CN207216150U - 抬头显示器与运输工具 - Google Patents

Abstract

抬头显示器包括一影像源、一第一面镜以及一透明屏幕。影像源是用于投射一影像光线，而第一面镜是用于反射该影像光线，且第一面镜具有第一自由曲面反射面。由第一面镜反射的影像光线会行进至透明屏幕，再经由透明屏幕反射至使用者的眼睛可视范围而形成一感知影像，且透明屏幕包含一自由曲面表面。

Description

抬头显示器与运输工具

技术领域

本实用新型是关于一种抬头显示器与包含该抬头显示器的运输工具，尤其关于一种具有较远成像距离的抬头显示器与包含该抬头显示器的运输工具。

背景技术

抬头显示器(head-up display，HUD)已应用于车辆中，可用来将车速、油量、导航资讯等内容显示在驾驶者眼睛前方的可视范围内，使得驾驶者可以不需低头便能同时看到显示器的投射画面与车辆前方的状况。一般而言，影像源投射的影像光线经由至少一反射面进入使用者的眼睛可视范围。然而，已知抬头显示器的系统焦距较短且成像距离短，容易造成使用者对焦不易而产生疲累感。并且，已知抬头显示器的机构设计会导致像差、光路径较长等缺点，因而影响显示品质以及具有无法缩小机构等问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的之一在于提供一种抬头显示器及具有此抬头显示器的运输工具，其中抬头显示器能够修正像差并且具有较远的成像距离。

为达上述目的，本实用新型的一实施例提供一种抬头显示器，其包括一影像源、一第一面镜以及一透明屏幕。其中，影像源用于投射影像光线，第一面镜用于反射影像光线。并且，该第一面镜具有一第一自由曲面反射面且该第一自由曲面反射面的曲率是由下式所定义：

z＝c₁x+c₂y+c₃x²+c₄xy+c₅y²+c₆x³+c₇x²y+c₈xy²+c₉y³+c₁₀x⁴+c₁₁x³y+c₁₂x²y²+c₁₃xy³+c₁₄y⁴

………………………(式1)

其中，系数c₁为x轴梯形变形量，系数c₂为y轴梯形变形量，系数c₃及系数c₅为曲面放大倍率，且系数c₄为曲面四角比例，并且系数c₁为-2至2，系数c₂为-2至2，系数c₃为1.0E-3至2.0E-3，系数c₄为1.0E-4至2.0E-4，且系数c₅为0.5E-3至1.5E-3。此外，由第一面镜反射的影像光线会行进至透明屏幕，再经由透明屏幕反射到使用者的眼睛可视范围而形成感知影像，且透明屏幕包含自由曲面表面。

附图说明

图1为本实用新型第一实施例的抬头显示器与运输工具的示意图；

图2为本实用新型第二实施例的抬头显示器与运输工具的示意图；

图3为本实用新型第三实施例的抬头显示器与运输工具的示意图。

其中，附图标记说明如下：

100-抬头显示器；102-影像源；104-透明屏幕；106-第一面镜；108-第二面镜；200-可视范围；300-影像光线；302-虚像；400-运输工具；X-第一方向；Y-第二方向。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例而对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

请参考图1，图1为本实用新型第一实施例的抬头显示器与运输工具的示意图。本实用新型抬头显示器100可应用并装设于一运输工具400中，其中本实施例的运输工具400举例为汽车，抬头显示器100可应用于任何需要在使用者前方显示影像的设备中，且不限制抬头显示器100的装设位置。根据本实施例，抬头显示器100包括一影像源102、一透明屏幕104以及一第一面镜106。其中，影像源102用来显示一影像画面并投射影像光线300。影像源102可例如是(但不限于)液晶(liquid crystal)投影机、数字光学处理(digital lightprocessing，DLP)投影机等能够显示影像画面的装置或其他适合的影像显示器。影像源102与第一面镜106相对设置，且两者均设置在透明屏幕104的一侧，本实施例的透明屏幕104举例为汽车的挡风玻璃。第一面镜106和透明屏幕104均设置在影像源102所射出的影像光线300的行进路径上，且影像光线300的行进路径依次且按顺序经过第一面镜106、透明屏幕104和使用者的眼睛可视范围200，其中本实施例的可视范围200举例为汽车驾驶者的眼睛或操纵位置。详细而言，影像源102所投射出的影像光线300首先经由第一面镜106反射至透明屏幕104，而透明屏幕104会再将影像光线300进一步反射至使用者的眼睛可视范围200以形成一感知影像，也即虚像302。其中，透明屏幕104为自由曲面表面且第一面镜106也为第一自由曲面反射面。并且，第一自由曲面反射面的曲率由下式所定义：

z＝c₁x+c₂y+c₃x²+c₄xy+c₅y²+c₆x³+c₇x²y+c₈xy²+c₉y³+c₁₀x⁴+c₁₁x³y+c₁₂x²y²+c₁₃xy³+c₁₄y⁴

………………………(式1)

其中x及y为曲面的变量，系数c₁为x轴梯形变形量，系数c₂为y轴梯形变形量，系数c₃及系数c₅为曲面放大倍率，且系数c₄为曲面四角比例。根据本实用新型，公式一中的系数c₁为-2至2，系数c₂为-2至2，系数c₃为1.0E-3至2.0E-3，系数c₄为1.0E-4至2.0E-4，且系数c₅为0.5E-3至1.5E-3。此外，在某些实施例中，公式一的其他系数进一步具有以下范围：系数c₆为-2E-7至-6E-7，c₇为4E-7至9E-7，c₈为-1E-7至-5E-7，c₉为3E-7至8E-7，c₁₀为1.0E-9至5.0E-9，c₁₁为1.0E-11至5.0E-11，c₁₂为1.0E-9至5E-9，c₁₃为-0.5E-10至-4.5E-10，c₁₄为-1.0E-9至-5.0E-9。其中，系数c₃和系数c₅可调整曲面放大倍率，系数c₄可调整曲面四角比例而其余高次项为更细致的曲面调整。并且，第一自由曲面反射面公式一的系数是根据透明屏幕104的自由曲面表面做调整设计，针对不同透明屏幕104的自由曲面曲率，可以自由调控公式一中的各项系数值，以此达到减少像差的目的。

通过上述第一面镜106的特定第一自由曲面反射面设计，可以配合透明屏幕104提供适当的光路径距离与控制影像的缩放，增加系统焦距的距离以及成像距离，同时增加影像面积并缩短光路径，通过缩小整体机构，节省使用空间并且减少影像像差。举例而言，本实施例系统中使用的第一面镜106可以根据影像光线300在一第一方向X上和一第二方向Y具有不同的放大或缩小倍率，或是依此分别具有不同的曲率，其中第一方向X不平行于第二方向Y。在本实施例中，第一方向X代表显示影像的横向方向，而第二方向Y代表显示影像的纵向方向，但不以此为限。因此，使用者可以看到距离较远的虚像302，有较佳的观看效果与品质。

请参考图2，图2为本实用新型第二实施例的抬头显示器与运输工具的示意图。类似于图1的设置，抬头显示器100包括影像源102、透明屏幕104以及第一面镜106，并且还包括一第二面镜108，且该第二面镜108包括自由曲面镜、球面镜或非球面镜。其中，影像源102设置在第一面镜106和第二面镜108之间。本实施例影像源102所投射出的影像光线300会先入射至第二面镜108再反射至第一面镜106，接着被第一面镜106反射至透明屏幕104，再由透明屏幕104将影像光线300进一步反射至使用者的眼睛可视范围200而形成感知影像，也即虚像302。类似于本实用新型第一实施例，本实施例的第一面镜106为第一自由曲面反射面，并且，第一自由曲面反射面由前述公式一所定义，公式一中各常数或参数的数值可参考第一实施例，不再赘述。当第二面镜108为自由曲面镜时，定义其具有一第二自由曲面反射面，且第二自由曲面反射面也可由类似公式一的自由曲面公式所定义，其中该自由曲面公式中各常数与参数可根据第一面镜106的第一自由曲面反射面以及透明屏幕104的自由曲面表面做调整设计及选择，以达到减少像差的目的。在本实施例的变化实施例中，第二面镜108还可为球面镜或非球面镜，例如为平面镜，并根据第一面镜106的第一自由曲面反射面以及透明屏幕104的自由曲面表面做调整设计。

此外，本实施例中的第一面镜106的第一自由曲面反射面以及第二面镜108的反射面可为单一轴向的形式建构曲面，或是以单一轴向为主要弯曲的曲面设计。举例而言，本实施例系统中使用的两片面镜可以根据影像光线300在一第一方向X上和一第二方向Y上具有不同的放大或缩小倍率，或是依此分别具有不同的曲率，其中第一方向X不平行于第二方向Y。例如，第一面镜106可调整影像光线300在第二方向Y上的成像的缩小或放大倍率，第二面镜108可调整影像光线300在第一方向X上的成像的缩小或放大倍率，但不以此为限。通过将单一轴向曲面镜的第一面镜106和第二面镜108组合，并调整两者的相对位置，可构建出双向放大倍率的系统。另一方面，也可在上述设计下，使第一面镜106和第二面镜108均具有自由曲面反射面，并通过第一面镜106和第二面镜108进一步分别修正影像在第二方向Y与第一方向X上的像差。在本实施例中，第一方向X垂直于第二方向Y，且第一方向X举例为虚像302的横向方向，而第二方向Y为虚像302的纵向方向，但不以此为限，在其他实施例中，第一方向X与第二方向Y可以分别为虚像302的纵向与横向方向。举例而言，本实施例的第二面镜106可为具有自由曲面反射面的凸面镜，可对影像光线300先进行第一方向X的第一次像差修正，将成像的距离拉远，再将影像光线300投射到第一面镜108进行第二方向Y的第二次像差修正，以利用两面距离较近的面镜产生成像距离较远的虚像302，通过调整使用者观看时的视线焦距，以使虚像302融入在挡风玻璃后的背景中。

由上述可知，本实施例可使第一面镜106的第一自由曲面反射面和第二面镜108的反射面是单一轴向的曲面，或是以单一轴向为主要弯曲方向，分别对影像光线300进行不同样的缩放，因此在设计上能够增加曲面的曲率，以此缩短光路径，并且在设计上更佳单纯，具有易于设计和制造的优点。

请参考图3，图3为本实用新型第三实施例的抬头显示器与运输工具的示意图。本实施例与第二实施例的差异点在于，在影像光线300的行进路径上，第一面镜106与第二面镜108的设置位置对调，也即影像源102所投射出的影像光线300会先入射至第一面镜106再反射至第二面镜108，接着由第二面镜108将影像光线300反射至透明屏幕104，然后经透明屏幕104进一步反射至使用者的眼睛可视范围200而形成虚像302。

综上所述，本实用新型利用至少一自由曲面镜设置于抬头显示器中，使其配合透明屏幕而调整适当的曲率，以调整系统焦距与成像距离。由于自由曲面为不规则曲率的表面，本实用新型提供了自由曲面镜的曲率计算公式，使其能够针对所对应的透明屏幕的自由曲面的曲率变化作调整设计，以达到减少影像像差的目的，同时增加影像面积并缩短光路径，通过缩小整体机构，节省使用空间并且减少影像像差。再者，本实用新型的抬头显示器可使用两面曲率不同的曲面镜以提供更大的放大倍率，其中此两曲面镜可分别调整影像不同方向的放大倍率，由于单一曲面镜只需要调整一个方向上的成像放大倍率，因此可不受限于同时调整两个方向上的放大倍率，在设计上能够增加曲率，通过降低设计面镜与制造的难度，并进一步降低制造成本。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种抬头显示器，其包括：

一影像源，用于投射一影像光线；

一第一面镜，用于反射该影像光线，其中该第一面镜具有一第一自由曲面反射面，该第一自由曲面反射面的曲率是由下式所定义：

Z＝c₁x+c₂y+c₃x²+c₄xy+c₅y²+c₆x³+c₇x²y+c₈xy²+c₉y³

+c₁₀x⁴+c₁₁x³y+c₁₂x²y²+c₁₃xy³+c₁₄y⁴

………………………(式1)

其中，系数c₁为x轴梯形变形量，系数c₂为y轴梯形变形量，系数c₃及系数c₅为曲面放大倍率，且系数c₄为曲面四角比例，并且系数c₁为-2至2，系数c₂为-2至2，系数c₃为1.0E-3至2.0E-3，系数c₄为1.0E-4至2.0E-4，且系数c₅为0.5E-3至1.5E-3；以及

一透明屏幕，由该第一面镜反射的该影像光线会行进至该透明屏幕，再经由该透明屏幕反射到使用者的眼睛可视范围而形成一感知影像，且该透明屏幕包含一自由曲面表面。

2.如权利要求1所述的抬头显示器，其中所述自由曲面反射面的公式一的系数c₆为-2E-7至-6E-7，c₇为4E-7至9E-7，c₈为-1E-7至-5E-7，c₉为3E-7至8E-7，c₁₀为1.0E-9至5.0E-9，c₁₁为1.0E-11至5.0E-11，c₁₂为1.0E-9至5E-9，c₁₃为-0.5E-10至-4.5E-10，c₁₄为-1.0E-9至-5.0E-9。

3.如权利要求1所述的抬头显示器，其中该抬头显示器还包括一第二面镜，且该第二面镜包括自由曲面镜、球面镜或非球面镜，所述影像光线会先入射至该第二面镜再被反射至所述第一面镜，或者该影像光线会先入射至该第一面镜再被反射至该第二面镜。

4.如权利要求3所述的抬头显示器，其中所述第二面镜具有一第二自由曲面反射面。

5.如权利要求3所述的抬头显示器，其中所述第一面镜及所述第二面镜分别在一第一方向上以及一第二方向上对该影像光线调整放大倍率或调整缩小倍率或进行像差修正，且该第一方向不平行于该第二方向。

6.如权利要求5所述的抬头显示器，其中所述第一方向垂直于所述第二方向。

7.如权利要求3所述的抬头显示器，其中所述影像源位于所述第一面镜与所述第二面镜之间。

8.如权利要求1所述的抬头显示器，其中所述透明屏幕为一运输工具的挡风玻璃。

9.一种运输工具，其包括如权利要求1所述的抬头显示器，且所述透明屏幕为所述运输工具的挡风玻璃。