CN109752847A - 光学投影系统及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学投影系统及其装置，主要结构包括一外壳体、至少一结合部、及一设于该外壳体内的光学投影系统，该光学投影系统则包括一成像单元、一反射镜、一反射曲面镜及至少一光学透镜。成像单元投射的预定影像经过反射镜的反射后打在反射曲面镜，以调整成像路径及减少像差，路径中更以光学透镜放大该预定影像，使该预定影像通过一挡风玻璃反射至使用者眼睛，而于该挡风玻璃外折射形成该预定影像的虚像，借此在较小的空间内，以简单的结构实现三角成像原理，并扩大成像范围、减少像差问题，且可通过外壳体简单组设于仪表板外。

Description

光学投影系统及其装置

技术领域

本发明涉及一种光学投影系统及其装置。

背景技术

抬头显示器(Head Up Display，HUD)可让使用者在观看前方景物的同时，以相同视角检视抬头显示器所投射出的虚像信息，而不必低头观看仪表板，此便利性及所带来的安全性，即为汽车抬头显示器渐渐成为近代潮流的一大关键。

请参阅图1所示，为习知抬头显示器的实施示意图。抬头显示器包含有一盒体91，盒体91内具有一可将影像信息射出的显像装置92，并经过至少二道光学面镜93、94，将影像信息射向驾驶人前方的汽车挡风玻璃95，使该影像信息的虚像能经反射后呈现，而被驾驶人的眼睛所看见。其中，抬头显示器的盒体91要把二维的影像以一定的视场角(F.O.V)投射出去，就必需具有一定的体积，才可以借由二光学面镜93、94将二维的影像射向挡风玻璃95，而要将此盒体91组设在汽车驾驶座前方有限的空间里，若不想牺牲汽车前景，即需在汽车出厂前结合于仪表板内的空间中，且因光路是垂直的，盒体91体积较厚，导致其组设上变得十分困难。

然而欲缩小抬头显示器的体积或将整体薄型化，就会面临三个光学设计上的问题：虚像放大、视角与像差。使用微投影机或液晶显示器(LCD)当作显示装置时，为实现远距虚像式抬头显示器，还必须配合后端的虚像放大光学系统(Relay Optics)，但是，虚像放大系统的设计不易，无法用精简的光学架构有效消除大视角的像差(Aberration)，而视角范围小会导致显示信息少，限制了抬头显示器的应用功效；此外，由于挡风玻璃为不规则曲面，会造成反射至眼睛时，影像的变形与像差，而欲消除影像的变形与像差是非常困难的，面镜必须是大面积的非球面镜面(Aspherical Surface)，或需再增设其它透镜用来解决像差问题，如此则会增加零组件的制作成本，提高生产组装的难度。也因此，目前在汽车上装设抬头显示器的普及率一直无法提升。

所以，要如何解决上述习用的问题与缺失，并达到放大虚像并解决因挡风玻璃造成的影像变形与像差，以提升整体的影响质量，即为本发明的发明人与从事此行业的相关厂商所亟欲研究改善的方向所在。

故，本发明的发明人有鉴于上述缺失，乃搜集相关资料，经由多方评估及考虑，并以从事于此行业累积的多年经验，经由不断试作及修改，始设计出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种将结构简单、体积较小、可远距离虚拟成像、像差较小的抬头显示技术，结合于拆卸式外壳体中，使抬头显示器具有后装市场的便利性的光学投影系统及其装置。

基于此，本发明主要采用下列技术手段，来实现上述目的。

一种光学投影系统，包括：一成像单元，所述成像单元投射至少一预定影像；一设于该成像单元一侧的反射镜，所述反射镜接收及反射该预定影像；一设于该成像单元一侧且位于该反射镜的反射路径上的反射曲面镜，所述反射曲面镜调整成像路径及减少虚像像差，并将该预定影像投射至挡风玻璃上，进而反射至使用者眼睛，而使预定影像的虚像于挡风玻璃外侧处成像；及至少一设于该成像路径上的光学透镜，所述光学透镜放大该预定影像。

进一步，该光学透镜为菲涅尔透镜(Fresnel lens)。

进一步，该光学透镜上具有一防护层。

进一步，该反射曲面镜包含多种曲率，且这些曲率是由一数学方程式定义而成。

进一步，该成像单元及该反射镜间设有一第一夹角，该反射镜及该反射曲面镜间设有一第二夹角，而该成像单元及该反射曲面镜间设有一第三夹角，且该第一夹角为15度至70度，该第二夹角为30度至90度，并该第三夹角为75度至140度。

进一步，该第一夹角为30度至40度，该第二夹角为50度至60度，且该第三夹角为95度至105度。

进一步，该成像单元、该反射镜及该反射曲面镜位于同一水平面，以使该成像路径仅由该反射曲面镜获得垂直方向的分量。

一种光学投影装置，包括：一外壳体；至少一设于该外壳体一侧的结合部，该外壳体通过所述结合部可拆卸的设置于一仪表板外侧；一设于该外壳体上的成像单元，所述成像单元投射至少一预定影像；一设于该外壳体内且位于该成像单元一侧的反射镜，所述反射镜接收及反射该预定影像；一设于该外壳体内且位于该反射镜的反射路径上的反射曲面镜，所述反射曲面镜调整成像路径及减少虚像像差，并将该预定影像投射至挡风玻璃上，进而反射至使用者眼睛，而使预定影像的虚像于挡风玻璃外侧处成像；及至少一设于外壳体上且位于该成像路径上的光学透镜，所述光学透镜放大该预定影像。

较佳的，该外壳体内具有一电性连接该成像单元的无线连结模组，所述无线连结模组接收该预定影像并传递给该成像单元。

较佳的，该外壳体上设有至少一供改变该成像路径投射出该外壳体的角度的角度调节装置。

采用上述技术手段后，本发明光学投影系统及其装置利用反射镜、反射曲面镜及光学透镜的组合，以三角成像技术达成远距离虚拟成像，而有效缩小镜片的必要体积，将光学投影系统结合于外壳体内，而赋予其可简单、快速结合于仪表板外的后装便利性，当使用者将本发明做为抬头显示器使用时，由该成像单元投射出预定影像，使其经过反射镜的反射后打在反射曲面镜，以调整成像路径及校正像差，路径中更以光学透镜放大该预定影像，使该预定影像通过一挡风玻璃反射至使用者眼睛，而于该挡风玻璃外折射形成该预定影像之虚像，借此在较小的空间内，以简单的结构实现三角成像原理，并扩大成像范围、减少像差问题，且可通过外壳体简单组设于仪表板外，使本发明具有后装市场的便利性及发展性。

借由上述技术，可针对习用抬头显示器所存在的体积太大、成像视角范围较小、容易出现影像像差、结构设计复杂及与车辆组设的便利性不足等问题点加以突破，达到上述优点。

附图说明

图1为习知抬头显示器的实施示意图

图2为本发明较佳实施例的镜面位置关系图。

图3为本发明较佳实施例的成像路径示意图。

图4为本发明再一较佳实施例的立体透视图。

图5为本发明再一较佳实施例的组装示意图。

图6为本发明再一较佳实施例的实施示意图。

图7为本发明又一较佳实施例的结构示意图。

图8为本发明另一较佳实施例的结构示意图。

【符号说明】

[本发明符号说明]

成像单元1、1a、1c 无线连结模组11a

预定影像12、12a 反射镜2、2a、2c

反射曲面镜3、3a、3c 光学透镜4、4a

防护层41a 外壳体5a、5b、5c

结合部51a 角度调节装置6b、6c

驱动元件61c 记忆单元62c

操作模组63c 挡风玻璃7、7a

电子装置8a 第一夹角α

第二夹角β 第三夹角γ

[习知符号说明]

盒体91 显像装置92

面镜93 面镜94

挡风玻璃95。

具体实施方式

为达成上述目的及功效，本发明所采用的技术手段及构造，兹绘图就本发明较佳实施例详加说明其特征与功能如下，以利完全了解。

请参阅图2及图3所示，为本发明较佳实施例的镜面位置关系图及成像路径示意图，由图中可清楚看出本发明的光学投影系统包括：

一成像单元1，供投射至少一预定影像12；

一设于该成像单元1一侧的反射镜2，供接收及反射该预定影像12；

一设于该成像单元1一侧且位于该反射镜2的反射路径上的反射曲面镜3，供调整成像路径及减少虚像像差，并将该预定影像12投射至挡风玻璃7上，进而反射至使用者眼睛，而使预定影像12的虚像于挡风玻璃7外侧处成像，且该反射曲面镜3包含多种曲率，且这些曲率由一数学方程式定义而成；及

至少一设于成像路径上的光学透镜4，供放大该预定影像12，且该光学透镜4为菲涅尔透镜(Fresnel lens)。

其中该成像单元1及该反射镜2间设有一第一夹角α，该反射镜2及该反射曲面镜3间设有一第二夹角β，而该成像单元1及该反射曲面镜3间设有一第三夹角γ，且该第一夹角α为15度至70度，该第二夹角β为30度至90度，并该第三夹角γ为75度至140度，且该第一夹角α的最佳值为30度至40度，该第二夹角β的最佳值为50度至60度，而该第三夹角γ的最佳值为95度至105度。

借由上述构件组构时，由图中可清楚看出，本发明的光学投影系统主要由成像单元1、反射镜2(平面镜或凸面镜)、反射曲面镜3、光学透镜4(较佳为菲涅尔透镜，亦可为凸透镜或光学透明薄材)等与挡风玻璃7配合作用而产生远距离虚像。其中，该成像单元1、该反射镜2及该反射曲面镜3位于同一水平面，故成像单元1较佳的将预定影像12以平行光侧向投射至该反射镜2上，并利用自由曲率的反射曲面镜3改变反射光线的路径以向上射出(此时成像路径才由该反射曲面镜3获得向上的垂直分量)，同时达到校正像差的目的。其中反射曲面镜3因包含有多种曲率，可配合反射镜2的发散距离及角度进行全面的像差校正，故该反射曲面镜3的曲率为非固定曲率，并乃经由精密的计算统整出一数学方程式，以借该数学方程式制作此种具有特殊曲率设计的反射曲面镜3，该数学方程式则如下所示：

其中

A_i为自然数，i＝1，2，3，…，z为镜面深度(seg)，r为镜面上任一点至光轴的垂直高度，c为镜面中心曲率，k为二次曲面常数值。

而预定影像12除了可在反射曲面镜3处初步放大，更经由反射曲面镜3转向后的成像路径，再经由光学透镜4的放大效果，将该预定影像12投射至挡风玻璃7，以使该预定影像12通过挡风玻璃7反射至使用者眼睛，而于该挡风玻璃7外折射形成该预定影像12的虚像(大约形成于使用者前方两公尺处)。如此一来，即可借由上述结构，配合第一夹角α、第二夹角β与第三夹角γ的配置，而以三角成像技术达成远距离虚拟成像，并因该光学透镜4为菲涅尔透镜，可有效缩小镜片的必要体积，同时克服像差的问题。

再请同时配合参阅图4、图5及图6所示，为本发明再一较佳实施例的立体透视图、组装示意图及实施示意图，由图中可清楚看出，本实施例为将上述光学投影系统设于一外壳体5a中，其中该外壳体5a一侧设有至少一结合部51a，供该外壳体5a可拆卸的设置于一仪表板外侧，而成像单元1a设于该外壳体5a上，反射镜2a及反射曲面镜3a设于外壳体5a内，光学透镜4a则设于该外壳体5a顶面的可视范围内，且因光学透镜4a具有一防护层41a可直接设置于外壳体5a镂空处，而具有保护防尘的功能，同时避免额外设置的透光元件(如塑料、玻璃、压克力等)影响成像效果。另于该外壳体5a内具有一电性连接该成像单元1a的无线连结模组11a，供与一电子装置8a无线连接以接收该预定影像12a并传递给该成像单元1a。借此，因前述光学投影技术可缩小镜片的必要体积(包含镜片本身的尺寸及镜片间的空间位置)，故可确实结合于该外壳体5a中，而配合外壳体5a的结合部51a，即可由使用者简单设置于仪表板外侧，而无需假借专业人士之手，当然也无需在汽车出厂前预先埋设于驾驶座前方，而具有后装市场的便利性。其中该结合部51a可为防滑结构、黏贴结构、或卡固定位结构(延伸固定于仪表板前缘或挡风玻璃7a一侧的出风口)。

又请同时配合参阅图7所示，为本发明又一较佳实施例的结构示意图，由图中可清楚看出，本实施例与上述实施例为大同小异，仅于该外壳体5b上设有至少一角度调节装置6b，供改变该成像路径投射出该外壳体5b的角度。其中该角度调节装置6b为万向调节件，可设置于外壳体5b外，供使用者直接手动调整外壳体5b，以适当的调整最后的成像效果。

另请同时配合参阅图8所示，为本发明另一较佳实施例的结构示意图，由图中可清楚看出，本实施例与上述实施例为大同小异，仅令该角度调节装置6c还包含至少一驱动元件61c、一供记录角度参数的记忆单元62c、及一设于该外壳体5c上且电性连接该驱动元件61c及该记忆单元62c的操作模组63c，供选择该角度参数以设定该驱动元件61c。借此，使用者可根据不同车款或不同挡风玻璃的角度，利用角度调节装置6c设定不同的成像角度。实际操作时，则利用外壳体5c上的操作模组63c选择记忆单元62c中预存的角度参数组合，选定后即可通过驱动元件61c自动控制成像单元1c、反射镜2c与反射曲面镜3c的角度位置关系，借以符合各式车款。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，非因此即局限本发明的专利范围，故凡运用本发明说明书及图式内容所为的简易修饰及等效结构变化，均应同理包含于本发明的专利范围内。

综上所述，本发明的光学投影系统及其装置于使用时，确实能达到其功效及目的。

Claims (10)

1.一种光学投影系统，其特征在于，包括：

一成像单元，所述成像单元投射至少一预定影像；

一设于该成像单元一侧的反射镜，所述反射镜接收及反射该预定影像；

一设于该成像单元一侧且位于该反射镜的反射路径上的反射曲面镜，所述反射曲面镜调整成像路径及减少虚像像差，并将该预定影像投射至挡风玻璃上，进而反射至使用者眼睛，而使预定影像的虚像于挡风玻璃外侧处成像；及

至少一设于该成像路径上的光学透镜，所述光学透镜放大该预定影像。

2.如权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于：该光学透镜为菲涅尔透镜。

3.如权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于：该光学透镜上具有一防护层。

4.如权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于：该反射曲面镜包含多种曲率，且这些曲率是由一数学方程式定义而成。

5.如权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于：该成像单元及该反射镜间设有一第一夹角，该反射镜及该反射曲面镜间设有一第二夹角，而该成像单元及该反射曲面镜间设有一第三夹角，且该第一夹角为15度至70度，该第二夹角为30度至90度，并该第三夹角为75度至140度。

6.如权利要求5所述的光学投影系统，其特征在于：该第一夹角为30度至40度，该第二夹角为50度至60度，且该第三夹角为95度至105度。

7.如权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于：该成像单元、该反射镜及该反射曲面镜位于同一水平面，以使该成像路径仅由该反射曲面镜获得垂直方向的分量。

8.一种光学投影装置，其特征在于，包括：

一外壳体；

至少一设于该外壳体一侧的结合部，该外壳体通过所述结合部可拆卸的设置于一仪表板外侧；

一设于该外壳体上的成像单元，所述成像单元投射至少一预定影像；

一设于该外壳体内且位于该成像单元一侧的反射镜，所述反射镜接收及反射该预定影像；

一设于该外壳体内且位于该反射镜的反射路径上的反射曲面镜，所述反射曲面镜调整成像路径及减少虚像像差，并将该预定影像投射至挡风玻璃上，进而反射至使用者眼睛，而使预定影像的虚像于挡风玻璃外侧处成像；及

至少一设于外壳体上且位于该成像路径上的光学透镜，所述光学透镜放大该预定影像。

9.如权利要求8所述的光学投影装置，其特征在于：该外壳体内具有一电性连接该成像单元的无线连结模组，所述无线连结模组接收该预定影像并传递给该成像单元。

10.如权利要求8所述的光学投影装置，其特征在于：该外壳体上设有至少一供改变该成像路径投射出该外壳体的角度的角度调节装置。