時，可排列成矩陣陣列以組成一數位微鏡元件，且每一該輸入影像具有複數像素，每一該虛像產生元件可對應至少一該像素，該旋轉機構具有至少二偏擺狀態，該透視平面鏡之數量係與該偏擺狀態之數量相等。
3. 如請求項1所述之抬頭顯示裝置，更包括一光源產生元件，該光源產生元件可產生一光源，其中該顯像單元係為數位微鏡元件且具有複數微鏡，並由該微鏡組成一矩陣陣列，該顯像單元可得到該光源以產生該輸入影像，其中每一該輸入影像具有複數像素，每一該微鏡分別對應每一該像素，且該微鏡之數量係與該像素之數量相等。
4. 如請求項1所述之抬頭顯示裝置，其中該旋轉機構更包括一致動機組及一動力機組，該動力機組可產生動力以帶動該致動機組，致使該致動機組可控制該虛像產生元件，其中該動力機組係為步進馬達或微馬達。
5. 如請求項1所述之抬頭顯示裝置，其中該顯像單元可為液晶顯示器或數位光處理投影器。
6. 如請求項1所述之抬頭顯示裝置，其中具有一聚視範圍，該透視平面鏡可反射該大面積虛像至該聚視範圍內。
7. 如請求項1所述之設有抬頭顯示裝置，更包括至少一攝像單元及至少一處理單元，該處理單元電性連接該攝像單元及該顯像單元，該攝像單元可擷取一外部訊號，該處理單元可接收該攝像單元之該外部訊號並進行處理該外部訊號及一載具訊號成一影像訊號，該處理單元可傳送該影像訊號至該顯像單元，使該顯像單元可產生該輸入影像。
8. 如請求項7所述之抬頭顯示裝置，其中該外部訊號可為車道線、水平線或障礙物輪廓；該載具訊號可為載具工作溫度、轉速、時速、導引資訊、胎壓、換擋提示、轉向、倒車提示、障礙物警示、飛行高度、飛行速度、航向、垂直速率變化、載具傾斜角度、風向資訊、載具行進或怠速之訊號。
9. 如請求項1所述之抬頭顯示裝置，其中該虛像產生元件可為凹面鏡、凸透鏡或其組合。
10. 如請求項1所述之抬頭顯示裝置，其中該透視平面鏡係為高反射率光學薄膜之平板片，其穿透率可為70%～75%，反射率可為30%～25%，該透視平面鏡具有可調性，可進行調整適當的顯示角度。