TWI729294B - 顯示裝置及其車用抬頭顯示系統 - Google Patents

Abstract

一種車用抬頭顯示系統包含一風擋以及一顯示裝置，其中顯示裝置包含單一影像源模組以及一光學成像模組。影像源模組設置於車體內，用以產生一第一影像光及一第二影像光。光學成像模組設置於影像源模組之一出光側，用以反射第一影像光經由一第一光路至風擋的表面以及反射該第二影像光經由一第二光路至風擋的表面，而分別生成一第一虛像及一第二虛像，其中該第一光路之距離小於該第二光路之距離。本發明之顯示裝置及其車用抬頭顯示系統利用單一影像源產生多個不同距離的虛像，以提供駕駛者多個行車資訊。

Description

顯示裝置及其車用抬頭顯示系統

本發明是有關一種顯示裝置及其車用抬頭顯示系統，特別是一種使用單一個影像源模組，以產生多個不同距離虛像的顯示裝置及其車用抬頭顯示系統。

汽車駕駛中，駕駛者低頭觀看儀錶板或其他消費電子產品會影響其對路面狀況的觀察，造成安全隱患。因此，將儀表板上之駕駛資訊移轉至抬頭顯示器(head-up display,HUD)，就成為提升駕駛安全的重要手段。

隨著HUD的發展，附加於其上的功能越來越豐富，目前產生了擴增實境HUD(augmented reality HUD,AR-HUD)等新的應用需求，這些新型的HUD需要不只一個虛像面，即需要複數個虛像面。這樣，導航、地圖等資訊可以顯示於遠處的虛像面，而車速、油量等資訊可以顯示於近處的虛像面。如圖1所示，圖1展示了一種具有複數個虛像面的HUD之示意圖，其中具有距離駕駛者1一個虛像距離VI_P1的虛像VI_1，和距離駕駛者1一個虛像距離VI_P2的虛像VI_2。而現有技術中，為了實現上述具有複數個虛像面的HUD，多採用以下兩種方法：(1)兩個影像源模組與兩套投影光學系統，例如，在儀錶板之下安裝一套影像源模組加投影光學系統，在駕駛艙頂部安裝另一套影像源加投影光學 系統，這樣兩套系統分別產生兩個距離不同的虛像。或者(2)兩個影像源模組與一套投影光學系統，例如，如圖1所示，在儀錶板之下安裝兩個影像源分別為影像源2、影像源3和一套投影光學系統4，兩個影像源2、3利用相對於投影光學系統4不同的物距O1、O2來生成不同距離的虛像。然而，先前技術為了生成複數個不同距離的虛像，必須要使用複數個影像源，如此不僅增加系統成本，更增加驅動、安裝與調試的困難度。

有鑑於此，如何改善上述問題便是本發明所揭示之技術重點所在。

本發明提供一種車用抬頭顯示系統利用單一影像源產生至少兩個不同距離的虛像，以提供駕駛者多個行車資訊並降低車用抬頭顯示系統之組裝及生產成本。

本發明一實施例之車用抬頭顯示系統包含一風擋以及一顯示裝置。風擋與一車輛之一車體連接，且具有一反射光線的表面。顯示裝置包含一影像源模組以及一光學成像模組。影像源模組設置於車體內，且影像源產生一第一影像光及一第二影像光。光學成像模組設置於影像源模組之一出光側，且光學成像模組包含至少一平面鏡以及至少一第一曲面鏡，用以反射第一影像光經由一第一光路至風擋的表面以及反射第二影像光經由一第二光路至風擋的表面，而分別生成一第一虛像及一第二虛像，其中第一光路之距離小於第二光路之距離。

本發明另一實施例之顯示裝置包含一影像源模組以及一光學成像模組。影像源模組設置於一車輛之一車體內，用以產生一第一影像光及一第二影像光。光學成像模組設置於影像源模組之一出光側，且光學成像模組包含至少 一平面鏡以及至少一第一曲面鏡，用以反射第一影像光經由一第一光路至風擋的表面以及反射第二影像光經由一第二光路至風擋的表面，而分別生成一第一虛像及一第二虛像，其中第一光路之距離小於第二光路之距離。

以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。

1:駕駛者

2,3:影像源

4:投影光學系統

VI_1,VI_2:虛像

VI_P1,VI_P2:虛像距離

O1,O2:物距

10:車用抬頭顯示系統

11:風擋

111:表面

12:顯示裝置

121:影像源模組

1211:第一顯示區

1212:第二顯示區

1213:未利用區域

122:光學成像模組

1222,1222a,1222b,1222c:平面鏡

1224,1225:曲面鏡

1226:透鏡

13:車輛

131:車體

F:焦點

P1:第一光路

P2:第二光路

RVI1:第一中繼虛像

RVI2:第二中繼虛像

RVI3,RVI3’:第三中繼虛像

VI1:第一虛像

VI2:第二虛像

圖1為一示意圖，顯示習知之車用抬頭顯示系統。

圖2為一示意圖，顯示本發明一實施例之顯示裝置及其車用抬頭顯示系統。

圖3為一示意圖，顯示本發明一實施例之影像源模組之示意圖。

圖4為一示意圖，顯示本發明又一實施例之顯示裝置及其車用抬頭顯示系統。

圖5為一示意圖，顯示本發明又一實施例之顯示裝置及其車用抬頭顯示系統。

圖6為一示意圖，顯示本發明再一實施例之顯示裝置及其車用抬頭顯示系統。

圖7為一示意圖，顯示本發明一實施例之FOV定義之示意圖。

圖8a、圖8b為一示意圖，分別顯示本發明一實施例之顯示裝置及其車用抬頭顯示系統之第一顯示區之光路示意圖及第二顯示區之光路示意圖。

圖9a、圖9b為一示意圖，顯示本發明一實施例之第一顯示區之網格影像成像模擬圖及第二顯示區之網格影像成像模擬圖。

圖10a、圖10b為一示意圖，顯示本發明一實施例之第一顯示區之各視場的點截止頻率圖及第二顯示區之各視場的點截止頻率圖。

以下將詳述本發明之各實施例，並配合圖式作為例示。除了這些詳細說明之外，本發明亦可廣泛地施行於其它的實施例中，任何所述實施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本發明之範圍內，並以申請專利範圍為準。在說明書的描述中，為了使讀者對本發明有較完整的瞭解，提供了許多特定細節；然而，本發明可能在省略部分或全部特定細節的前提下，仍可實施。此外，眾所周知的步驟或元件並未描述於細節中，以避免對本發明形成不必要之限制。圖式中相同或類似之元件將以相同或類似符號來表示。特別注意的是，圖式僅為示意之用，並非代表元件實際之尺寸或數量，有些細節可能未完全繪出，以求圖式之簡潔。

請先參考圖2，圖2為本發明一實施例之顯示裝置及其車用抬頭顯示系統之示意圖。如圖所示，本發明之車用抬頭顯示系統10包含一風擋11以及一顯示裝置12。風擋11與一車輛13之一車體131連接，且具有一表面111。顯示裝置12包含一影像源模組121以及一光學成像模組122。其中影像源模組121設置於車體131內，且影像源模組121產生一第一影像光(圖中未示)及一第二影像光(圖中未示)。光學成像模組122設置於影像源模組121之一出光側，且光學成像模組122包含至少一平面鏡1222以及至少一第一曲面鏡1224，用以反射第一影像光經由一第一光路P1至風擋11的表面111以及反射第二影像光經由一第二光路P2至風擋11的表面111，而分別生成一第一虛像VI1及一第二虛像VI2，其中第一光路P1之距離小於第二光路P2之距離。於一實施例中，其中第一影像光經由至少一第一 曲面鏡1224反射至風擋11的表面111，且第二影像光經由至少一平面鏡1222以及至少一第一曲面鏡1224反射至風擋11的表面111。

承上，於一實施例中，影像源模組121包含但不限於液晶顯示器模組、數位光處理模組、矽上液晶顯示器模組和鐳射顯示器模組。於一實施例中，請參考圖3，影像源模組121包含一影像面板，其包含一第一顯示區1211以及一第二顯示區1212，且第一顯示區1211以及第二顯示區1212分別產生第一影像光以及第二影像光。於一實施例中，影像源模組121為單一影像面板。於一實施例中，為了避免光路干涉，影像面板的小部分區域如標號1213沒有參與到最終成像，然而此未利用區域可依據不同機構設計有不同設定。於再一實施例中，影像面板更可包含一第三顯示區(圖中未示)用以產生一第三影像光，以此類推，影像面板可包含兩個或兩個以上的顯示區以產生兩個或兩個以上的影像光。本發明利用單一影像源模組，將影像源之顯示面積分割利用，形成複數個邏輯上獨立運用但物理上為一整體的顯示區，如圖3所示。圖3以兩個顯示區說明分割利用之原理。圖3中的第一顯示區1211和第二顯示區1212對應到最終距離不同的兩個虛像。且分割方法不限於矩形分割，可為任意幾何形狀之分割，且為調節系統結構空間，影像面板可有部分未利用區域，但不為必須之配置。

本發明為了將複數個顯示區配置到空間上不同的位置以形成不同物距，本發明利用平面鏡、曲面鏡、透鏡等光學成像模組，將至少一個顯示區成像到不同於原影像源空間的其他位置；其他顯示區維持在空間原位置，或被另外的光學轉像系統(光學成像模組)成像到空間其他位置(此處其他位置指不同於前述第一個轉像系統將相應顯示區所成像之位置)。以圖3、圖4之實施例做進一步說明，圖4為基於圖2之實施例之本發明又一實施例之顯示裝置的示意圖。如圖3、4所示之實施例，影像源模組121被分割為兩個顯示區(第一顯示區1211和第二顯示區1212，以及二者之間具有一個未利用區域1213)，第一顯示區1211發出 的光線直接射向第一曲面鏡1224，再被反射向風擋11，形成第一虛像(如圖2中的第一虛像VI1)。第二顯示區1212發出的光線射向平面鏡1222a，透過平面鏡成像原理，生成一第一中繼虛像RVI1；第一中繼虛像RVI1被平面鏡1222b反射成像，生成第二中繼虛像RVI2；繼而，第二中繼虛像RVI2被平面鏡1222c反射成像，生成第三中繼虛像RVI3。這樣，第二顯示區1212就被由平面鏡1222a、1222b、1222c組成的光學轉像系統轉移到不同於原影像源位置，即第三中繼虛像RVI3。而第三中繼虛像RVI3再被曲面鏡1224和風擋11進行投影光學成像，生成第二虛像(如圖2中的第二虛像VI2)。由於未被轉像系統影響的第一顯示區1211和第三中繼虛像RVI3(第三中繼虛像RVI3即第二顯示區1212之轉移影像)相對於曲面鏡1224的距離不同，且在合理設計之後都位於曲面鏡的焦點F之內，第一虛像VI1(如圖2所示)和第二虛像VI2(如圖2所示)就具有相對駕駛者1不同的虛像距離，於一實施例中，第二虛像VI2(如圖2所示)之成像位置至一駕駛者1之一虛像距離大於2公尺。本發明利用光學成像系統可將至少一個顯示區轉移到空間其他位置，使得複數個顯示區對於主投影光學系統(即本實施例中的第一曲面鏡1224)具有不同的物距。

圖4之實施例係以三片平面鏡構成的光學成像模組為例說明。於又一實施例中，請參考圖5，圖5是基於圖2之實施例之本發明又一實施例之顯示裝置的示意圖。與圖4唯一之不同之處在於，光學成像模組122更包含一第二曲面鏡1225，其設置於影像源模組121與至少一第一曲面鏡1224間之第二光路P2上，也就是說，與圖4實施例相比，將光學成像模組122中的平面鏡1222c被替換為曲面鏡1225，因曲面鏡1225引入的非零光焦度，如圖5中所示，則第三中繼虛像RVI3’尺寸大於對應的第二顯示區1212(圖4中的第三中繼虛像RVI3尺寸等於第二顯示區1212)。亦或者，於一實施例中，如圖6所示，光學成像模組122包含平面鏡1222a、1222b，曲面鏡1225，和透鏡1226構成，也就是說，在圖5的實施例 之基礎上又加入一片透鏡1226以修正曲面鏡1225放大成像之像差，其中透鏡1226設置於影像源模組至曲面鏡1225間之第二光路P2上。此為光學設計領域一般知識，不再贅述。因此，可以理解的是，光學成像系統之設計可依需求由具有本領域知識者自行調整。

依照上述本發明之描述，經光學轉像系統作用後，單一影像源被轉換為複數個對主投影光學系統具有不同物距的物體，依照高斯光學原理，會有不同距離之虛像生成。另外，為了保證所生成之虛像具有可實用化的影像品質，主投影系統還需經過最佳化光學設計，確保各項規格滿足HUD成像需求。一般來說，成像品質規格包括視場(field of view,FOV)內各視場點由影像源畫素大小決定的截止頻率(cut-off frequency)下調製傳遞函數(modulation transfer function,MTF)值、畸變率、像散、雙眼視差等。此處所述之最佳化光學設計與評價為本領域一般性知識，不再贅述。

為說明本發明提出之利用單一影像源模組且具有複數個虛像面的汽車抬頭顯示器，此處提供一具體實施例。影像源模組121為單一一個大小為57mm×34mm(對角線2.6英吋)的液晶顯示面板(liquid-crystal display，LCD)，其被分割為兩部分，分割方法如圖3所示，第一顯示區1211的尺寸為57mm×14mm，第二顯示區1212的尺寸為57mm×16mm，兩個顯示區之間有一面積為57mm×4mm的未利用區域1213。顯示裝置12示意圖與圖4所示相同，第一顯示區1211不對應轉像系統，而第二顯示區1212的轉像系統包含三個平面鏡(平面鏡1222a、1222b、1222c)。

本實施例所用風擋11垂直於地面方向曲率為7500mm，平行於地面方向曲率為3000mm。若以駕駛者1視線(相對於地面有5°下視角)建立坐標系，如圖7所示，第一顯示區1211生成的第一虛像VI1的FOV為-2.5°~2.5°(x方向)和-3.5°~-1.5°(y方向)，相對駕駛者1之虛像距離2.5m。第二顯示區1212生成的第二 虛像VI2的FOV為-5°~5°(x方向)和-0.5°~2.5°(y方向)，相對駕駛者1之虛像距離9m；雙眼可以同時觀賞到第一虛像VI1和第二虛像VI2的範圍為120mm(x方向)和60mm(y方向)，即眼盒(eyebox)範圍。光學成像模組122之曲面鏡1224的面型參數由方程式(1)描述，為一包含6階非球面係數的雙曲率方程式，具體如表1光學成像模組122之曲面鏡面形參數所述。包含駕駛者雙眼在內的兩個顯示區分別之中心視場點光路圖如圖8a及圖8b所示，可見兩個顯示區可分別利用與不利用轉像系統成距離不同的虛像。其中，定義光學成像模組122之曲面鏡1224的曲面形狀的方程式(1)如下：

成像品質方面，本實施例對兩個顯示區網格圖成像模擬與截止頻率內MTF兩個關鍵規格加以說明，如圖9a及圖9b所示，可見，第一顯示區1211與第二顯示區1212對應的虛像之畸變率都非常輕微，小於5%；如圖10a及圖10b所示，第一顯示區1211與第二顯示區1212在LCD畫素大小決定的截止頻率(8週期/毫米)內的MTF值都大於0.5，為一繞射限制系統，依據目視成像光學一般知識，此系統成像清晰。

依據上述，本發明之顯示裝置及其車用抬頭顯示系統，其中顯示裝置的影像源模組可提供至少兩個影像源，形成複數個邏輯上獨立運用但物理上為一整體的顯示區；顯示裝置的光學成像模組至少包含至少一平面鏡以及至少一曲面鏡，其可彈性依據不同的影像源模組進行不同轉像配置，以清楚成像為至少兩個虛像。

綜合上述，本發明之顯示裝置及其車用抬頭顯示系統是利用單一影像源產生至少兩個不同距離的虛像，以提供駕駛者多個行車資訊並降低車用抬頭顯示系統之組裝及生產成本。

以上所述之實施例僅是為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以此限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

1:駕駛者

10:車用抬頭顯示系統

11:風擋

111:表面

12:顯示裝置

121:影像源模組

1211:第一顯示區

1212:第二顯示區

1213:未利用區域

122:光學成像模組

1222:平面鏡

1224:曲面鏡

13:車輛

131:車體

P1:第一光路

P2:第二光路

VI1:第一虛像

VI2:第二虛像

Claims (10)

1. 一種車用抬頭顯示系統，其包含：一風擋，其與一車輛之一車體連接，且具有一反射光線的表面；以及一顯示裝置，其包含：一影像源模組，其設置於該車體內，作為單一影像源用以產生一第一影像光及一第二影像光；以及一光學成像模組，設置於該影像源模組之一出光側，該光學成像模組包含至少一平面鏡以及至少一第一曲面鏡，用以反射該第一影像光經由一第一光路至該風擋的該表面以及反射該第二影像光經由一第二光路至該風擋的該表面，而分別生成一第一虛像及一第二虛像，其中該第一光路之距離小於該第二光路之距離；其中，該影像源模組是位於該至少一第一曲面鏡的一焦點內。
2. 如請求項1所述之車用抬頭顯示系統，其中該影像源模組包含液晶顯示器模組、數位光處理模組、矽上液晶顯示器模組和鐳射顯示器模組。
3. 如請求項1所述之車用抬頭顯示系統，其中該影像源模組包含一影像面板，其包含一第一顯示區以及一第二顯示區，且該第一顯示區以及該第二顯示區分別產生該第一影像光以及該第二影像光。
4. 如請求項1所述之車用抬頭顯示系統，其中該第一影像光經由該至少一第一曲面鏡反射至該風擋，且該第二影像光經由該至少一平面鏡以及該至少一第一曲面鏡反射至該風擋。
5. 如請求項1所述之車用抬頭顯示系統，其中該光學成像模組更包含一第二曲面鏡或該光學成像模組更包含一第二曲面鏡及一透鏡，其設置於該影像源模組至該至少一第一曲面鏡間之該第二光路上。
6. 一種顯示裝置，包含：一影像源模組，其設置於一車輛之一車體內，作為單一影像源用以產生一第一影像光及一第二影像光；以及一光學成像模組，設置於該影像源模組之一出光側，該光學成像模組包含至少一平面鏡以及至少一第一曲面鏡，用以反射該第一影像光經由一第一光路至該風擋的該表面以及反射該第二影像光經由一第二光路至該風擋的該表面，而分別生成一第一虛像及一第二虛像，其中該第一光路之距離小於該第二光路之距離；其中，該影像源模組是位於該至少一第一曲面鏡的一焦點內。
7. 如請求項6所述之顯示裝置，其中該影像源模組包含液晶顯示器模組、數位光處理模組、矽上液晶顯示器模組和鐳射顯示器模組。
8. 如請求項6所述之顯示裝置，其中該影像源模組包含一影像面板，其包含一第一顯示區以及一第二顯示區，且該第一顯示區以及該第二顯示區分別產生該第一影像光以及該第二影像光。
9. 如請求項6所述之顯示裝置，其中該第一影像光經由該至少一第一曲面鏡反射至該風擋，且該第二影像光經由該至少一平面鏡以及該至少一第一曲面鏡反射至該風擋。
10. 如請求項6所述之顯示裝置，其中該光學成像模組更包含一第二曲面鏡或該光學成像模組更包含一第二曲面鏡及一透鏡，其設置於該影像源模組至該至少一第一曲面鏡間之該第二光路上。

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