TWI615632B

TWI615632B - 可變焦距抬頭顯示裝置

Info

Publication number: TWI615632B
Application number: TW105132097A
Authority: TW
Inventors: 戴菁儀; 張高德; 謝銘郎; 古鎭南
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2016-10-04
Filing date: 2016-10-04
Publication date: 2018-02-21
Also published as: TW201814358A; US20180095277A1; US9995932B2

Abstract

一種可變焦距抬頭顯示裝置，其包含一投影光機、一放大鏡組及一陣列透鏡；投影光機用以發出具有圖像之一光束；放大鏡組設置於光束之投射路徑上；陣列透鏡可移動地設置於投影光機與放大鏡組間；光束通過陣列透鏡形成一中間像，再通過放大鏡組形成一虛像；藉由對陣列透鏡相對放大鏡組的位置變換以進行虛像位置的調變；陣列透鏡之發散角為θd；放大鏡組之放大倍率為M；虛像與人眼之距離為VID；人眼之可視範圍為Et；其滿足下列關係式：θd=M*2*cot^-1(2VID/Et)。

Description

可變焦距抬頭顯示裝置

本揭露為一種抬頭顯示裝置，尤指一種可變焦距抬頭顯示裝置。

車用抬頭顯示器符合人因工程的關鍵議題包括：亮度、視野、變焦…等，目前國際上多利用傳統鏡頭組或發光二極體數碼顯示管來達到投影像及視野擴增等功能。

其中，採用發光二極體數碼顯示管形成簡單的圖形，將顯示內容投射在風擋玻璃上，此類抬頭顯示裝置的價格低廉、安裝容易，但顯示內容緊貼在風擋上，駕駛人員讀取內容需從遠處路面的遠焦調到近焦，連續的改變焦距會導致眼睛疲勞。

採用投影光機加放大鏡組的好處為可使人眼看到之聚焦點可與遠方景物結合之需求，然而遠投影的結果使得對應的虛像無法隨著車輛車速做長短投影的調變，易使人眼產生視覺上的疲憊。雖然可在投影光機的製造過程中，製造的特殊結構透鏡或改變曲率，以達到變換焦距之功效；然而此投影光機除了需具備複雜的曲面形式之外，對應的製造方式困難且良率低。換言之，以投影光機加放大鏡組達到目的之顯示器，雖然其顯示距離較遠、顯示效果較好，但同樣無法解決需連續改變眼睛焦距以對應不同車速之問題。

因此，如何使駕駛者可以毫無死角地在抬頭顯示裝置上掌握所有行車資訊，根據資訊必要性及車速高低等因素加以決定影像的投射位置，使抬頭顯示裝置具有光學變焦(Zoom)的功能，是目前需著重的目標。

在一實施例中，本揭露提出一種可變焦距抬頭顯示裝置，其包含：一投影光機，用以發出具有圖像之一光束；一放大鏡組，設置於光束之投射路徑上；以及一陣列透鏡，可移動地設置於投影光機與放大鏡組間；光束通過陣列透鏡形成一中間像，再通過放大鏡組形成一虛像；藉由對陣列透鏡相對放大鏡組的位置變換以進行虛像位置的調變；其中，陣列透鏡之發散角為θd；放大鏡組之放大倍率為M；虛像與人眼之距離為VID；人眼之可視範圍為Et；其滿足下列關係式：θd=M*2*cot^-1(2VID/Et)。

1‧‧‧可變焦距抬頭顯示裝置

10‧‧‧投影光機

20‧‧‧放大鏡組

30‧‧‧陣列透鏡

31‧‧‧透鏡單元

311‧‧‧入光面

312‧‧‧出光面

31A‧‧‧第一子透鏡單元

31B‧‧‧第二子透鏡單元

40‧‧‧人眼

Et‧‧‧人眼之可視範圍

G1‧‧‧中間像

G2、G21、G22‧‧‧虛像

L‧‧‧光束

M‧‧‧放大倍率

u‧‧‧陣列透鏡與放大鏡組間的距離

v‧‧‧虛像與放大鏡組間的距離

VID‧‧‧虛像與人眼之距離

θd‧‧‧發散角

圖1為本揭露之一實施例之架構示意圖。

圖2為放大鏡組焦距為220mm(公釐)時，陣列透鏡與放大鏡組及虛像與放大鏡組之距離關係圖。

圖3為本揭露之陣列透鏡之一實施例之結構示意圖。

圖4為圖3實施例之透鏡單元之結構示意圖。

圖5為圖3實施例之陣列透鏡出光面位於焦點上時其出光面的光形分布變化示意圖。

圖6及圖7為本案透鏡單元之不同實施例結構示意圖。

圖8為圖1實施例進行虛像位置調變之結構示意圖。

請參閱圖1所示，本揭露提出之可變焦距抬頭顯示裝置1，其包含一投影光機10、一放大鏡組20及一陣列透鏡30。

投影光機10用以發出具有圖像之一光束L。放大鏡組20設置於光束L之投射路徑上，放大鏡組20可為菲涅爾透鏡(Fresnel lens)、凹面鏡、凸透鏡其中之一或組合。陣列透鏡30可移動地設置於投影光機10與放大鏡組20間，陣列透鏡30之發散角為θd。陣列透鏡30與放大鏡組20間的距離為u。光束L通過陣列透鏡30形成一中間像G1，光束L再通過放大鏡組20形成一虛像G2。虛像G2與放大鏡組20間的距離為v。放大鏡組20之放大倍率M=v/u。虛像G2與人眼40之距離為VID。人眼40之可視範圍為Et。上述參數滿足下列關係式：θd=M*2*cot^-1(2VID/Et)。

請參閱圖1及圖2所示，說明關於本揭露之放大鏡組20曲率的設計。圖2顯示當放大鏡組焦距為220mm時，陣列透鏡與放大鏡組及虛像與放大鏡組之距離關係圖，其中，橫座標陣列透鏡與放大鏡組的距離為圖1的u，縱座標虛像與放大鏡組的距離為圖1的v。陣列透鏡與放大鏡組的距離越大，虛像與放大鏡組的距離也越大。進一步經實驗模擬得知，在陣列透鏡與放大鏡組的距離u為175mm時，對應的虛像與放大鏡組的距離v較小，為1050mm；當陣列透鏡與放大鏡組的距離u為200mm時，其對應的虛像與放大鏡組的距離v較大，為4200mm，可呈現的距離感較遠。放大倍率M範圍可設定為1<M<30，以避免畸變嚴重。對應所需的放大鏡組20具有一反射率R，以利於人眼40於日照下辨識影像清晰，R的範圍為30%<R<70%。

藉由上述特性，即可依所需選定放大鏡組20的曲率，再據此設計陣列透鏡30之結構。

請參閱圖3至圖5所示，說明關於本揭露之陣列透鏡30的設計。陣列透鏡30由複數個透鏡單元31排列而成，具有將光束擴散之功能。透鏡單元31具有一入光面311及一出光面312，入光面311與出光面312之透鏡曲率半徑相同且方向相反，入光面311與出光面312之曲率互為焦平面。如此，入射陣列透鏡30之光束L可聚焦於出光面312上，可避免發生進光效率損耗或造成光學擴展量(Etendue)的增值。至於透鏡單元31的形狀、斷面尺寸、數量及排列方式並無限制，例如，透鏡單元31之斷面(圖3所示XY面)可為圖3所示之矩形，亦可為三角形、多邊形或圓形，再依入射光束(如圖1所示之光束L)之直徑大小及透鏡單元31之形狀將多個透鏡單元31排列成所需的陣列透鏡30的大小。例如，若入射光束直徑為20~200μm，則將透鏡單元31間之週期限制在20~200μm，以防繞射現象及能量損失。

請參閱圖6與圖7所示，透鏡單元31由一第一子透鏡單元31A與一第二子透鏡單元31B構成，第一子透鏡單元31A之一端具有一入光面311，相對之另一端為一平面；第二子透鏡單元31B具有一出光面312，相對之另一端為一平面；第一子透鏡單元31A與第二子透鏡單元31B以平面之一端相互朝向，使入光面311、出光面312分別位於透鏡單元31兩端。圖6顯示第一子透鏡單元31A與第二子透鏡單元31B相貼靠，圖7顯示第一子透鏡單元31A與第二子透鏡單元31B之間具有一距離。綜觀圖4、圖6與圖7所示實施例，圖4為一體設計，圖6及圖7為二件式設計，皆適用於構成本揭露之陣列透鏡。必須說明的是，就圖4、圖6與圖7所示實施例而言，當入光面311與出光面312其中之一為平面時，可能會使得出光面無法聚焦於焦距，導致效率變差，但在不特別要求高效率的情形下，仍可應用於圖1所示架構。

請參閱圖1及圖8所示，說明利用圖1實施例進行虛像位置調變。陣列透鏡30之發散角為θd。放大鏡組20之放大倍率為M。虛像G2與人眼40之距離為VID。人眼40之可視範圍為Et。上述參數滿足下列關係式：θd=M*2*cot^-1(2VID/Et)。

依據成像原理公式：1/u+1/v=1/f，f為放大鏡組20之焦距，當陣列透鏡30較遠離放大鏡組20時，可產生距離人眼40較遠的虛像G21(虛線所示成像路徑)；反之，當陣列透鏡30較靠近放大鏡組20時，則可產生距離人眼40較近的虛像G22(實線所示成像路徑)。據此，藉由對陣列透鏡30相對放大鏡組20的位置變換即可進行虛像G2位置的調變。此外，假設一般人眼40的兩眼間距約為12公分，以駕駛汽車而言，為了使兩眼可看到清晰的影像，放大倍率M需小於30，且虛像G2需投影於汽車頭蓋前約2公尺以上的位置，經由θd=M*2*cot^-1(2VID/Et)運算，可計算出θd至少需大於1.8度。

綜上所述，本揭露所提供之可變焦距抬頭顯示裝置，由投影光機、可調變陣列透鏡及放大鏡組構成。在不改變放大鏡組、投影光機本身的結構下能保持其影像清晰度，達到降低成本及設計簡化的優勢。

惟以上所述之具體實施例，僅係用於例釋本揭露之特點及功效，而非用於限定本揭露之可實施範疇，於未脫離本揭露上揭之精神與技術範疇下，任何運用本揭露所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。