CN113406795A - 抬头显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抬头显示器，包括一光源模块、一空间光调制器、一成像屏幕组以及一控制单元。光源模块用以投射一光束。空间光调制器用以调制该光束为一第一图像及一第二图像，并投射出第一图像及第二图像的影像光。成像屏幕组用以反射第一图像及第二图像的影像光至使用者的可视范围内，使得使用者看到第一图像及第二图像。控制单元耦接空间光调制器，用以输入至少二调制信号，以控制空间光调制器的分光机制。

Description

抬头显示器
技术领域
本发明是有关于一种具有多工分光机制的抬头显示器，可同时显示不同图像于不同成像位置上。
背景技术
抬头显示器(head-up display，HUD)可用来将行车资料(例如车速、油量、导航信息等内容)显示在驾驶人的眼睛前方的可视范围内，使得驾驶人能同时看到显示器的投射图像与车辆前方的状况。
为了达到三维显示目的，现有的抬头显示器需要数个影像产生模块进行成像，以呈现位于不同成像位置的两个图像，但成本较高，或通过可调焦透镜组调整焦距，进而调整虚像的成像位置，但一次只能呈现单一距离的图像，难以同时呈现位于不同成像位置的两个图像。
发明内容
本发明是有关于一种抬头显示器，利用多工分光机制的空间光调制器，可达到同时显示不同图像于不同成像位置的功效。
根据本发明的一方面，提出一种抬头显示器，包括一光源模块、一空间光调制器、一成像屏幕组以及一控制单元。光源模块用以投射一光束。空间光调制器用以调制光束为一第一图像及一第二图像，并投射出第一图像及第二图像的影像光。成像屏幕组用以反射第一图像及第二图像的影像光至使用者的可视范围内，使得使用者看到第一图像及第二图像。控制单元耦接空间光调制器，用以输入至少二调制信号，以控制空间光调制器的分光机制。
根据本发明的一方面，提出一种抬头显示器，包括一光源模块、一空间光调制器、一成像屏幕组以及一分光元件。光源模块用以投射一光束。空间光调制器用以调制光束为一第一图像及一第二图像，并投射出第一图像及第二图像的影像光。成像屏幕组用以反射第一图像及第二图像的影像光至使用者的可视范围内，使得使用者看到第一图像及第二图像。分光元件设置于空间光调制器与成像屏幕组之间，分光元件用以将光束分为一穿透光束以及一反射光束，穿透光束形成第一图像，反射光束形成第二图像。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合附图详细说明如下。
附图说明
图1绘示依照本发明一实施例的抬头显示器的示意图。
图2绘示依照本发明另一实施例的抬头显示器的示意图。
图3绘示依照本发明又一实施例的抬头显示器的示意图。
图4绘示依照本发明一实施例的空间光调制器通过偏振控制元件进行偏振分光的示意图。
具体实施方式
以下系提出实施例进行详细说明，实施例仅用以作为范例说明，并非用以限缩本发明欲保护的范围。以下是以相同/类似的符号表示相同/类似的元件做说明。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考所附图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
依照本发明的一实施例，提出一种具有多工分光机制的抬头显示器，用于车辆上，以达到二维或三维显示目的。此种抬头显示器仅具有单一个光源模块，利用空间光调制器对单一光束进行多工分光，以达到同时显示不同图像于不同成像位置的功效。因此，此种抬头显示器不需要使用数个影像产生模块进行成像，以节省成本。此外，由于二维影像不含有深度信息，故无法重建三维影像。本发明利用角度多工分光或偏振多工分光机制同时显示不同图像于不同角度及距离的成像位置上，可达到三维显示的目的。
在一实施例中，空间光调制器例如以液晶显示元件、电脑全像片(computer-generated holograms,CGH)等绕射光学元件来调制光束，其中液晶显示元件例如为穿透式液晶或反射式硅基液晶(liquid crystal on silicon,LCoS)空间光调制器，其藉由外加电压控制液晶分子的倾角，能够对入射光束的振幅、相位及两者进行调变，以调整入射光束的偏振态或偏振角度。在一实施例中，控制单元可输入两个电脑全像片于液晶显示元件的各别显示面上，并以适当角度的平行光束入射，此光束经由光学傅立叶转换成像，以在傅立叶平面重建目标图像光场。因此，只要成像屏幕组与两个电脑全像片之间的距离可符合远场绕射条件，即可将两个重建图像分别显示在成像屏幕组上。
在一实施例中，此种具有多工分光机制的抬头显示器，可使第一图像及该第二图像的实像显示在反射屏幕上，以供使用者观看，或是让第一图像及第二图像的虚像显示于透明屏幕(例如挡风玻璃)外的成像位置上，使得驾驶人能同时看到投射的图像与车辆前方的状况，以实现扩充实境。
请参照图1，其绘示依照本发明一实施例的抬头显示器100的示意图。抬头显示器100包括一光源模块110、一空间光调制器120、一成像屏幕组130以及一控制单元140。光源模块110用以投射一光束L。空间光调制器120用以调制光束L为一第一图像及一第二图像，并投射出第一图像及第二图像的影像光R1、R2。成像屏幕组130用以反射第一图像及第二图像的影像光R1、R2至使用者的眼睛E的可视范围内，使得使用者看到第一图像及第二图像或第一图像及第二图像的各别虚像。控制单元140耦接空间光调制器120，用以输入至少二调制信号，以控制空间光调制器120的分光机制。
光源模块110可为光机模块、激光光源或发光二极管(LED)光源，光源模块110可投射一光束L至空间光调制器120，此光束L可为平行光或球面波，此光束L经由空间光调制器120调变为第一图像及第二图像并成像。各别图像的影像光R1、R2再经由空间光调制器120投射至成像屏幕组130，以供使用者观看。
空间光调制器120可为穿透式液晶面板、反射式硅基液晶面板等光学元件。如图1所示，空间光调制器120例如以液晶或硅基液晶面板显示二电脑全像片A1、B1，并对入射的光束L的相位及振幅至少一者进行调变，以进行绕射成像。为了达到角度多工分光，上述的至少二调制信号包括二光栅A2、B2的绕射孔径，分别对应调整第一图像及第二图像至不同角度及距离的成像位置。控制单元140将二光栅A2、B2的绕射孔径(即调制信号)输入至空间光调制器120中，并根据二光栅A2、B2控制重建后的第一图像及第二图像的成像位置，以使第一图像及第二图像的影像光R1、R2分别投射至成像屏幕组130的第一屏幕131及第二屏幕132，以供使用者观看。
成像屏幕组130可为透明屏幕或反射屏幕。如使用反射屏幕，第一图像及第二图像的实像可显示在反射屏幕上。反射屏幕可为平面镜或凹面镜(concave mirror)136。如使用透明屏幕，第一图像及第二图像通过透明屏幕产生虚像，并显示各别虚像于成像位置上。在一实施例中，透明屏幕可为车辆挡风玻璃134或称为结合器(combiner)的分光镜。
请参照图2，其绘示依照本发明另一实施例的抬头显示器101的示意图。抬头显示器101包括一光源模块110、一空间光调制器120、一成像屏幕组130以及一分光元件150。光源模块110用以投射一光束L。空间光调制器120用以调制光束L为一第一图像及一第二图像，并投射出第一图像及第二图像的影像光R1、R2。成像屏幕组130用以反射第一图像及第二图像的影像光R1、R2至使用者的眼睛E的可视范围内，使得使用者看到第一图像及第二图像或第一图像及第二图像的各别虚像。分光元件150设置于空间光调制器120与成像屏幕组130之间，分光元件150用以将光束L分为一穿透光束以及一反射光束，穿透光束形成第一图像，反射光束形成第二图像。
如上述实施例所述，空间光调制器120可为穿透式液晶面板、反射式硅基液晶面板等光学元件。空间光调制器120例如以液晶或硅基液晶面板显示二电脑全像片，并对入射的光束L的相位及振幅至少一者进行调变，以进行绕射成像。与上述实施例不同之处在于，分光元件150用以将光束L分为一穿透光束以及一反射光束。穿透光束可穿过分光元件150而形成第一图像在第一屏幕131上，之后，第一图像的影像光R1再经由分光元件150反射而投射至透明屏幕，以呈现第一图像的虚像VM1于透明屏幕外。反射光束可经过分光元件150反射而形成第二图像在第二屏幕132上，之后，第二图像的影像光R2可穿过分光元件150而投射至透明屏幕，以呈现第二图像的虚像VM2于透明屏幕外。在一实施例中，透明屏幕可为车辆挡风玻璃134或称为结合器(combiner)的分光镜。
此外，抬头显示器101更可包括至少一偏振控制元件151、152，其设置于空间光调制器120与分光元件150之间，偏振控制元件151、152用以改变光束L为正交的二偏振光LP1、LP2。偏振控制元件151、152例如为偏振片或波片153、154。也就是说，正交的二偏振光LP1、LP2经由分光元件150分为一穿透光束以及一反射光束，之后，第一屏幕131上的第一图像及第二屏幕132上的第二图像再经由分光元件150重合，最后投射至透明屏幕。通过上述的偏振多工分光机制，可使空间光调制器120输出的图像于空间中分为两个正交偏振的光场。
此外，抬头显示器101更可包括至少一波片(wave plate)153、154，其设置于分光元件150与成像屏幕组130之间，此波片153、154用以改变二偏振光LP1、LP2的相位延迟(phase retardation)。如图2所示，第一波片153设置于分光元件150与第一屏幕131之间，第二波片154设置于分光元件150与第二屏幕132之间。通过上述的偏振多工分光机制，可使空间光调制器120输出的图像于空间中分为两个正交偏振的光场。
上述的偏振控制元件151、152及波片153、154可同时使用，或者分开使用，且偏振控制元件及波片的数量可为一个或多个，本实施例对此不加以限制。
请参照图3，其绘示依照本发明又一实施例的抬头显示器102的示意图。本实施例的抬头显示器102采用的分光机制与图2的实施例相似，不同之处在于：穿透光束可穿过分光元件150而形成第一图像在第一屏幕131上，第一屏幕131例如为透明屏幕，之后，第一图像再通过第一屏幕131产生虚像VM1，以呈现第一图像的虚像VM1于透明屏幕(例如挡风玻璃134)外。此外，反射光束可经由分光元件150反射至一选配的反射镜133，并形成第二图像在第二屏幕132上，第二屏幕132例如为透明屏幕，之后，第二图像再通过第二屏幕132产生虚像，以呈现第二图像的虚像VM2于透明屏幕(例如挡风玻璃134)外。
如同上述实施例，抬头显示器102更可包括至少一偏振控制元件151、152，其设置于空间光调制器120与分光元件150之间，偏振控制元件151、152用以改变光束L为正交的二偏振光LP1、LP2。此外，抬头显示器100更可包括至少一波片153、154，其设置于分光元件150与成像屏幕组130之间，此波片153、154用以改变二偏振光LP1、LP2的相位延迟。
上述的偏振控制元件151、152及波片153、154可同时使用，或者分开使用，且偏振控制元件及波片的数量可为一个或多个，本实施例对此不加以限制。
请参照图4，其绘示依照本发明一实施例的空间光调制器120通过偏振控制元件151、152进行偏振分光的示意图。在一实施例中，空间光调制器120用以显示二电脑全像片A1、B1于各别显示面上。为了达到偏振多工分光，可于空间光调制器120输出二电脑全像片A1、B1时，分别设置不同偏振态的二偏振控制元件151、152于相对应的二电脑全像片A1、B1前方，使入射的光束L通过二偏振控制元件151、152而变为正交的二偏振光LP1、LP2，以利于后续偏振多工的分光。
本发明上述实施例的抬头显示器，可避免现有的抬头显示器需要数个影像产生模块进行成像，或通过可调焦透镜组调整焦距，但一次只能呈现单一距离的图像，难以同时呈现位于不同成像位置的两个图像的问题。此外，上述实施例的抬头显示器利用空间光调制器对单一光束进行多工分光，例如角度多工分光机制或偏振多工分光机制，同时显示不同图像于不同角度及距离的成像位置上，可达到三维显示的目的，也能实现扩充实境。
综上所述，虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种抬头显示器，其特征在于，包括：
一光源模块，用以投射一光束；
一空间光调制器，用以调制该光束为一第一图像及一第二图像，并投射出该第一图像及该第二图像的影像光；
一成像屏幕组，用以反射该第一图像及该第二图像的影像光至使用者的可视范围内，使得该使用者看到该第一图像及该第二图像；以及
一控制单元，耦接该空间光调制器，用以输入至少二调制信号，以控制该空间光调制器的分光机制。
2.如权利要求1所述的抬头显示器，其特征在于，该空间光调制器以液晶或硅基液晶面板之一显示二电脑全像片，并对入射的该光束的相位及振幅至少一者进行调变，以进行绕射成像。
3.如权利要求1所述的抬头显示器，其特征在于，该空间光调制器以角度多工分光机制调制该光束，以使该第一图像及该第二图像成像于不同角度及距离的成像位置。
4.如权利要求3所述的抬头显示器，其特征在于，该至少二调制信号包括二光栅的绕射孔径，分别对应调整该第一图像及第二图像至不同角度及距离的成像位置，该控制单元将该二光栅输入至该空间光调制器中，并根据该二光栅控制重建后的该第一图像及该第二图像的成像位置，以分别投射该第一图像及该第二图像至该成像屏幕组。
5.如权利要求1所述的抬头显示器，其特征在于，该成像屏幕组为透明屏幕或反射屏幕。
6.一种抬头显示器，其特征在于，包括：
一光源模块，用以投射一光束；
一空间光调制器，用以调制该光束为一第一图像及一第二图像，并投射出该第一图像及该第二图像；
一成像屏幕组，用以反射该第一图像及该第二图像至使用者的可视范围内，使得该使用者看到该第一图像及该第二图像；以及
一分光元件，设置于该空间光调制器与该成像屏幕组之间，该分光元件用以将该光束分为一穿透光束以及一反射光束，该穿透光束形成该第一图像，该反射光束形成该第二图像。
7.如权利要求6所述的抬头显示器，其特征在于，该空间光调制器以液晶或硅基液晶面板之一显示二电脑全像片，并对入射的该光束的相位及振幅至少一者进行调变，以进行绕射成像。
8.如权利要求7所述的抬头显示器，其特征在于，该空间光调制器以偏振多工分光机制调制该光束，以使该第一图像及该第二图像成像于正交的二成像位置。
9.如权利要求6所述的抬头显示器，其特征在于，更包括至少一偏振控制元件，设置于该空间光调制器与该分光元件之间，该偏振控制元件用以改变该光束为正交的二偏振光。
10.如权利要求9所述的抬头显示器，其特征在于，更包括至少一波片，设置于该分光元件与该成像屏幕组之间，该波片用以改变该二偏振光的相位延迟。
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