CN103631009A - 影像分割式虚像显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明是揭露一种影像分割式虚像显示装置，包含一显像单元、一折射式元件与一虚像产生模块，其中折射式元件位于显像单元与虚像产生模块之间。首先，显像单元产生至少一影像，此影像再由折射式元件折射的，以切割为多个子影像。最后，此多个子影像的光线由一虚像产生模块反射，以产生一大面积虚像或多个放大虚像。通过影像分割的技术手段，可缩小虚像产生模块的元件体积，并提供各种不同的显示信息。

Description

影像分割式虚像显示装置

技术领域

本发明是有关一种显示装置，特别是关于一种影像分割式虚像显示装置。

背景技术

抬头显像装置（Head Up Display，HUD），是最早实施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不但具有便利性且能够提高飞行安全，并能使用在任何一种移动式载具上，不单是民航机可以使用，甚至汽车及船舶也可使用。

先前技术中或现有产品大多数属于单一光路系统，仅能于固定范围内显示信息，其画面较小，只能提供简易的速度资讯、小箭头的导引系统或是车辆资讯。还有，2012年Audi于美国消费性电子展(CES)发表一大面积显示的抬头显示系统概念雏型，利用三组光机模块投影出三组影像，提供不同的显示信息，以满足不同使用需求，但随着光机模块增加，所需的装置空间及成本亦会随之提高。此外，美国专利US7508356利用反射式架构切割影像来达到两组影像分割的功能，利用四面反射镜进行光路切割，因此其所需的光学元件多，且在体积上亦相当大；综上所述，目前抬头显示系统为达到多组影像显示的功能，因无法减少光学元件数，导致整体装置的体积及空间、成本亦无法有效缩减。

因此，本发明是在针对上述的困扰，提出一种影像分割式虚像显示装置，以解决现有技术所产生的问题。

发明内容

本发明的主要目的，在于提供一种影像分割式虚像显示装置，其是采用折射元件将影像分割的技术，以缩小虚像产生模块的体积并降低成本，且提供各种不同的显示信息。

为达上述目的，本发明提供一种影像分割式虚像显示装置，包含产生至少一影像的一显像单元，此影像由一折射式元件折射的，以切割为多个子影像。此多个子影像的光线再由一虚像产生模块反射，以产生一大面积虚像或多个放大虚像。

其中，所述显像单元更包含：

一背光源；以及

一显示面板，利用所述背光源产生所述至少一影像。

其中，所述显示面板为液晶显示器、硅基液晶显示器或阴极射线管。

其中，所述虚像产生模块更包含：

一中继透镜，接收且传递所述多个子影像的所述光线，并将其汇聚；

一虚像元件，反射从所述中继透镜传递而来的所述多个子影像的所述光线，以放大所述多个子影像；以及

多个透视平面镜，从所述虚像元件分别接收所述子影像后，结合并反射为所述大面积虚像或所述多个放大虚像。

其中，更包含一位调器，所述虚像元件是设于所述位调器上，所述位调器供所述虚像元件调整位移及角度。

其中，所述虚像元件为一凹面镜或一凸透镜，且所述虚像元件的镜面为球面或非球面。

其中，所述中继透镜为单片透镜，或以多片透镜组合而成。

其中，所述虚像元件为大曲率的所述凹面镜时，所述虚像元件离所述中继透镜愈近，所述多个放大虚像彼此之间的距离愈大；所述虚像元件离所述中继透镜愈远，所述多个放大虚像彼此之间的距离愈小；所述虚像元件为小曲率或是无曲率的所述凹面镜时，所述虚像元件离所述中继透镜愈近，所述多个放大虚像彼此之间的距离愈小；所述虚像元件离所述中继透镜愈远，所述多个放大虚像彼此之间的距离愈大。

其中，每一所述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%，且所述多个透视平面镜与所述多个子影像的数量相同。

其中，所述影像包含一外部信号与一载具信号，所述外部信号为车道线、水平线、障碍物轮廓及与前车车距的信号；以及所述载具信号为载具工作温度、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、载具行进或怠速的信号。

本发明的有益效果在于：不但能提供各种不同影像显示信息，更可降低后端光机的体积大小。

兹为使贵审查委员对本发明的结构特征及所达成的功效更有进一步的了解与认识，谨佐以较佳的实施例图及配合详细的说明，说明如后：

附图说明

图1为本发明的装置架构方块图。

图2为本发明的装置立体示意图。

图3为本发明利用棱镜降低虚像产生模块的元件大小的示意图。

图4为本发明的大曲率凹面镜离中继透镜较近的示意图。

图5为本发明的大曲率凹面镜离中继透镜较远的示意图。

图6为本发明的小曲率凹面镜离中继透镜较近的示意图。

图7为本发明的小曲率凹面镜离中继透镜较远的示意图。

图8为本发明的棱镜的光路偏折示意图。

图9为本发明的双光束交会位置与棱镜距离D的示意图。

附图标记说明：10-显像单元；12-折射式元件；13-棱镜；14-虚像产生模块；16-背光源；18-显示面板；20-中继透镜；22-虚像元件；23-凹面镜；24-透视平面镜；26-位调器；28-虚像放大模块。

具体实施方式

本发明可应用于分割多组影像，以下是以分割双影像为实施例进行说明，但并不局限于此；请参阅图1与图2。本发明包含一显像单元10，产生至少一影像，其包含至少一外部信号与至少一载具信号，外部信号为车道线、水平线、障碍物轮廓与前车车距等有关车辆安全的信号或影像；载具信号则为载具工作温度、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、载具行进或怠速的信号。上述影像由一折射式元件12折射的，折射式元件12可为一棱镜13，如两个对称式直角棱镜所组成的双棱镜，利用光路偏折的原理将影像分割为多个子影像。另有一虚像产生模块14，使折射式元件12位于显像单元10与虚像产生模块14之间，虚像产生模块14接收子影像的光线，以产生由两子影像结合的一大面积虚像或两分离的放大虚像。

显像单元10更包含一背光源16与一显示面板18，背光源16可为发光二极体或激光光源，显示面板18可为液晶显示器(LCD)、硅基液晶显示器(LCOS)或阴极射线管(CRT)。显示面板18通过背光源16提供光源以产生上述影像。虚像产生模块14更包含一中继透镜20，传递子影像的光线，并将其汇聚于一虚像元件22的焦点内，以反射并放大由中继透镜20传递而来的子影像的光线，而虚像元件22可为一凹面镜或一凸透镜，本实施例是以凹面镜23为例。为了避免光学像差的产生，中继透镜20可为单片透镜，亦可以多片透镜组合而成，而虚像元件22的镜面可设计为球面或非球面，尤以非球面较佳。虚像元件22接收从中继透镜20传递而来的子影像的光线，以放大子影像并传递此放大的子影像至多个透视平面镜24上，透视平面镜24将放大的子影像分别反射至人眼，以成为大面积虚像或放大虚像，其中透视平面镜24与子影像的数量相同，且每一透视平面镜24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%。虚像元件22是设于一位调器26上，位调器26用以供虚像元件22进行位移及角度调整，而位调器26可以螺杆、齿轮或其它可带动凹面镜22传动的机构实施。

显示单元10的光线经过折射式元件12折射后的光线路径，请参阅图2与图3。若将中继透镜20与凹面镜23整合于一虚像放大模块28中，由图中可知，光线经过折射后，相较于不需要经过折射的光线，仅需要较小的虚像放大模块28即可成像。换言之，本发明利用折射式元件12折射光线，以切割影像，能有效降低虚像产生模块的体积大小及其成本。

请继续参阅图1与图2。首先，显示面板18利用背光源16产生至少一影像，此影像经过折射式元件12折射，成为多个子影像。接着，中继透镜20传递子影像的光线，并将其汇聚于凹面镜23的焦点内，不可位于焦点外，使凹面镜23反射的，以放大子影像。再由多个透视平面镜24从凹面镜23分别接收子影像后，结合并反射为一大面积虚像或多个放大虚像至人眼。

位调器26可以控制凹面镜23相对中继透镜20的距离，通过凹面镜23的位移与角度调整可决定投射影像的位置，而调整的位移及角度极限会受到凹面镜22的曲率，以及棱镜13的角度所影响，因此需考量此因素以进行位置调整。

若凹面镜23为一具有大曲率的元件时，如图4所示，当凹面镜23离中继透镜20愈近，二光束L、M皆入射于凹面镜23的中央处，其反射角度愈小，故光束L、M入射于透视平面镜24上的影像即会分离得愈远;反之，如图5所示，凹面镜23离中继透镜20愈远，光束L、M皆入射于凹面镜23的边缘处，其反射角度愈大，故光束L、M入射于透视平面镜24上的影像分离得愈近，即可成为一大面积虚像。

若凹面镜23为一小曲率或是无曲率的元件，如图6所示，光束L、M入射于凹面镜23的中央及边缘处，其反射角度无太大差异，故当凹面镜23离中继透镜20愈近，所造成的放大虚像彼此之间的距离愈小；如图7所示，当凹面镜23离中继透镜20愈远，所造成的放大虚像彼此之间的距离愈大。

请继续参阅图8与图9，利用棱镜13材质的折射率n与棱镜13顶角A可决定切割后的两子影像的夹角与成像位置，经由适当角度的调整，可有效降低虚像产生模块的体积大小。光经棱镜13的出射角度b如式（1）所示，其中a为光线入射棱镜13的角度：

$b={\sin }^{-1}(\sin A\sqrt{n^2-{\sin }^{2}A}-\cos A\sin A)---\left(1\right)$

光束交会处与棱镜13的距离D如式(2)所示，其中h为出射光与棱镜13中心点的距离，b为光入射棱镜13后的出射角度:

D=h/tan(b)        （2）

如图1、图2与图9所示，若将上述顶角A设定为15度，棱镜13材质为BK7，当光路入射棱镜13时，会以±14.868度出射棱镜13，其中光束汇聚的位置为距离显示面板18右侧95.8毫米(mm)处，将凹面镜23放置于此位置可有效缩小其体积。本发明与传统抬头显示器的单光路架构相比较，凹面镜23的体积可缩小约53.8％。

综上所述，本发明不但能提供各种不同影像显示信息，更可降低后端光机的体积大小。

以上所述者，仅为本发明一较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，故举凡依本发明申请专利范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的申请专利范围内。

Claims (10)

1.一种影像分割式虚像显示装置，其特征在于，包括：

一显像单元，产生至少一影像；

一折射式元件，折射所述影像，以将其切割为多个子影像；以及

一虚像产生模块，接收所述多个子影像的光线，以产生一大面积虚像或多个放大虚像。

2.根据权利要求1所述的影像分割式虚像显示装置，其特征在于，所述显像单元更包含：

一背光源；以及

一显示面板，利用所述背光源产生所述至少一影像。

3.根据权利要求2所述的影像分割式虚像显示装置，其特征在于，所述显示面板为液晶显示器、硅基液晶显示器或阴极射线管。

4.根据权利要求1所述的影像分割式虚像显示装置，其特征在于，所述虚像产生模块更包含：

一中继透镜，接收且传递所述多个子影像的所述光线，并将其汇聚；

一虚像元件，反射从所述中继透镜传递而来的所述多个子影像的所述光线，以放大所述多个子影像；以及

多个透视平面镜，从所述虚像元件分别接收所述子影像后，结合并反射为所述大面积虚像或所述多个放大虚像。

5.根据权利要求4所述的折射式虚像显示装置，其特征在于，更包含一位调器，所述虚像元件是设于所述位调器上，所述位调器供所述虚像元件调整位移及角度。

6.根据权利要求4所述的折射式虚像显示装置，其特征在于，所述虚像元件为一凹面镜或一凸透镜，且所述虚像元件的镜面为球面或非球面。

7.根据权利要求4所述的影像分割式虚像显示装置，其特征在于，所述中继透镜为单片透镜，或以多片透镜组合而成。

8.根据权利要求6所述的影像分割式虚像显示装置，其特征在于，所述虚像元件为大曲率的所述凹面镜时，所述虚像元件离所述中继透镜愈近，所述多个放大虚像彼此之间的距离愈大；所述虚像元件离所述中继透镜愈远，所述多个放大虚像彼此之间的距离愈小；所述虚像元件为小曲率或是无曲率的所述凹面镜时，所述虚像元件离所述中继透镜愈近，所述多个放大虚像彼此之间的距离愈小；所述虚像元件离所述中继透镜愈远，所述多个放大虚像彼此之间的距离愈大。

9.根据权利要求4所述的影像分割式虚像显示装置，其特征在于，每一所述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%，且所述多个透视平面镜与所述多个子影像的数量相同。

10.根据权利要求1所述的影像分割式虚像显示装置，其特征在于，所述影像包含一外部信号与一载具信号，所述外部信号为车道线、水平线、障碍物轮廓及与前车车距的信号；以及所述载具信号为载具工作温度、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、载具行进或怠速的信号。

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