TW201409077A - 影像分割式虛像顯示裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係揭露一種影像分割式虛像顯示裝置，包含一顯像單元、一折射式元件與一虛像產生模組，其中折射式元件位於顯像單元與虛像產生模組之間。首先，顯像單元產生至少一影像，此影像再由折射式元件折射之，以切割為複數子影像。最後，此些子影像之光線由一虛像產生模組反射之，以產生一大面積虛像或複數放大虛像。藉由影像分割之技術手段，可縮小虛像產生模組之元件體積，並提供各種不同的顯示訊息。

Description

影像分割式虛像顯示裝置

本發明係有關一種顯示裝置，特別是關於一種影像分割式虛像顯示裝置。

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，並能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。

先前技術中或現有產品大多數屬於單一光路系統，僅能於固定範圍內顯示訊息，其畫面較小，只能提供簡易的速度資訊、小箭頭的導引系統或是車輛資訊。還有，2012年Audi於美國消費性電子展(CES)發表一大面積顯示的抬頭顯示系統概念雛型，利用三組光機模組投影出三組影像，提供不同之顯示訊息，以滿足不同使用需求，但隨著光機模組增加，所需的裝置空間及成本亦會隨之提高。此外，美國專利US7508356利用反射式架構切割影像來達到兩組影像分割之功能，利用四面反射鏡進行光路切割，因此其所需之光學元件多，且在體積上亦相當大；綜上所述，目前抬頭顯示系統為達到多組影像顯示之功能，因無法減少光學元件數，導致整體裝置之體積及空間、成本亦無法有效縮減。

因此，本發明係在針對上述之困擾，提出一種影像分割式虛像顯示裝置，以解決習知所產生的問題。

本發明之主要目的，在於提供一種影像分割式虛像顯示裝置，其係採用折射元件將影像分割之技術，以縮小虛像產生模組之體積並降低成本，且提供各種不同的顯示訊息。

為達上述目的，本發明提供一種影像分割式虛像顯示裝置，包含產生至少一影像之一顯像單元，此影像由一折射式元件折射之，以切割為複數子影像。此些子影像之光線再由一虛像產生模組反射之，以產生一大面積虛像或複數放大虛像。

茲為使 貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效更有進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例圖及配合詳細之說明，說明如後：

本發明可應用於分割複數組影像，以下係以分割雙影像為實施例進行說明，但並不侷限於此；請參閱第1圖與第2圖。本發明包含一顯像單元10，產生至少一影像，其係包含至少一外部訊號與至少一載具訊號，外部訊號為車道線、水平線、障礙物輪廓與前車車距等有關車輛安全之訊號或影像；載具訊號則為載具工作溫度、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。上述影像由一折射式元件12折射之，折射式元件12可為一稜鏡13，如兩個對稱式直角稜鏡所組成之雙稜鏡，利用光路偏折之原理將影像分割為複數子影像。另有一虛像產生模組14，使折射式元件12位於顯像單元10與虛像產 生模組14之間，虛像產生模組14接收子影像之光線，以產生由兩子影像結合之一大面積虛像或兩分離之放大虛像。

顯像單元10更包含一背光源16與一顯示面板18，背光源16可為發光二極體或雷射光源，顯示面板18可為液晶顯示器(LCD)、矽基液晶顯示器(LCOS)或陰極射線管(CRT)。顯示面板18透過背光源16提供光源以產生上述影像。虛像產生模組14更包含一中繼透鏡20，傳遞子影像之光線，並將其匯聚於一虛像元件22之焦點內，以反射並放大由中繼透鏡20傳遞而來之子影像之光線，而虛像元件22可為一凹面鏡或一凸透鏡，本實施例係以凹面鏡23為例。為了避免光學像差的產生，中繼透鏡20可為單片透鏡，亦可以多片透鏡組合而成，而虛像元件22之鏡面可設計為球面或非球面，尤以非球面較佳。虛像元件22接收從中繼透鏡20傳遞而來之子影像之光線，以放大子影像並傳遞此放大之子影像至複數透視平面鏡24上，透視平面鏡24將放大之子影像分別反射至人眼，以成為大面積虛像或放大虛像，其中透視平面鏡24與子影像之數量相同，且每一透視平面鏡24係為高反射率光學薄膜之平板片，其穿透率為70%~75%，反射率為30%~25%。虛像元件22係設於一位調器26上，位調器26用以供虛像元件22進行位移及角度調整，而位調器26可以螺桿、齒輪或其它可帶動凹面鏡22傳動之機構實施。

顯示單元10之光線經過折射式元件12折射後之光線路徑，請參閱第2圖與第3圖。若將中繼透鏡20與凹面鏡23整合於一虛像放大模組28中，由圖中可知，光線經過折射後，相較於不需要經過折射之光線，僅需要較小的虛像放大模組28即可成像。換言之，本發明利用折射式元件12折射 光線，以切割影像，能有效降低虛像產生模組之體積大小及其成本。

請繼續參閱第1圖與第2圖。首先，顯示面板18利用背光源16產生至少一影像，此影像經過折射式元件12折射，成為複數子影像。接著，中繼透鏡20傳遞子影像之光線，並將其匯聚於凹面鏡23之焦點內，不可位於焦點外，使凹面鏡23反射之，以放大子影像。再由複數透視平面鏡24從凹面鏡23分別接收子影像後，結合並反射為一大面積虛像或複數放大虛像至人眼。

位調器26可以控制凹面鏡23相對中繼透鏡20的距離，透過凹面鏡23之位移與角度調整可決定投射影像之位置，而調整之位移及角度極限會受到凹面鏡22之曲率，以及稜鏡13之角度所影響，因此需考量此因素以進行位置調整。

若凹面鏡23為一具有大曲率之元件時，如第4圖所示，當凹面鏡23離中繼透鏡20愈近，二光束L、M皆入射於凹面鏡23的中央處，其反射角度愈小，故光束L、M入射於透視平面鏡24上之影像即會分離得愈遠；反之，如第5圖所示，凹面鏡23離中繼透鏡20愈遠，光束L、M皆入射於凹面鏡23的邊緣處，其反射角度愈大，故光束L、M入射於透視平面鏡24上之影像分離得愈近，即可成為一大面積虛像。

若凹面鏡23為一小曲率或是無曲率之元件，如第6圖所示，光束L、M入射於凹面鏡23之中央及邊緣處，其反射角度無太大差異，故當凹面鏡23離中繼透鏡20愈近，所造成之放大虛像彼此之間的距離愈小；如第7圖所示，當凹面鏡23離中繼透鏡20愈遠，所造成之放大虛像彼此之間的距離愈大。

請繼續參閱第8圖與第9圖，利用稜鏡13材質之折射率n與稜鏡13頂角A可決定切割後之兩子影像之夾角與成像位置，經由適當角度之調整，可有效降低虛像產生模組之體積大小。光經稜鏡13之出射角度b如式(1)所示，其中a為光線入射稜鏡13之角度： 光束交會處與稜鏡13之距離D如式(2)所示，其中h為出射光與稜鏡13中心點之距離，b為光入射稜鏡13後之出射角度：D=h/tan(b) (2)

如第1圖、第2圖與第9圖所示，若將上述頂角A設定為15度，稜鏡13材質為BK7，當光路入射稜鏡13時，會以±14.868度出射稜鏡13，其中光束匯聚之位置為距離顯示面板18右側95.8毫米(mm)處，將凹面鏡23放置於此位置可有效縮小其體積。本發明與傳統抬頭顯示器的單光路架構相比較，凹面鏡23之體積可縮小約53.8%。

綜上所述，本發明不但能提供各種不同影像顯示訊息，更可降低後端光機之體積大小。

以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10‧‧‧顯像單元

12‧‧‧折射式元件

13‧‧‧稜鏡

14‧‧‧虛像產生模組

16‧‧‧背光源

18‧‧‧顯示面板

20‧‧‧中繼透鏡

22‧‧‧虛像元件

23‧‧‧凹面鏡

24‧‧‧透視平面鏡

26‧‧‧位調器

28‧‧‧虛像放大模組

第1圖為本發明之裝置架構方塊圖。

第2圖為本發明之裝置立體示意圖。

第3圖為本發明利用稜鏡降低虛像產生模組之元件大小之示意圖。

第4圖為本發明之大曲率凹面鏡離中繼透鏡較近之示意圖。

第5圖為本發明之大曲率凹面鏡離中繼透鏡較遠之示意圖。

第6圖為本發明之小曲率凹面鏡離中繼透鏡較近之示意圖。

第7圖為本發明之小曲率凹面鏡離中繼透鏡較遠之示意圖。

第8圖為本發明之稜鏡之光路偏折示意圖。

第9圖為本發明之雙光束交會位置與稜鏡距離D之示意圖。

10‧‧‧顯像單元

12‧‧‧折射式元件

14‧‧‧虛像產生模組

16‧‧‧背光源

18‧‧‧顯示面板

20‧‧‧中繼透鏡

22‧‧‧虛像元件

24‧‧‧透視平面鏡

26‧‧‧位調器

Claims (10)

1. 一種影像分割式虛像顯示裝置，包括：一顯像單元，產生至少一影像；一折射式元件，折射該影像，以將其切割為複數子影像；以及一虛像產生模組，接收該些子影像之光線，以產生一大面積虛像或複數放大虛像。
2. 如請求項1所述之影像分割式虛像顯示裝置，其中該顯像單元更包含：一背光源；以及一顯示面板，利用該背光源產生該至少一影像。
3. 如請求項2所述之影像分割式虛像顯示裝置，其中該顯示面板為液晶顯示器(LCD)、矽基液晶顯示器(LCOS)或陰極射線管(CRT)。
4. 如請求項1所述之影像分割式虛像顯示裝置，其中該虛像產生模組更包含：一中繼透鏡，接收且傳遞該些子影像之該光線，並將其匯聚之；一虛像元件，反射從該中繼透鏡傳遞而來之該些子影像之該光線，以放大該些子影像；以及複數透視平面鏡，從該虛像元件分別接收該子影像後，結合並反射為該大面積虛像或該些放大虛像。
5. 如請求項4所述之折射式虛像顯示裝置，更包含一位調器，該虛像元件係設於該位調器上，該位調器供該虛像元件調整位移及角度。
6. 如請求項4所述之折射式虛像顯示裝置，其中該虛像元件可為一凹面鏡或一凸透鏡，且該虛像元件之鏡面可為球面或非球面。
7. 如請求項4所述之影像分割式虛像顯示裝置，其中該中繼透鏡可為單片透鏡，或以多片透鏡組合而成。
8. 如請求項6所述之影像分割式虛像顯示裝置，其中該虛像元件為大曲率之該凹面鏡時，該虛像元件離該中繼透鏡愈近，該些放大虛像彼此之間的距離愈大；該虛像元件離該中繼透鏡愈遠，該些放大虛像彼此之間的距離愈小；該虛像元件為小曲率或是無曲率之該凹面鏡時，該虛像元件離該中繼透鏡愈近，該些放大虛像彼此之間的距離愈小；該虛像元件離該中繼透鏡愈遠，該些放大虛像彼此之間的距離愈大。
9. 如請求項4所述之影像分割式虛像顯示裝置，其中每一該透視平面鏡係為高反射率光學薄膜之平板片，其穿透率為70%~75%，反射率為30%~25%，且該些透視平面鏡與該些子影像之數量相同。
10. 如請求項1所述之影像分割式虛像顯示裝置，其中該影像包含一外部訊號與一載具訊號，該外部訊號為車道線、水平線、障礙物輪廓及與前車車距之訊號；以及該載具訊號為載具工作溫度、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。