CN113960801B - 图像生成单元及其抬头显示器 - Google Patents
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Abstract
本发明系一种图像生成单元及其抬头显示器，图像生成单元包括显示层、导光层及控制单元，导光层系设在显示层的下方，控制单元调控导光层系输出第一发光范围与第二发光范围，使得显示层利用第一发光范围或第二发光范围，而输出第一输出画面或第二输出画面。而抬头显示器则包括图像生成单元、光学组件及外壳，图像生成单元与光学组件系设置在外壳内，光学组件并设在图像生成单元的出光侧，使得第一输出画面或第二输出画面，经由光学组件导引到投影位置，且可分别呈现两个不同视角范围的第一成像画面与第二成像画面。
Description
技术领域
本发明系有关于图像生成单元及抬头显示器，尤其是可以输出不同视角的图像生成单元及其抬头显示器。
背景技术
抬头显示器(亦称平视显示器，英文：Head Up Display，缩写：HUD)最早被应用于军事飞行器上，其主要原理是通过投影的方式将飞行相关信息投射至飞机座舱前方的一片玻璃上，使飞行员保持平视状态时，可在同一视野中兼顾仪表参数和外界目视参照物，从而保证飞行安全。
抬头显示器也被许多汽车厂商导入到汽车内，车用抬头显示器与原先运用在军事飞行器的抬头显示器相仿，也是利用光学反射的原理，将重要的驾驶相关信息投射在挡风玻璃上面，平衡反射进驾驶的眼中，主要的作用就是让让驾驶员不再需要低头去看仪表板、导航，它把行车速度、引擎转速、油耗、油量、车辆各式装置温度(如水箱、引擎等)、导航路线…等相关驾驶讯息数据用投影的方式投射到了汽车的前挡风玻璃上。
随着显示技术的不断提升，使得各家车商或者汽车配件厂商，也发展出不同型态的抬头显示器，最早期抬头显示器为反射型抬头显示器，将相关驾驶信息，直接反射在挡风玻璃上，因为亮度、清晰度等需求，使用反射型抬头显示器需要于挡风玻璃上贴上一片透明的黑色薄膜，但是是影像的呈现范围有限，黑色薄膜也会干扰驾驶视线，其他人也容易看到相关驾驶信息。
近年来，抬头显示器更发展出组合型抬头显示器(Combiner HUD，简称：CHUD)以及挡风玻璃型抬头显示器(Windshield HUD，简称：WHUD)。其中组合型抬头显示器为放置于仪表上方的一块透明树脂板，以透明树脂板作为投影介质反射成像显示出相关驾驶讯息，其架构类似于飞行器的抬头显示器，但是组合型抬头显示器在碰撞后容易发生断裂，而伤害驾驶员或乘客。挡风玻璃型抬头显示器则是直接通过前挡风玻璃作为投影介质来反射成像，有效解决了组合型抬头显示器安全隐患。但由于成像原理，挡风玻璃型抬头显示器直接用于-般的挡风玻璃会产生重迭影像，因此，使用挡风玻璃型抬头显示器的汽车，最好是将前挡风玻璃换成楔形玻璃，用以解决重迭影像的问题，但是楔形玻璃的造价昂贵。此外，还有扩增实境型抬头显示器(Augmented Reality HUD，简称AR HUD)及平面式扩增实境型抬头显示器(Flat Type Augmented Reality HUD)等。
而抬头显示器的投影技术，又可分为液晶投影(LED Projection)、数字投影(DLPProjection)、雷射扫描投影(Laser Scanning Projection)、液晶覆硅投影(Liquidcrystal on silicon，简称LCOS)等，以液晶投影技术而言，请参阅图1所示，抬头显示器主要是由图像生成单元1(Picture Generation Unit，简称：PGU)、光学组件2及外壳3所组成，图像生成单元1与光学组件2设在外壳3内，图像生成单元1输出图像，经由光学组件2将输出图像传送到投影介质30成像。目前光学组件2多使用光学镜片导引图像传送缩短光路(如图2所示)，并用于提供成像系统视角。
但是目前的抬头显示器仅可显示单一可视范围(Field of View，缩写：FOV)，若要达到双可视范围之设计，需在增加导光对象中增加一反射镜，才可进行可视范围切换，而此种作法将会增加抬头显示器的整体体积，因此，如何可以在不增加抬头显示器的整体体积的前提下，抬头显示器可以达成双可视范围之设计，将是亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于先前技术的问题，本发明之目的系提供具有双可视范围之设计的图像生成单元，而且此图像生成单元不增加抬头显示器的整体体积，甚至是在原来的图像生成单元架构下进行部分的结构变动，以达到双可是范围的目的。
根据本发明之一目的，系提供一种图像生成单元，图像生成单元包括显示层及导光层，导光层系设在显示层的下方，导光层系输出第一发光范围与第二发光范围，使得显示层利用第一发光范围或第二发光范围，而输出第一输出画面或第二输出画面。
其中，导光层的一侧面设有复数个第一安装部与复数个第二安装部，且各第一安装部与各第二安装部系交错排列在导光层的一侧面，其中各第一安装部设有第一发光元件，各第二安装部设有第二发光元件，各第一发光元件发出的第一光线经由各第一安装部直接进入导光层，各第二发光元件发出的第二光线经由各第二安装部改变发光角度后进入导光层，导光层分别将各第一光线与各第二光线分别导向不同的角度朝显示层出光，而分别形成第一发光范围或第二发光范围，使得显示层利用第一发光范围或第二发光范围，输出第一输出画面或第二输出画面。
其中，图像生成单元更包括控制单元，控制单元连接各第一发光元件与各第二发光元件，用以控制各第一发光元件与各第二发光元件的开启与关闭，分别发出第一光线或第二光线。
其中，光学组件设有至少两个光学镜片，此些光学镜片系提供缩短第一输出画面到投影位置的光路距离或第二输出画面到与投影位置的光路距离。
其中，各第一安装部系为包覆各第一发光元件于导光层之中，而各第二安装部系为梯形凹槽，使得各第二安装部内的各第二发光元件所发出的第二光线受梯形凹槽作用，而使得第二光线的发光角度小于第一光线的发光角度。
其中，图像生成单元更包括一光学增强层，光学增强层系设在导光层与显示层之间，光学增强层系导引偏折的第一光线与第二光线，使第一光线与第二光线集中朝向显示层出光，提升整体辉度与均匀度，达到增亮的效果。
根据本发明之一目的，系提供一种抬头显示器，包括图像生成单元、光学组件及外壳，其中图像生成单元、光学组件系设置在外壳内，光学组件系设在图像生成单元的出光侧，而图像生成单元之结构如上所述，且图像生成单元输出第一输出画面或第二输出画面，经由光学组件导引到投影位置，且可分别产生两个不同视角范围的第一成像画面与第二成像画面。
综上所述，本发明的第二发光元件在导光层中，系被第二安装部改变发光角度，使得第一发光范围与第二发光范围有不同的视角，而控制单元控制各第一发光元件或各第二发光元件的开启或关闭，切换成输出第一输出画面或第二输出画面，而可在投影位置分别产生不同视角的第一成像画面与第二成像画面，故在不用采用传统增加反射镜来达到多个视角的作法下，达到多个视角的目的，并且不会增加抬头显示器的整体体积。
附图说明
图1为传统抬头显示器的示意图。
图2为本发明之抬头显示器的示意图。
图3为本发明之导光层的外观示意图。
图4为本发明之导光层的俯视示意图。
图5A为本发明之导光层之第一安装部的剖面示意图。
图5B为本发明之导光层之第二安装部的剖面示意图。
图6A为本发明之第一发光元件的发光示意图。
图6B为本发明之第二发光元件经过第二安装部的的发光示意图。
图7为本发明的第一发光范围、第二发光范围与第一输出画面与第二输出画面示意图(省略光学组件)。
1、4：图像生成单元
2、5：光学组件
3、6：外壳
30、60：投影介质
40：显示层
42：导光层
44：控制单元
420：第一安装部
422：第二安装部
424：第一发光元件
426：第二发光元件
7：反射单元
8：光学增强层
LA1：第一发光范围
LA2：第二发光范围
OF1：第一输出画面
OF2：第二输出画面
OS1：第一成像画面
OS2：第一成像画面
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但并不用于限定本发明。
请参阅图2所示，本发明系一种图像生成单元4，图像生成单元4包括显示层40及导光层42，导光层42系设在显示层40的下方，导光层42系输出第一发光范围LA1与第二发光范围LA2，且第一发光范围LA1与第二发光范围LA2的大小不同，显示层40接收第一发光范围LA1或第二发光范围LA2，而输出第一输出画面OF1或第二输出画面OF2(如图7所示)。
以下进一步说明本发明实现第一发光范围LA1与第二发光范围LA2的一实施例，在本实施例中，请参阅图3、4所示，以第一发光范围LA1大于第二发光范围LA2，且第二发光范围LA2落于第一发光范围LA1之内为例，导光层42的一侧面设有复数个第一安装部420与复数个第二安装部422，且各第一安装部420与各第二安装部422系交错排列在导光层42的一侧面，意即任一第一安装部420相邻其中一个第二安装部422。
又，请参阅图5A、6A所示，每一个第一安装部420分别设有一个第一发光元件424，各第一发光元件424发出的第一光线经由对应的第一安装部420进入导光层42，请参阅图5B、6B所示，每一个第二安装部422设有一个第二发光元件426，各第二发光元件426发出的第二光线经由对应第二安装部422后，被改变发光角度后进入导光层42，第一光线与各第二光线在导光层42内进行反射与折射，而分别导向不同的角度朝向显示层40出光，而使得第一发光范围LA1涵盖全部的显示层40，而第二发光范围LA2则是涵盖部分的显示层40，请参阅图7所示，当显示层40于对应第一发光范围LA1的位置进行显示输出时，显示层40接收第一发光范围LA1的第一光线，而输出第一输出画面OF1。当显示层40于对应第二发光范围LA2的位置进行显示输出时，显示层40接收第二发光范围LA2的第二光线，而输出第二输出画面OF2。
为了让第一输出画面OF1与第二输出画面OF2能够在不同的时间输出，也就是当显示层40于对应第一发光范围LA1的位置进行显示输出时，所有的第一发光元件424可以开启，同时关闭全部的第二发光元件426。另外，当显示层40于对应第二发光范围LA2的位置进行显示输出时，所有的第二发光元件426可以开启，同时关闭全部的第一发光元件424。因此，在本发明中，图像生成单元4更包括控制单元44，控制单元44连接各第一发光元件424与各第二发光元件426，使得控制单元44可以控制各第一发光元件424与各第二发光元件426的开启与关闭，而开始或停止输出第一光线或第二光线。
在本发明中，请参阅图5A及图5B所示，显示层40系为液晶面板，控制单元44系可以驱动液晶面板的不同位置进行显示输出。导光层42系为导光板，导光板可由光学级压克力(PMMA)或者聚碳酸酯(Polycarbonate，缩写PC)所制成，且导光板除朝向显示层40的一面及相对第一发光元件424与第二发光元件426的一面外的其余的四面，皆分别设置反射单元7，反射单元7系导引第一发光元件424与第二发光元件426的第一光线与第二光线反射朝向导光板的正面出光，反射单元7系可为反射膜或者是印刷图案扩散点。
在本发明中，使得第一发光元件424与第二发光元件426分别以不同的发光角度进入到导光层42的做法众多，而在此实施例中，系为各第一安装部420系为包覆各第一发光元件424于导光层42之中，而各第二安装部422系为梯形凹槽(如图5B所示)，各第二安装部422内的各第二发光元件426所发出的第二光线受梯形凹槽作用，使得第二光线的发光角度收敛而小于第一光线的发光角度。或者在其他实施例中，各第二安装部422系为半圆形或金字塔型。
再者，各第二安装部422除了以几何形状改变发光角度外，各第二安装部422尚可设置棱镜结构，使得第二发光元件426的第二光线受棱镜结构调整，而令第二光线的发光角度小于第一光线的发光角度。此外，本发明也并未限制第一安装部420只能将第一发光元件424的第一光线直接导引到导光层42内，第一安装部420也可以设计另一棱镜结构，而用以放大或缩小第一发光元件424的发光角度。同样地各第二安装部422也可以利用几何形状或棱镜结构改变第二光线的发光角度大于第一光线的发光角度。意即，第一安装部420与第二安装部422的形状结构，只要令第一发光范围LA1与第二发光范围LA2两者大小不一即可。
在本发明中，请参阅图5A及图5B所示，图像生成单元4更包括一光学增强层8，光学增强层8系设在导光层42与显示层40之间，光学增强层8系导引偏折的第一光线与第二光线，使第一光线与第二光线集中朝向显示层40出光，藉以提升整体辉度与均匀度，达到增亮的效果。
本发明另提供一种抬头显示器，请参阅图2所示，包括前述的图像生成单元4、光学组件5及外壳6，其中图像生成单元4、光学组件5均设置在外壳6内，且光学组件5系设在图像生成单元4的出光侧，图像生成单元4输出第一输出画面OF1或第二输出画面OF2，经由光学组件5导引到投影位置，而可分别产生两个不同视角范围的第一成像画面OS1与第一成像画面OS2。如此，当抬头显示器安装在车辆内部的前挡风玻璃(即为投影介质60)下方的位置时，前挡风玻璃做为投影位置，第一成像画面OS1与第一成像画面OS2系呈现在前挡风玻璃上。
在本发明中，光学组件5设有至少两个光学镜片50、52，此些光学镜片50、52系提供缩短第一输出画面OF1到投影位置的光路距离或第二输出画面OF2到与投影位置的光路距离。进一步而言，其中一个靠近显示层40的光学镜片50系为反射镜，用以将第一输出画面OF1或第二输出画面OF2反射到另一个光学镜片52，而另一个光学镜片52设在靠近投影位置的系可为自由曲面凹面镜(Freeform Concave Mirror)，用以放大第一输出画面OF1或第二输出画面OF2。
综上所述，第一发光元件424经第一安装部420内直接进入导光层42，第二发光元件426在导光层42中，则被第二安装部422收敛发光角度，使得第一发光范围LA1与第二发光范围LA2有不同的视角。再者，由控制单元44控制各第一发光元件424或各第二发光元件426的开启或关闭，切换成输出第一输出画面OF1或第二输出画面OF2，而可在投影位置分别产生不同视角的第一成像画面OS1与第一成像画面OS2，故在不用采用传统增加反射镜来达到多个视角的作法下，达到多个视角的目的，并且不会增加抬头显示器的整体体积。
上列详细说明系针对本发明的可行实施例之具体说明，惟前述的实施例并非用以限制本发明之专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为之等效实施或变更，均应包含于本案之专利范围中。
Claims (9)
1.一种图像生成单元，其特征在于，包括：
导光层，所述导光层输出第一发光范围与第二发光范围；及
显示层，设在所述导光层的上方，所述显示层接收所述第一发光范围，而输出第一输出画面，或者所述显示层接收所述第二发光范围，而输出第二输出画面；
所述导光层的一侧面设有复数个第一安装部与复数个第二安装部，且各所述第一安装部与各所述第二安装部交错排列在所述导光层的一侧面，其中各所述第一安装部分别设有第一发光元件，各所述第二安装部分别设有第二发光元件，各所述第一发光元件发出的第一光线经由各所述第一安装部直接进入所述导光层，各所述第二发光元件发出的第二光线经由各所述第二安装部改变发光角度后进入所述导光层，所述导光层分别将各所述第一光线与各所述第二光线分别导向不同的角度朝所述显示层出光，而分别形成所述第一发光范围或所述第二发光范围。
2.如权利要求1所述的图像生成单元，其特征在于，还包括控制单元，所述控制单元连接各所述第一发光元件与各所述第二发光元件，所述控制单元控制各所述第一发光元件与各所述第二发光元件的开启与关闭，分别发出所述第一光线或所述第二光线。
3.如权利要求1所述的图像生成单元，其特征在于，所述导光板除正面及相对第一发光元件与第二发光元件的一面外的其他各面皆分别设置反射单元，所述反射单元导引第一发光元件与第二发光元件的第一光线与第二光线反射朝向导光板的正面出光。
4.如权利要求1所述的图像生成单元，其特征在于，各所述第一安装部为包覆各第一发光元件于所述导光层之中，而各所述第二安装部为梯形凹槽，使得各所述第二安装部内的各所述第二发光元件所发出的所述第二光线受所述梯形凹槽作用，而使得所述第二光线的发光角度小于所述第一光线的发光角度。
5.如权利要求1所述的图像生成单元，其特征在于，还包括光学增强层，所述光学增强层设在所述导光层与所述显示层之间，所述光学增强层导引偏折的所述第一光线与所述第二光线，使所述第一光线与所述第二光线集中朝向显示层出光。
6.如权利要求1所述的图像生成单元，其特征在于，所述显示层为液晶面板。
7.如权利要求1所述的图像生成单元，其特征在于，所述导光层为导光板。
8.一种抬头显示器，其特征在于，包括：
外壳；
如权利要求1～7任一项的图像生成单元，所述图像生成单元设置在所述外壳内；
光学组件，所述光学组件设置在所述外壳内于所述图像生成单元的出光侧，所述第一输出画面或第二输出画面经由所述光学组件导引到投影位置，且可分别产生两个不同视角范围的所述第一成像画面与所述第二成像画面。
9.如权利要求8所述的抬头显示器，其特征在于，所述光学组件设有至少两个光学镜片，所述光学镜片缩短所述第一输出画面到所述投影位置的光路距离及所述第二输出画面到与所述投影位置的光路距离。
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2021
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