TW201316034A - 多光路抬頭顯像裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種多光路抬頭顯像裝置，包括：至少一顯像單元，可產生至少二輸入影像，以分別對應投射輸入影像至複數中繼透鏡，中繼透鏡調整輸入影像之折射角度後傳遞輸入影像至虛像產生單元，虛像產生單元分別對應產生複數虛像至複數透視平面鏡，透視平面鏡以分別對應反射組成一大面積虛像；依據本發明之技術內容可直接減少透鏡或面鏡之光學元件的尺寸大小，使得多光路顯示裝置得以微型化，更可實施大面積的顯像範圍，使得所需載具資訊畫面與外界景像完全疊合，可有效解決過去使用單一光路顯像裝置，僅能以小面積顯像而無法提供大面積顯示畫面之缺失。

Description

多光路抬頭顯像裝置

本發明係有關一種光學系統架構，特別是有關一種適用於移動式載具之多光路抬頭顯像裝置。

抬頭顯像裝置(Head Up Display，HUD)，是最早實施在航空器上的飛行輔助儀器，可以讓駕駛人不需要低頭就能夠看到儀表上的資訊，以避免注意力中斷以及喪失對狀態意識(Situation Awareness)的掌握，因為使用抬頭顯像裝置不但具有便利性且能夠提高飛行安全，因此可使用在任何一種移動式載具上，不單是民航機可以使用，甚至汽車及船舶也可使用。

然而，在過去習知技藝中的抬頭顯示功能，都只是在駕駛人的視線範圍內提供一些極小的顯示範圍面積的簡單儀表數據資訊，顯示資訊例如載具工作溫度、引擎轉速、時速或是一些小箭頭的導引顯示等等；如今，隨著科技時代的進步，駕駛人可以有更多其他多元的選擇，抬頭顯像裝置還可以顯示胎壓、換擋提示或是轉向、倒車提示、障礙物警示、飛行高度，飛行速度，航向，垂直速率變化，飛機傾斜角度以及風向資訊等任何有關移動式載具行進或怠速等有關移動式載具所須資訊，但是就以目前市面上的任何一種抬頭顯像裝置可知皆是屬於單一光路顯像裝置，想要將這套單一光路顯像裝置與儀錶台做一裝置整合其實並不容易，因為抬頭顯像裝置之所需體積對原已裝滿電線與接頭的儀錶台來說已過大，且依據光學成像原理可知，不論是使用任何透鏡或面鏡，輸入影像、成像面積都和透鏡、面鏡之光學元件尺寸大小是成正比關係，更何況基於投影品質而論，抬頭顯像裝置的光學元件尺寸也不宜再縮小，因此在空間有限的駕駛艙裡想做到大顯像面積可以說是非常難以實施，況且顯示面積範圍過小的顯像資訊也僅能讓駕駛人使用餘光短暫地一瞥儀錶控台，因此駕駛人還是無法立即可以過濾出重要的關鍵資訊，若是駕駛人太過於仔細留意抬頭顯像裝置的關鍵資訊，反而容易分散注意力而讓駕駛人危機四伏。

有鑑於此，本發明係針對上述之問題，提出一種多光路抬頭顯像裝置，不但可具有直接減少透鏡或面鏡之光學元件的尺寸，更具有大面積顯像範圍，係為一種可兼具安全與效率之多功能型的高階多光路抬頭顯像裝置。

本發明之主要目的，係在提供一種多光路抬頭顯像裝置，利用多光路裝置結構將影像進行切割或是以多個顯像單元產生至少二輸入影像再輔以重新匯集顯像之技術手段，可以使本發明直接減少透鏡或面鏡之光學元件的尺寸大小，更具有大面積顯像範圍，多光路顯示裝置所提供之資訊畫面可與外界景象完全疊合或是使資訊畫面對應景像做搭配顯示，可以幫助駕駛人注意所需移動式載具之關鍵資訊，將有效解決過去單一光路顯像裝置僅能以小面積範圍顯示之缺失。

本發明之另一目的，係在提供一種多光路抬頭顯像裝置，以多光路結構產生至少二輸入影像加以匯集顯像，並透過透視平面鏡的可調性可以隨著駕駛的身高與坐姿隨時進行調整適當的顯示角度，相較於過去所採用的單一光路顯像裝置，本發明更能提供駕駛人全神貫注於前方的道路狀況及駕駛上的舒適度。

為達上述之目的，本發明提供一種多光路抬頭顯像裝置，包括：至少一顯像單元，以產生至少二輸入影像；複數中繼透鏡，可調整輸入影像之折射角度，以分別對應接收並傳遞輸入影像；一虛像產生單元，可分別對應接收輸入影像並產生複數虛像；以及複數透視平面鏡，以分別對應接收虛像並反射成一大面積虛像。

底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

本發明係在提供一種多光路抬頭顯像裝置，利用多光路裝置結構可將影像進行切割或是以多個顯像單元產生至少二輸入影像再輔以重新匯集顯像的方式以進行顯示一大面積虛像，利用本發明之技術內容可直接減少透鏡或面鏡之光學元件尺寸大小，更具有大面積顯像範圍，並可透過透視平面鏡的可調性，可以依據駕駛的身高與坐姿進行調整最適當的顯示角度。

關於本發明之實施方式，首先參閱第1圖，以說明本發明之裝置架構方塊圖，如圖所示，本發明之多光路抬頭顯像裝置10可搭配至少一如電荷耦合元件或是互補式金屬-氧化-半導體元件之攝像單元12及搭配使用至少一如中央處理器、微處理器或單片微型電腦之處理單元14，處理單元14電性連接攝像單元12及顯像單元16，攝像單元12可使用單一或多個以進行擷取前方景象如為車道線、水平線或障礙物輪廓等移動式載具之前方影像或是可再使用單一或多個攝像單元12安置在載具周圍可擷取移動式載具之視野死角影像，此攝像單元12所擷取之影像係作為外部訊號，處理單元14則同時進行接收及處理如載具工作溫度、轉速、時速、導引資訊、胎壓、換擋提示、轉向、倒車提示、障礙物警示、飛行高度，飛行速度，航向，垂直速率變化，載具傾斜角度、風向資訊、載具行進或怠速之訊號以作為載具訊號，或是可再利用障礙物輪廓偵測作為障礙物距離警示訊號，處理單元14整合外部訊號、載具訊號及障礙物距離警示訊號成移動式載具所需的關鍵資訊之後，將關鍵資訊加以處理成影像訊號，最後處理單元14可傳送影像訊號至顯像單元16，再由顯像單元16產生至少一輸入影像至光學機構18。

在此說明多光路抬頭顯像裝置之第一實施方式，請參閱第2A圖及第2B圖，以說明本發明之裝置示意圖及本發明之側面示意圖，同時參考第1圖，如圖所示，本發明提出一種多光路抬頭顯像裝置10，可包括：至少二如液晶顯示器或數位光處理投影器之顯像單元16以及至少一光學機構18，顯像單元16可產生至少二以上的輸入影像以進行光路傳送至光學機構18，其中光學機構18可包括：複數中繼透鏡20，中繼透鏡20以分別對應接收輸入影像之入光後，可折射輸入影像之角度，中繼透鏡20加以調整輸入影像之出光角度，使輸入影像傳遞至可為凸透鏡或凹面鏡之虛像產生單元22，在虛像產生單元22分別對應接收至少二以上的輸入影像之後，產生複數個虛像，最後複數透視平面鏡24以分別對應接收複數個虛像之後，以最適當的匯集反射角度匯集成一大面積虛像；由於本發明係利用一個輸入影像搭配一個光路做為實施方式，因此在本發明之第一實施方式當中，是以至少二輸入影像做為舉例說明，則需配有二光路，多光路抬頭顯像裝置10則採用二個中繼透鏡20、一個虛像產生單元22以及兩個透視平面鏡24，因此，在本發明所揭示之技術特徵其輸入影像與光路數量關係係為中繼透鏡20及透視平面鏡24係與輸入影像之數量可為相等，當然多光路抬頭顯像裝置10亦可使用二個輸入影像以上之數量並搭配二個光路以上，例如使用三個輸入影像，多光路抬頭顯像裝置10則採用三個中繼透鏡20、一個虛像產生單元22以及三個透視平面鏡24，此外，安裝在移動式載具的光學機構18可用一套亦可使用多套，實施方法僅須將顯像單元16所投射之輸入影像分別對應投射至多套光學機構18，然而本發明較佳實施例是以列舉一套做為說明，光學機構18及光路之數量僅需依不同需求做出最適當之變化即可，其實施原理皆同於第2A圖及第2B圖所揭示內容，故不再贅述。

參閱第3圖、第4圖、第5圖及第6圖，以說明本發明之虛像產生單元成像示意圖、大面積成像示意圖、凹面鏡光學特性示意圖及弧面鏡成像示意圖，並同時參考第2A圖，如第3圖及第4圖所示，本發明之虛像產生單元22可為凹面鏡26或凸透鏡28，皆是利用正立放大虛像之光學原理，以產生虛像，並以大面積的方式成像至窗外，所產生之虛像至少可搭配實際車道線30並對應至虛像車道線32；如第5圖所示，本發明之凹面鏡26其光學特性，當曲率半徑R為∞時，為凹面鏡26，焦距為∞；當曲率半徑R為100時，為具一弧度之凹面鏡26，其焦距為50。凹面鏡26均可產生虛像，其焦距如式(1)：

f=R/2　(1)

其凹面鏡26曲面也可設定為非球面，可避免光學像差產生，當顯像單元16放置於焦距內，凹面鏡26將呈現一放大之虛像，其放大率如式(2)及式(3)：

1/S+1/S'=1/f　(2)

m=S'/S　(3)

其中式(1)～式(3)R為曲率半徑、S為物距、S’為像距、f為焦距及m為放大率。

如第6圖所示，本發明提供之一種多光路抬頭顯像裝置10，其技術內容若是應用在車輛，則所提供顯示畫面之面積可對應至虛像車道線32，其畫面可至少涵蓋寬4公尺，高1公尺，其中透視平面鏡24係為高反射率光學薄膜之平板片，其穿透率可為70%～75%之間，反射率可為30%～25%之間，並且擺放至擋風玻璃34之窗內，如此一來，駕駛人即可依序透過透視平面鏡24及擋風玻璃34注視著前方虛像，虛像將與前方景像相互重疊或是使虛像對應該前方景像做顯示，當透視平面鏡24與搭配之光路數量多時，則可使透視平面鏡24成為一弧面鏡36，以顯示一大畫面。本發明之第4圖及第6圖是以車輛為載具做為實施方式作說明，故列舉虛像車道線30做為輔助說明，當然其他任何一種移動式載具上如航空器及船舶若欲對應水平線，其實施原理皆相同，故不重複贅述。

參閱第7A圖、第7B圖、第8A圖及第8B圖，以說明光路徑示意圖、第7A圖之局部放大示意圖、個別顯像示意圖及聚視範圍示意圖，並同時參考第2A圖，如第7A圖所示，影像之光路傳送透過顯像單元16、中繼透鏡20、虛像產生單元22及透視平面鏡24利用其擺放位置以呈現本發明之光路徑軌跡，如第7A圖及第8A圖所示，第7B圖則是第7A圖之局部放大示意圖，局部放大之部分即是本發明之多光路抬頭顯像裝置10，其中多光路抬頭顯像裝置10，更包括聚視單元38，聚視單元38則具有一聚視範圍40，透視平面鏡24可反射一大面積虛像至聚視範圍40內，人眼42可在聚視範圍40內觀察到一大面積虛像，如第8A圖所示，本發明是以至少二輸入影像做為舉例說明，因此利用二光路以呈現左右各半部之虛像反射至聚視範圍40內，當各部虛像合併之後如第8B圖所示，可在聚視範圍40內觀視的就是一個大面積虛像顯示。

在此說明多光路抬頭顯像裝置之第二實施方式，請參閱第9A圖及第9B圖，以說明反射鏡分割影像示意圖及影像分割示意圖，如圖所示，本發明之第二實施方式亦可使用單一個顯像單元16來產生一影像，並且依據第一實施方式相同的光學原理搭配複數個反射鏡42以進行分割影像，作為第二實施方式之技術手段，複數個反射鏡42可擺設至顯像單元16與中繼透鏡20之間，使得反射鏡42可分割並反射影像成為至少二或以上的輸入影像，反射鏡42可將輸入影像分別對應反射至中繼透鏡20，複數個反射鏡42將分割後之影像以至少二輸入影像或是二個以上多段輸入影像的方式進行光路傳送至中繼透鏡20，可同樣達到如第一實施方式多光路大面積顯示虛像之目的及功效，第二實施方式在中繼透鏡20後之光路傳送方式與第一實施方式所述相同，故不再重複贅述；如第9B圖所示，第二實施方式亦可將一影像亦以分割影像成為上下左右各四部份以四個多段分割輸入影像的方式以進行光路傳送並反射至中繼透鏡，因此，由上述之技術內容可知當第二實施方式使用更多反射鏡42時，則可將影像分割成更多部份，其實施方式同第9A圖所示，亦不再詳述；參閱第9A圖及第2A圖，如圖所示，在本發明之第二實施方式當中，就如同第一實施方式所述之至少二輸入影像則需搭配至少二光路，因此在第二實施方式所揭示之之技術特徵係為中繼透鏡20、透視平面鏡24及反射鏡42係與輸入影像之數量可為相等，多光路抬頭顯像裝置10當然亦可使用二個輸入影像以上之數量搭配二個光路以上，其原理皆同於第9A圖所揭示內容，故不再贅述。

參閱第10A圖、第10B圖及第10C圖，以說明本發明之可調性透視平面鏡示意圖、平視示意圖及俯視示意圖，本發明所採用之透視平面鏡24具有可調性，駕駛人可依據自己的身高與坐姿隨時進行調整適當的顯示角度，如第10A圖所示，透視平面鏡24可固定在一旋轉機構44上，旋轉機構44則設置在一旋轉致動機構46上，旋轉機構44可供水平軸X順時針及逆時針翻轉，旋轉致動機構46則可供垂直軸Y順時針及逆時針翻轉，如此一來透視平面鏡24即具有可調性，可以隨著駕駛的身高與坐姿隨時進行調整適當的顯示角度，如第10B圖及第10C圖所示，旋轉機構44及旋轉致動機構46可依據人眼位置的不同加以調整透視平面鏡24的最佳顯示角度。

參閱第11A圖、第11B圖、第11C圖、第11D圖、第11E圖及第11F圖，以說明寬4公尺高1公尺影像示意圖、寬2公尺高1公尺影像示意圖、寬1公尺高1公尺影像示意圖、寬4公尺高1公尺影像之凹面鏡尺寸示意圖、寬2公尺高1公尺影像之凹面鏡尺寸示意圖及寬1公尺高1公尺影像之凹面鏡尺寸示意圖，並同時參考第2A圖、第3圖及第9A圖，如圖所示，不論是第一實施方式或第二實施方式，當本發明是以一輸入影像搭配一光路時，虛像產生單元22若是以凹面鏡26欲呈現寬4公尺高1公尺影像，此時凹面鏡26尺寸大小內徑為547.138毫米外徑為557.649毫米，當本發明是以二輸入影像搭配有二光路時，虛像產生單元22若是以凹面鏡26欲呈現寬2公尺高1公尺影像，此時凹面鏡26尺寸大小內徑為299.07毫米外徑為302.65毫米，本發明是以四輸入影像搭配有四光路時，虛像產生單元22若是以凹面鏡26欲若欲呈現寬1公尺高1公尺影像，此時所需光學元件尺寸大小內徑為192.251毫米外徑為199.297毫米，因此由上所述可知，因此本發明不論是採用第一實施方式或是第二實施方式，當多光路抬頭顯像裝置10可以使用更多輸入影像搭配有更多光路或是由反射鏡42進行分割更多部影像時，虛像產生單元22之光學元件尺寸只會變得更小，但仍可具有大面積顯像範圍，因此將可使本發明之多光路抬頭顯像裝置10得以微型化更容易安裝在操控室內，並可透過透視平面鏡24的可調性隨著駕駛的身高與坐姿進行調整適當的顯示角度。

雖然，本發明前述之實施例揭露如上，然其並非用以限訂本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內所為之更動與潤飾，均屬於本發明專利範圍之主張。關於本發明所界定之專利範圍請參考所附之申請專利範圍。

10．．．多光路抬頭顯像裝置

12．．．攝像單元

14．．．處理單元

16．．．顯像單元

18．．．光學機構

20．．．中繼透鏡

22．．．虛像產生單元

24．．．透視平面鏡

26．．．凹面鏡

28．．．凸透鏡

30．．．實際車道線

32．．．虛像車道線

34．．．擋風玻璃

36．．．弧面鏡

38．．．聚視單元

40．．．聚視範圍

42．．．反射鏡

44．．．旋轉機構

46．．．旋轉致動機構

S．．．物距

S’．．．像距

f．．．焦距

m．．．放大率

X．．．水平軸

Y．．．垂直軸

p．．．內徑

d．．．外徑

第1圖係為本發明之裝置架構方塊圖。

第2A圖係為本發明之裝置示意圖。

第2B圖係為本發明之側面示意圖。

第3圖係為本發明之虛像產生單元成像示意圖。

第4圖係為本發明之大面積成像示意圖。

第5圖係為本發明之凹面鏡光學特性示意圖。

第6圖係為本發明之弧面鏡成像示意圖。

第7A圖係為本發明之光路徑示意圖。

第7B圖係為本發明第7A圖之局部放大示意圖。

第8A圖係為本發明之個別顯像示意圖。

第8B圖係為本發明之聚視範圍示意圖。

第9A圖係為本發明之反射鏡分割影像示意圖。

第9B圖係為本發明之影像分割示意圖。

第10A圖係為本發明之可調性透視平面鏡示意圖。

第10B圖係為本發明之平視示意圖。

第10C圖係為本發明之俯視示意圖。

第11A圖係為本發明之寬4公尺高1公尺影像示意圖。

第11B圖係為本發明之寬2公尺高1公尺影像示意圖。

第11C圖係為本發明之寬1公尺高1公尺影像示意圖。

第11D圖係為本發明之寬4公尺高1公尺影像之凹面鏡尺寸示意圖。

第11E係為本發明之圖寬2公尺高1公尺影像之凹面鏡尺寸示意圖。

第11F係為本發明之圖寬1公尺高1公尺影像之凹面鏡尺寸示意圖。

10．．．多光路抬頭顯像裝置

16．．．顯像單元

20．．．中繼透鏡

22．．．虛像產生單元

24．．．透視平面鏡

38．．．聚視單元

Claims (10)

1. 一種多光路抬頭顯像裝置，包括：至少一顯像單元，可產生至少二輸入影像；複數中繼透鏡，可調整該輸入影像之折射角度，以分別對應接收並傳遞該輸入影像；至少一虛像產生單元，可分別對應接收該輸入影像並產生複數虛像；以及複數透視平面鏡，以分別對應接收該虛像並反射成一大面積虛像。
2. 如請求項1所述之多光路抬頭顯像裝置，更包括複數反射鏡，可反射並分割一影像成為該輸入影像，並將該輸入影像分別對應反射該輸入影像至該中繼透鏡；該反射鏡係設於顯像單元與中繼透鏡之間。
3. 如請求項1所述之多光路抬頭顯像裝置，更包括一聚視單元，該聚視單元具有一聚視範圍，該透視平面鏡可反射該大面積虛像至該聚視範圍內。
4. 如請求項1所述之多光路抬頭顯像裝置，更包括至少一攝像單元及至少一處理單元，該處理單元電性連接該攝像單元及該顯像單元，該攝像單元可擷取一外部訊號，該處理單元可接收該攝像單元之該外部訊號並進行處理該外部訊號及一載具訊號成一影像訊號，該處理單元可傳送該影像訊號至該顯像單元，使該顯像單元可產生該輸入影像。
5. 如請求項4所述之多光路抬頭顯像裝置，其中該外部訊號可為車道線、水平線或障礙物輪廓；該載具訊號可為載具工作溫度、轉速、時速、導引資訊、胎壓、換擋提示、轉向、倒車提示、障礙物警示、飛行高度，飛行速度，航向，垂直速率變化，載具傾斜角度、風向資訊、載具行進或怠速之訊號。
6. 如請求項1所述之多光路抬頭顯像裝置，其中該透視平面鏡及該中繼透鏡係與該輸入影像之數量相等。
7. 如請求項2所述之多光路抬頭顯像裝置，其中該透視平面鏡、該中繼透鏡及該反射鏡係與該輸入影像之數量相等。
8. 如請求項1所述之多光路抬頭顯像裝置，其中該顯像單元可為液晶顯示器或數位光處理投影器。
9. 如請求項1所述之多光路抬頭顯像裝置，其中該虛像產生單元可為凹面鏡或凸透鏡。
10. 如請求項1所述之多光路抬頭顯像裝置，其中該透視平面鏡係為高反射率光學薄膜之平板片，其穿透率可為70%～75%，反射率可為30%～25%，該透視平面鏡具有可調性，可進行調整適當的顯示角度。