TWM554175U - 光學投影裝置 - Google Patents

Description

光學投影裝置

本新型為提供一種光學投影裝置，尤指一種將結構簡單、體積較小、可遠距離虛擬成像、像差較小之抬頭顯示技術，結合於拆卸式外殼體中，使抬頭顯示器具有後裝市場的便利性之光學投影裝置。

按，抬頭顯示器(Head Up Display，HUD)可讓使用者在觀看前方景物的同時，以相同視角檢視抬頭顯示器所投射出的虛像資訊，而不必低頭觀看儀表板，此便利性及所帶來的安全性，即為汽車抬頭顯示器漸漸成為近代潮流的一大關鍵。

請參閱第一圖所示，係為習知抬頭顯示器之實施示意圖。抬頭顯示器包含有一盒體91，盒體91內具有一可將影像資訊射出之顯像裝置92，並經過至少二道光學面鏡93、94，將影像資訊射向駕駛人前方的汽車擋風玻璃95，使該影像資訊的虛像能經反射後呈現，而被駕駛人的眼睛所看見。其中，抬頭顯示器的盒體91要把二維的影像以一定的視場角(F.O.V)投射出去，就必需具有一定的體積，才可以藉由二光學面鏡93、94將二維的影像射向擋風玻璃95，而要將此盒體91組設在汽車駕駛座前方有限的空間裡，若不想犧牲汽車前景，即需在汽車出廠前結合於儀表板內的空間中，且因光路是垂直的，盒體91體積較厚，導致其組設上變得十分困難。

然而欲縮小抬頭顯示器的體積或將整體薄型化，就會面臨三個光學設計上的問題：虛像放大、視角與像差。使用微投影機或液晶顯示器(LCD)當作顯示裝置時，為實現遠距虛像式抬頭顯示器，還必須配合後端的虛像放大光學系統(Relay Optics)，但是，虛像放大系統的設計不易，無法用精簡的光學架構有效消除大視角之像差(Aberration)，而視角範圍小會導致顯示資訊少，限制了抬頭顯示器的應用功效；此外，由於擋風玻璃為不規則曲面，會造成反射至眼睛時，影像的變形與像差，而欲消除影像的變形與像差是非常困難的，面鏡必須是大面 積的非球面鏡面(Aspherical Surface)，或需再增設其他透鏡用來解決像差問題，如此則會增加零組件的製作成本，提高生產組裝的難度。也因此，目前在汽車上裝設抬頭顯示器的普及率一直無法提升。

是以，要如何解決上述習用之問題與缺失，並達到放大虛像並解決因擋風玻璃造成的影像變形與像差，以提升整體的影響品質，即為本新型之創作人與從事此行業之相關廠商所亟欲研究改善之方向所在者。

故，本新型之新型人有鑑於上述缺失，乃蒐集相關資料，經由多方評估及考量，並以從事於此行業累積之多年經驗，經由不斷試作及修改，始設計出此種將結構簡單、體積較小、可遠距離虛擬成像、像差較小之抬頭顯示技術，結合於拆卸式外殼體中，使抬頭顯示器具有後裝市場的便利性之光學投影裝置的新型專利者。

本新型之主要目的在於：利用反射鏡、反射曲面鏡及光學透鏡的組合，以三角成像技術達成遠距離虛擬成像，而有效縮小鏡片之必要體積。

本新型之另一主要目的在於：將光學投影技術結合於外殼體內，而賦予其可簡單、快速結合於儀錶板外的後裝便利性。

為達成上述目的，本新型之主要結構包括：一外殼體，該外殼體一側界定有至少一結合部，係供該外殼體可拆卸的設置於一儀表板外側，並於該外殼體上設有一供投射至少一預定影像之成像單元，且該外殼體內設有一位於該成像單元一側之反射鏡，係供接收及反射該預定影像，並於該外殼體內設有一位於該反射鏡之反射路徑上的反射曲面鏡，係供調整成像路徑及減少虛像像差，並將該預定影像投射至擋風玻璃上，進而反射至使用者眼睛，而使預定影像之虛像於擋風玻璃外側處成像，及於該外殼體上設有至少一位於該成像路徑上之光學透鏡，係供放大該預定影像；俾當使用者將本新型做為抬頭顯示器使用時，係由該成像單元投射出預定影像，使其經過反射鏡的反射後打在反射曲面鏡，以調整成像路徑及校正像差，路徑中更以光學透鏡放大該預定影像，使該預定影像透過一擋風玻璃反射至使用者眼睛，而於該擋風玻璃外折射形成該預定影像之虛像，藉此在較小的空間內，以簡單的結構實現三角成像原理，並擴大成像範圍、減少像差問題，且可透過外殼體簡單組設於儀錶板外，使本新型具有後裝市場的便利性及發展性。

藉由上述技術，可針對習用抬頭顯示器所存在之體積太大、成像視角範圍較小、容易出現影像像差、結構設計複雜及與車輛組設之便利性不足等問題點加以突破，達到上述優點之實用進步性。

1、1b‧‧‧成像單元

11‧‧‧無線連結模組

12‧‧‧預定影像

2、2b‧‧‧反射鏡

3、3b‧‧‧反射曲面鏡

4‧‧‧光學透鏡

41‧‧‧防護層

5、5a、5b‧‧‧外殼體

51‧‧‧結合部

6a、6b‧‧‧角度調節裝置

61b‧‧‧驅動元件

62b‧‧‧記憶單元

63b‧‧‧操作模組

7‧‧‧擋風玻璃

α‧‧‧第一夾角

β‧‧‧第二夾角

γ‧‧‧第三夾角

第一圖 係為習知抬頭顯示器之實施示意圖

第二圖 係為本新型較佳實施例之立體透視圖。

第三圖 係為本新型較佳實施例之鏡面位置關係圖。

第四圖 係為本新型較佳實施例之組裝示意圖。

第五圖 係為本新型較佳實施例之成像路徑示意圖。

第六圖 係為本新型較佳實施例之實施示意圖。

第七圖 係為本新型再一較佳實施例之結構示意圖。

第八圖 係為本新型另一較佳實施例之結構示意圖。

為達成上述目的及功效，本新型所採用之技術手段及構造，茲繪圖就本新型較佳實施例詳加說明其特徵與功能如下，俾利完全了解。

請參閱第二圖及第三圖所示，係為本新型較佳實施例之立體透視圖及鏡面位置關係圖，由圖中可清楚看出本新型之主要包括：一成像單元1，係供投射至少一預定影像12；一設於該成像單元1一側之反射鏡2，係供接收及反射該預定影像12；一設於該成像單元1一側且位於該反射鏡2之反射路徑上的反射曲面鏡3，係供調整成像路徑減少虛像像差，並將該預定影像12投射至擋風玻璃7上，進而反射至使用者眼睛，而使預定影像12之虛像於擋風玻璃7外側處成像，且該反射曲面鏡3係包含複數種曲率，且該些曲率係由一數學方程式定義而成；及至少一設於該成像路徑上之光學透鏡4，係供放大該預定影像12，且該光學透鏡4係為菲涅爾透鏡(Fresnel lens)，並於該光學透鏡4上具有一防護層41。

其中該成像單元1及該反射鏡2間界定有一第一夾角α，該反射鏡2及該反射曲面鏡3間界定有一第二夾角β，而該成像單元1及該反射曲面鏡3間界定有一第三夾角γ，且該第一夾角α係為15度至70度，該第二夾角β係為30度至 90度，並該第三夾角γ係為75度至140度，且該第一夾角α之最佳值係為30度至40度，該第二夾角β之最佳值係為50度至60度，而該第三夾角γ之最佳值係為95度至105度。

藉由上述之說明，已可了解本技術之結構，而依據這個結構之對應配合，更可將結構簡單、體積較小、可遠距離虛擬成像、像差較小之抬頭顯示技術，結合於拆卸式外殼體中，使抬頭顯示器具有後裝市場的便利性等優勢，而詳細之解說將於下述說明。

請同時配合參閱第二圖至第七圖所示，係為本新型較佳實施例之立體透視圖至實施示意圖，藉由上述構件組構時，可由圖中清楚看出，本新型係將上述光學投影技術設於一外殼體5中，其中該外殼體5一側界定有至少一結合部51，係供該外殼體5可拆卸的設置於一儀表板外側，而該光學投影技術主要由成像單元1、反射鏡2(平面鏡或凸面鏡)、反射曲面鏡2、光學透鏡4(較佳為菲涅爾透鏡，亦可為凸透鏡或光學透明薄材)等與擋風玻璃7配合作用而產生遠距離虛像。其中成像單元1係設於該外殼體5上，反射鏡2及反射曲面鏡3設於外殼體5內，光學元件則設於該外殼體5頂面之可視範圍內。

具體而言，該成像單元1、該反射鏡2及該反射曲面鏡3係位於同一水平面，故成像單元1較佳的將預定影像12以平行光側向投射至該反射鏡2上，並利用自由曲率的的反射曲面鏡2改變反射光線的路徑以向上射出(此時成像路徑才由該反射曲面鏡3獲得向上的垂直分量)，同時達到校正像差之目的，且因光學透鏡4具有一防護層41可直接設置於外殼體1鏤空處，而具有保護防塵之功能，同時避免額外設置的透光元件(如塑膠、玻璃、壓克力等)影響成像效果。其中反射曲面鏡2因包含有複數種曲率，可配合反射鏡2的發散距離及角度進行全面的像差校正，故該反射曲面鏡2的曲率為非固定曲率，並乃經由精密的計算統整出一數學方程式，以藉該數學方程式製作此種具有特殊曲率設計的反射曲面鏡2，該數學方程式則如下所示：

其中

A_i為自然數，i=1,2,3,...，z為鏡面深度(seg)，r為鏡面上任一點治光軸之垂直高度，

，c為鏡面中心曲率，k為二次曲面常數值。

而預定影像12除了可在反射曲面鏡3處初步放大，更經由反射曲面鏡2轉向後的成像路徑，再經由光學透鏡4的放大效果，將該預定影像12投射至擋風玻璃7，以使該預定影像12透過擋風玻璃7反射至使用者眼睛，而於該擋風玻璃7外折射形成該預定影像12之虛像(大約形成於使用者前方兩公尺處)。如此一來，即可藉由上述結構，配合第一夾角α、第二夾角β與第三夾角γ的配置，而以三角成像技術達成遠距離虛擬成像，並因該光學透鏡4係為菲涅爾透鏡，可有效縮小鏡片之必要體積，同時克服像差的問題。

藉此，因前述光學投影技術可縮小鏡片之必要體積(包含鏡片本身之尺寸及鏡片間的空間位置)，故可確實結合於該外殼體5中，而配合外殼體5的結合部51，即可由使用者簡單設置於儀表板外側，而無需假藉專業人士之手，當然也無需在汽車出廠前預先埋設於駕駛座前方，而具有後裝市場的便利性。其中該結合部51可為防滑結構、黏貼結構、或卡固定位結構(延伸固定於儀表板前緣或擋風玻璃7一側的出風口)。

又請同時配合參閱第七圖所示，係為本新型又一較佳實施例之結構示意圖，由圖中可清楚看出，本實施例與上述實施例為大同小異，僅於該外殼體5a上設有至少一角度調節裝置6a，係供改變該成像路徑投射出該外殼體5a之角度。其中該角度調節裝置6a係為萬向調節件，可設置於外殼體5a外，供使用者直接手動調整外殼體5a，以適當的調整最後的成像效果。

另請同時配合參閱第八圖所示，係為本新型另一較佳實施例之結構示意圖，由圖中可清楚看出，本實施例與上述實施例為大同小異，僅令該一角度調節裝置6b更包含至少一驅動元件61b、一供記錄角度參數之記憶單元62b、及一設於該外殼體5b上且電性連結該驅動元件61b及該記憶單元62b之操作模組63b，係供選擇該角度參數以設定該驅動元件61b。藉此，使用者可根據不同車款或不同擋風玻璃之角度，利用角度調節裝置6b設定不同的成像角度。實際操作時，則利用外殼體5b上的操作模組63b選擇記憶單元62b中預存的角度參數組合，選定後即可透過驅動元件61b自動控制成像單元1b、反射鏡2b與反射曲面鏡3b之角度位置關係，藉以符合各式車款。

惟，以上所述僅為本新型之較佳實施例而已，非因此即侷限本新型之專利範圍，故舉凡運用本新型說明書及圖式內容所為之簡易修飾及等效結構變化， 均應同理包含於本新型之專利範圍內，合予陳明。

綜上所述，本新型之光學投影裝置於使用時，為確實能達到其功效及目的，故本新型誠為一實用性優異之新型，為符合新型專利之申請要件，爰依法提出申請，盼 審委早日賜准本新型，以保障新型人之辛苦新型，倘若 鈞局審委有任何稽疑，請不吝來函指示，新型人定當竭力配合，實感德便。

1‧‧‧成像單元

11‧‧‧無線連結模組

2‧‧‧反射鏡

3‧‧‧反射曲面鏡

4‧‧‧光學透鏡

5‧‧‧外殼體

51‧‧‧結合部

Claims (12)

1. 一種光學投影裝置，其包括：一外殼體；至少一界定於該外殼體一側之結合部，係供該外殼體可拆卸的設置於一儀表板外側；一設於該外殼體上之成像單元，係供投射至少一預定影像；一設於該外殼體內且位於該成像單元一側之反射鏡，係供接收及反射該預定影像；一設於該外殼體內且位於該反射鏡之反射路徑上的反射曲面鏡，係供調整成像路徑及減少虛像像差，並將該預定影像投射至擋風玻璃上，進而反射至使用者眼睛，而使預定影像之虛像於擋風玻璃外側處成像；及至少一設於外殼體上且位於該成像路徑上之光學透鏡，係供放大該預定影像。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學投影裝置，其中該光學透鏡係為菲涅爾透鏡(Fresnel lens)。
3. 如申請專利範圍第2項所述之光學投影裝置，其中該光學透鏡上具有一防護層。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光學投影裝置，其中該反射曲面鏡係包含複數種曲率。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光學投影裝置，其中該成像單元及該反射鏡間界定有一第一夾角，該反射鏡及該反射曲面鏡間界定有一第二夾角，而該成像單元及該反射曲面鏡間界定有一第三夾角，且該第一夾角係為15度至70度，該第二夾角係為30度至90度，並該第三夾角係為75度至140度。
6. 如申請專利範圍第5項所述之光學投影裝置，其中該第一夾角之最佳值係為30度至40度，該第二夾角之最佳值係為50度至60度，且該第三夾角之最佳值係為95度至105度。
7. 如申請專利範圍第1項所述之光學投影裝置，其中該外殼體內具有一電性連結該成像單元之無線連結模組，係供接收該預定影像並傳遞給 該成像單元。
8. 如申請專利範圍第1項所述之光學投影裝置，其中該外殼體上設有至少一角度調節裝置，係供改變該成像路徑投射出該外殼體之角度。
9. 如申請專利範圍第8項所述之光學投影裝置，其中該角度調節裝置係包含至少一驅動元件、一供記錄角度參數之記憶單元、及一設於該外殼體上且電性連結該驅動元件及該記憶單元之操作模組，係供選擇該角度參數以設定該驅動元件。
10. 如申請專利範圍第9項所述之光學投影裝置，其中該記憶單元係根據不同車款之擋風玻璃角度分類記錄不同之角度參數。
11. 如申請專利範圍第1項所述之光學投影裝置，其中該成像單元、該反射鏡及該反射曲面鏡係位於同一水平面，以使該成像路徑僅由該反射曲面鏡獲得垂直方向之分量。
12. 如申請專利範圍第1項所述之光學投影裝置，其中該反射鏡係為平面鏡或凸面鏡其中之一者。