CN103135233A - 抬头显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种抬头显示装置，至少包括：可产生一或多个输入影像的显像单元，利用至少一虚像产生元件接收输入影像并产生至少一虚像，一旋转机构，可使虚像产生元件改变虚像投影角度以投影虚像至多个透视平面镜，以分别对应接收虚像并反射成一大面积虚像；本发明所揭示的技术内容可直接减少透镜或面镜的光学元件的尺寸大小，使得抬头显示装置得以微型化，却可实施大面积的显像范围，并使所需载具资讯画面与外界景像完全叠合，将可有效解决过去使用单一光路显像装置，仅能以小面积显像而无法提供大面积显示画面的问题。

Description

抬头显示装置

技术领域

本发明是有关一种光学系统架构，特别是有关一种适用于移动式载具的抬头显示装置。

背景技术

众所皆知过去的抬头显像装置(Head Up Display，HUD)是使用在航空器上的飞行辅助仪器，可以让驾驶人不需要低头就能够看到仪表上的资讯，以避免注意力中断以及丧失对状态意识(Situation Awareness)的掌握，因为使用抬头显像装置极具便利性且能够提高飞行安全，因此亦可使用在其他类型的移动式载具上，不单是民航机可以使用，甚至汽车及船舶也可使用。

在过去现有技术中的抬头显示功能，都只是在驾驶人的视线范围内提供一些极小的显示范围面积的简单仪表数据资讯，以显示任何有关移动式载具有关移动式载具所须的关键资讯，且在现有技艺的抬头显示器当中大多是以单一光路显像装置作为提供小显示范围面积，其作法是先将关键资讯投影至光机，显示屏幕则是放置挡风玻璃内侧面，并面对挡风玻璃，而关键资讯经由光机再传送至显示屏幕，进而由显示屏幕所显示的关键资讯通过挡风玻璃的反射直接显示于挡风玻璃上，且其显示的位置通常是直接落于驾驶者前方的视线内，让驾驶者在驾驶中可直接视得车速或其他所欲得知的数值，而不必抬头或低头变换视线，然而这样的单一光路显像装置依据光学成像原理可知，不论是使用任何透镜或面镜，输入影像、成像面积都和透镜、面镜的光学元件尺寸大小是成正比关系，如此一来，抬头显像装置需要极大的透镜或面镜方能将虚像投射出来，因此若是想要将这套单一光路显像装置与仪表台做一装置整合并不容易，因为抬头显像装置的所需体积对原已装满电线与接头的仪表台来说已过大，更何况基于投影品质而论，抬头显像装置的光学元件尺寸也不宜再缩小，因此在空间有限的驾驶舱里想做到大显像面积可以说是非常难以实施，况且显示面积范围过小的显像资讯也仅能让驾驶人使用余光短暂地一瞥仪表控台，因此驾驶人还是无法立即可以过滤出重要的关键资讯，若是驾驶人太过于仔细留意抬头显像装置的关键资讯，反而容易分散注意力而让驾驶人危机四伏。

有鉴于此，本发明是针对上述的问题，提出一种抬头显示装置，可具有减少透镜或面镜的光学元件的尺寸，更具有大面积显像范围，为一种可兼具安全与效率的多功能型的高阶抬头显示装置。

发明内容

本发明的主要目的，是在提供一种抬头显示装置，利用旋转机构将影像讯号进行分部切割以个别投影，再辅以重新汇集显像的技术手段，本发明可利用相同透镜或面镜的光学元件的尺寸来产生更大的显像面积，或是可以缩小透镜或面镜的光学元件的尺寸，由此降低抬头显示装置体积，在有限车内安装空间内，可达到大面积显像效果，抬头显示装置所提供的资讯画面可与外界景象完全叠合或是使资讯画面对应景像做搭配显示，可以帮助驾驶人注意所需移动式载具的关键资讯，有效解决过去单一光路显像装置仅能以小面积范围显示的问题。

本发明的另一目的，是在提供一种抬头显示装置，以旋转机构分别投影并汇集显像，并通过透视平面镜的可调性可以随着驾驶的身高与坐姿随时进行调整适当的显示角度，相较于过去所采用的单一光路显像装置，本发明更能提供驾驶人全神贯注于前方的道路状况及驾驶上的舒适度。

为达上述的目的，本发明提供一种抬头显示装置，至少包括：可产生一或多个输入影像的显像单元，至少一虚像产生元件以接收输入影像并产生至少一虚像；一旋转机构，可控制虚像产生元件的旋转角度，使虚像产生元件改变虚像投影角度；以及多个透视平面镜，以分别对应接收虚像并反射成一大面积虚像。

底下通过具体实施例配合所附的图式详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1为本发明的装置架构方块图；

图2为光学机构第一实施例示意图；

图3A为虚像产生元件结构图；

图3B为虚像产生元件与旋转机构结构图；

图4为本发明的虚像产生元件成像示意图；

图5为大面积成像示意图；

图6为凹面镜光学特性示意图；

图7为弧面镜成像示意图；

图8A为可调性透视平面镜结构图；

图8B为可调性透视平面镜平视示意图；

图8C为可调性透视平面镜俯视示意图；

图9A为聚视范围示意图；

图9B为左半部及右半部聚视影像示意图；

图9C为上半部及下半部聚视影像示意图；

图10为光学机构第二实施例示意图。

附图标记说明：10-抬头显示装置；12-摄像单元；14-处理单元；16-显像单元；18-光学机构；22-虚像产生元件；24-数字微镜元件；26-旋转机构；28-透视平面镜；30-致动机组；32-动力机组；34-齿轮；36-齿条；38-凹面镜；40-凸透镜；42-实际车道线；44-虚像车道线；46-挡风玻璃；48-弧面镜；50-旋转机构；52-旋转致动机构；54-人眼；56-聚视范围；58-左半部；60-右半部；62-上半部；64-下半部；65-光源产生元件；66-数字微镜元件；68-虚像产生元件；70-旋转机构；72-致动机组；74-动力机组；72-致动机组；76-齿轮；78-齿条；S-物距；S’-像距；f-焦距。

具体实施方式

本发明是在于提供一种抬头显示装置，利用旋转机构与虚像产生元件可将影像进行切割或是以多个显像单元使影像呈现个别投影再辅以重新汇集显像的方式，利用本发明的技术内容可直接减少透镜或面镜的光学元件尺寸大小，而具有大面积显像范围，本发明提供透视平面镜的可调性，可依据驾驶的身高与坐姿进行来调整最适当的显示角度。

本发明的实施方式，首先参阅图1，以说明本发明的装置架构方块图，如图所示，本发明的抬头显示装置10可搭配至少一如电荷耦合元件或是互补式金属-氧化-半导体元件的摄像单元12及搭配至少一如中央处理器、微处理器或单片微型电脑的处理单元14，并使用液晶显示器或数字光处理投影器做为显像单元16，当处理单元14电性连接摄像单元12及显像单元16时，摄像单元12即可使用单一或多个以进行读取前方景象如为车道线、水平线或障碍物轮廓或是可再使用单一或多个摄像单元12安置在载具周围可读取载具视野死角景象的外部讯号，处理单元14加以整合移动式载具所需的关键资讯，如接收摄像单元12的外部讯号，以及同时进行接收及处理如载具工作温度、转速、时速、导引资讯、胎压、换挡提示、转向、倒车提示、障碍物警示、飞行高度，飞行速度，航向，垂直速率变化，载具倾斜角度、风向资讯、载具行进或怠速的载具讯号，或是可再利用障碍物轮廓侦测作为障碍物距离警示讯号，处理单元14在汇整移动式载具所需的关键资讯之后，加以处理成一影像讯号，最后处理单元14传送影像讯号至显像单元16，再由显像单元16产生至少一输入影像投影至光学机构18。

接续，关于本发明的第一实施方式，可参阅图2、图3A及图3B，参阅同时辅以图1，以说明光学机构第一实施例示意图、虚像产生元件结构图及虚像产生元件与旋转机构结构图，本发明在此揭示一种利用数字微镜元件上所具有的多个微镜做为虚像产生元件的实施方式，如图所示，本发明所揭示的抬头显示装置10至少包括：可产生一或多个输入影像的显像单元16及可接收输入影像并产生虚像的光学机构18；如图2、图3A及图3B所示，光学机构18，至少包括：虚像产生元件22可接收显像单元16所产生的输入影像并产生至少一虚像，多个透视平面镜28以分别对应接收虚像并反射成一大面积虚像，其中在第一实施方式中的虚像产生元件22的细部实施态样如图3A所示，多个虚像产生元件22可排列成矩阵阵列以组成一数字微镜元件24，虚像产生元件22可搭配旋转机构26以控制虚像产生元件22的旋转角度进而可改变虚像投影角度，由于每一输入影像是皆是具有多个像素，每一虚像产生元件22则对应至少一像素，而在本发明所设计的技术手段是以透视平面镜28与旋转机构26的偏摆状态数量相等，意即在图2当中本发明是以旋转机构26以左右二段做为偏摆状态作为举例说明，因此使用二片透视平面镜28作为对应的实施方式，当假设旋转机构26以左中右三段做为偏摆状态时，则使用三片透视平面镜28作为对应的实施方式，因此同理当旋转机构26设定成具有多种偏摆状态，此时只需对应透视平面镜28相等的数量即可，其实施原理相同而明确，故不再重复赘述，旋转机构26的细部实施态样则如图3B所示，其中旋转机构26更包括可为致动机组30以及动力机组32，致动机组30可由齿轮34、齿条36或其组合所构成，而动力机组32则可使用微马达，如此一来，动力机组32可产生动力以带动致动机组30，致使致动机组30可控制虚像产生元件22，此时再让旋转机构26至少以周期＝1/60的设定方式将虚像产生元件22快速偏摆，也就是说当虚像产生元件22以一秒高达60次或以上的偏摆次数的下，将虚像投影至前方的透视平面镜28，在人眼视觉暂留原理下，透视平面镜28所呈现的即是一虚像显示屏幕。

接续，一同参阅图4、图5、图6及图7，参阅同时辅以图2，以说明本发明的虚像产生元件成像示意图、大面积成像示意图、凹面镜光学特性示意图及弧面镜成像示意图，如图4及图5所示，本发明的虚像产生元件22可为凹面镜38或凸透镜40，皆是利用正立放大虚像的光学原理，以产生虚像，并以大面积的方式成像至窗外，所产生的虚像至少可搭配实际车道线42并对应至虚像车道线44。

如图6所示，本发明的凹面镜38其光学特性，当曲率半径R为∞时，为凹面镜38，焦距为∞；当曲率半径R为100时，为具一弧度的凹面镜38，其焦距为50。凹面镜38均可产生虚像，其焦距如式(1)：

f＝R/2                      (1)

其凹面镜38曲面也可设定为非球面，可避免光学像差产生，当输入影像置于焦距内，凹面镜38将呈现一放大的虚像，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为曲率半径、S为物距、S’为像距、f为焦距及m为放大率。

如图7所示，本发明所揭示的一种设有抬头显示装置10，其技术内容若是应用在车辆，则所提供显示画面的面积可对应至虚像车道线44，其画面可至少涵盖宽4公尺，高1公尺，其中透视平面镜28是为高反射率光学薄膜的平板片，其穿透率可为70％～75％之间，反射率可为30％～25％之间，并且摆放至挡风玻璃46的窗内，如此一来，驾驶人即可依序通过透视平面镜28及挡风玻璃46注视着前方虚像，虚像将与前方景像相互重叠或是使虚样对应景像做显示，当透视平面镜28与搭配的光路数量够多时，则可使透视平面镜28成为一弧面镜48，以显示一大画面，此外，透视平面镜28具有可调性，驾驶人可依据自己的身高与坐姿随时进行调整适当的显示角度。本发明的图5及图7是以车辆为载具做为实施方式作说明，故列举虚像车道线44做为辅助说明，当然其他任何一种移动式载具上如航空器及船舶若欲对应水平线，其实施原理相同且明确，故不重复赘述。

一同参阅图8A、图8B及图8C，以说明上述关于本发明的可调性透视平面镜结构图、可调性透视平面镜平视示意图及可调性透视平面镜俯视示意图，本发明所采用的透视平面镜28是具有可调性，驾驶人可依据自己的身高与坐姿随时进行调整适当的显示角度，如图8A所示，透视平面镜28可固定在旋转机构50上，旋转机构50则设置在旋转致动机构52上，旋转机构50可供水平轴X顺时针及逆时针翻转，旋转致动机构52则可供垂直轴Y顺时针及逆时针翻转，如此一来透视平面镜28即具有可调性，可以随着驾驶的身高与坐姿随时进行调整适当的显示角度，如图8B及图8C所示，旋转机构50及旋转致动机构52可依据人眼54位置的不同加以调整透视平面镜28的最佳显示角度。

参阅图9A、图9B及图9C，以说明本发明的本发明的聚视范围示意图、左半部及右半部聚视影像示意图及上半部及下半部聚视影像示意图，本发明的抬头显示装置10，其中具有一聚视范围56，透视平面镜28可将虚像反射至聚视范围56内以呈现一大面积虚像，由于本发明的第一实施方式是以至少二输入影像做为举例说明，因此具有二光路以呈现左半部58、右半部60或是以上半部62、下半部64的虚像反射至聚视范围56内，当各部虚像合并的后在聚视范围56内可观视的就是一个大面积虚像显示，同理，当本发明若是改以三或是三以上的输入影像做为实施态样，则聚视范围56的虚像则呈现三部分或是三以上部分，其实施原理相同且明确，故不再赘述。

接续，关于本发明的第二实施方式，可参阅图10并同时参考图4、图9A、图9B及图9C，以说明光学机构第二实施例示意图，如图所示，本发明的抬头显示装置10，更包括光源产生元件65，光源产生元件65可产生一光源，光学机构18则利用数字微镜元件(Digital Micromirror Device，DMD)做为显像单元66的实施态样，由于显像单元66是由多个微镜组成一矩阵阵列，而每一输入影像皆具有多个像素，每一微镜皆可分别对应每一像素，且显像单元66上的微镜是与像素的数量相等，当显像单元66得到光源产生元件65的光源，显像单元66即可产生一或多个输入影像，显像单元66可控制每一像素的亮暗状态(如同数字开关0与1的状态)，因此显像单元66可决定哪一部分的像素将做投影，当显像单元66上的微镜将一部分像素投影至虚像产生元件68，虚像产生元件68再投影虚像至透视平面镜28，将可同样达到如第一实施方式分部虚像合并成一个大面积虚像显示的目的及功效，如图4所示，虚像产生元件68可使用凹面镜38或凸透镜40，同样是利用正立放大虚像的光学原理，以产生虚像，在第二实施方式当中，同样是具有旋转机构70来控制虚像产生元件68的旋转角度，使虚像产生元件68得以改变虚像的投影角度将每一像素投影至透视平面镜28以分别对应接收虚像并反射成一大面积虚像，其中旋转机构70具有致动机组72及动力机组74，致动机组72可为齿轮76、齿条78或其组合，而动力机组74为步进马达，旋转机构70同样至少以周期＝1/60的设定方式将虚像产生元件68快速偏摆，其人眼视觉暂留原理同于第一实施方式所述，故不再赘述。在本发明所揭示的第二实施方式里，同样是以至少二输入影像做为举例说明，因此同样是以具有二光路以呈现左半部58、右半部60或是以上半部62、下半部64的虚像反射至聚视范围56内，其实施原理同于第一实施方式且明确，亦不再赘述。

虽然，本发明前述的实施例揭露如上，然其并非用以限订本发明。在不脱离本发明的精神和范围内所为的更动与润饰，均属于本发明专利范围的主张。关于本发明所界定的专利范围请参考所附的申请专利范围。

Claims (10)

1.一种抬头显示装置，其特征在于，包括：

一显像单元，可产生一或多个输入影像；

至少一虚像产生元件，该虚像产生元件可接收该输入影像并产生至少一虚像；

一旋转机构，可控制该虚像产生元件的旋转角度，使该虚像产生元件改变该虚像投影角度；以及

多个透视平面镜，以分别对应接收该虚像并反射成一大面积虚像。

2.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，该虚像产生元件为多个时，可排列成矩阵阵列以组成一数字微镜元件，且每一该输入影像具有多个像素，每一该虚像产生元件可对应至少一该像素，该旋转机构具有至少二偏摆状态，该透视平面镜是与该偏摆状态的数量相等。

3.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，更包括一光源产生元件，该光源产生元件可产生一光源，其中该显像单元是为数字微镜元件且具有多个微镜，并由该微镜组成一矩阵阵列，该显像单元可得到该光源以产生该输入影像，其中每一该输入影像具有多个像素，每一该微镜分别对应每一该像素，且该微镜是与该像素的数量相等。

4.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，该旋转机构更包括一致动机组及一动力机组，该动力机组可产生动力以带动该致动机组，致使该致动机组可控制该虚像产生元件，其中该动力机组为步进马达或微马达。

5.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，该显像单元为液晶显示器或数字光处理投影器。

6.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，具有一聚视范围，该透视平面镜可反射该大面积虚像至该聚视范围内。

7.根据权利要求1所述的设有抬头显示装置，其特征在于，更包括至少一摄像单元及至少一处理单元，该处理单元电性连接该摄像单元及该显像单元，该摄像单元可撷取读取一外部讯号，该处理单元接收该摄像单元的该外部讯号并进行处理该外部讯号及一载具讯号成一影像讯号，该处理单元传送该影像讯号至该显像单元，使该显像单元产生该输入影像。

8.根据权利要求7所述的抬头显示装置，其特征在于，该外部讯号为车道线、水平线或障碍物轮廓；该载具讯号为载具工作温度、转速、时速、导引资讯、胎压、换挡提示、转向、倒车提示、障碍物警示、飞行高度、飞行速度、航向、垂直速率变化、载具倾斜角度、风向资讯、载具行进或怠速的讯号。

9.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，该虚像产生元件为凹面镜、凸透镜或其组合。

10.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于，该透视平面镜为高反射率光学薄膜的平板片，其穿透率为70％～75％，反射率为30％～25％，该透视平面镜具有可调性，用于进行调整适当的显示角度。

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