TW201831349A - 窄角擴散片抬頭顯示裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種窄角擴散片抬頭顯示裝置，包含一投影模組、一窄角擴散片及一反射鏡，其利用微型凹面鏡的陣列，提供最理想的窄角擴散片，以獲得最佳化視覺效果；其特徵在於該投影模組位於該反射鏡附近，而該窄角擴散片面向該投影模組與該反射鏡，藉此克服抬頭顯示裝置的使用限制及亮度問題，進而提升行車安全者。

Description

窄角擴散片抬頭顯示裝置

本發明係有關於一種窄角擴散片抬頭顯示裝置，此尤指一種可提供最佳化視覺效果之抬頭顯示裝置，其利用微型凹面鏡的陣列構成一接近理想的窄角擴散片，藉此克服HUD抬頭顯示裝置的使用限制及亮度問題，以獲得最佳化視覺效果，進而提升行車安全者。

按現今汽車上使用的抬頭顯示器技術是一種光學系統，通常是由一投射器和一疊像鏡所組成，其中該投射器是由一訊號光源、一投影鏡與其他光學元件所組成；該投射器的訊號光源，由一LCD液晶顯示器，或一投影機與一顯像屏幕或一擴散片等裝置所構成，從訊號光源發出光線，然后透過該投射器投射到儀表台或擋風玻璃上的該疊像鏡combiner(特製的半透明凹面鏡)，再由該疊像鏡顯示出文字或圖像與眼前的實景重疊，這種組合的抬頭顯示器稱做CHUD(combiner type HUD)；另一形式HUD，從訊號光源發出光線，然后透過該投射器投射到儀表台下方的凹面鏡，放大與反射到擋風玻璃，再由擋風玻璃顯示出文字或圖像與眼前的實景重疊，這種組合的抬頭顯示器稱做WHUD(windshield type HUD)。

傳統WHUD(windshield type HUD)受到空間限制，一般虛像成像距離通常不超過距離駕駛者眼睛2.5米位置，但實際需求是不太夠的，所以業界與車廠才會開出7米的目標；傳統WHUD所占用的體積已經非常 大，不是所有車輛儀表台下方都有足夠的空間，所以目前只適用於大型車輛，而小型車輛所加裝的HUD都採用CHUD(combiner type HUD)，其虛像成像距離甚至更短。

然而要達到遠距離虛像成像，理論上是要把凹面鏡放大倍數加大就可以達成，但實際上則會造成觀看者的暈眩，因此要避免暈眩的產生，如果將凹面鏡與實像螢幕(投影機的擴散片或TFT)構成的物距拉長，也是一個解決方法，但是傳統一體式的HUD因受限於儀表台下方的空間，使得拉長物距在執行上是有其困難之處，而且同樣尺寸的實像屏幕，當其拉長與凹面鏡的距離後，虛像距離會變遠，但虛像尺寸則沒有變大，相對視覺辨識度就會與距離成等比例的下降。

為此將實像螢幕(投影機擴散片或TFT)置於汽車頂棚與擋風玻璃的交界處，將反射凹面鏡置於儀表台下方，這樣是可以獲得接近傳統一體式WHUD的3倍左右物距距離(將原來18cm變成為50~70cm)，且儀表台下方所占用的體積比傳統HUD還小，而可以適用更多車款，但是要維持原來的視覺辨識度，最少需要等比例放大實像螢幕，然而放大TFT是件很困難的事，礙於高亮度背光的需求，TFT背後需要有一個光盃，才能提供足夠的亮度，這樣若把TFT從1.8吋放大到5.4吋，整體TFT體積將會在駕駛前方頂棚產生一個超大型的TFT怪物，而且在成本與美觀上都將不被接受。

如第一圖所示，投影機1(包括DLP投影機或雷射投影機)都需要使用到一顯像布幕或一擴散片作為成像平面來成像，而採用背投式投影的投影機，則是擺在一擴散片的背面，會使用到半透明穿透式擴散片；投影機1的原理是將一個畫面利用掃描的方式，對被投射平面的每一個點投 射出不同的顏色與亮度光點，透過這些光點組成一個畫面；假設成像平面不是布幕或擴散片，而是一鏡面反射鏡21的反射平面，由於反射鏡入射角等於反射角，所以該投影機1投射到該鏡面反射平面21的畫面，只有一點的光會反射到特定觀賞者的眼睛E裡，所以觀看者無論在哪個角度只能看到一個點光源，卻看不到一個完整的畫面。

如第二圖所示，為了能看到一個完整的畫面，所以該投影機1使用時所投射的反射平面，不能是鏡面反射平面，必須為一霧面平面22，如此投射到該霧面平面22，才會把反射的光線打散掉，讓反射光分散到各個反射角度，而這個霧面平面22就叫做擴散片，光線打到一個平面，有部分光線會被吸收，剩下的光線才反射出來，若再加上反射光線擴散到每一個角度，每個角度都可以觀賞到整個畫面，但單一個角度所取得的光量就會變得很小，以致該投影機1播放時，通常要在比較昏暗的環境，比較好的投影布幕會含有增加反射的粉末，可減少光線的吸收，增加反射光的強度，但成本會增加許多，效果卻很有限，這種方式其實只是減少光線被吸收的比例，但對分散到各角度所產生的損失，則是無法補救的。

為了解決以上所存在的問題，業界不斷提出各種解決技術方案，相關的技術可參酌TW公開編號201636680、TW公開編號201624101、TW專利證號I367405、TW專利證號I449950、TW專利證號I506299、TW專利證號I479236、TW專利證號I485432、TW專利證號M455182、TW專利證號M328014等專利前案。

在前述的專利前案中，大多已能提升目前抬頭顯示裝置的使用功能，但是仍存在著一些不易克服的瓶頸，例如：

1. 在前述已公開的專利案中，雖有些已運用到反射鏡陣列的技術，但由於其投射出的標準距離影像與實際的距離影像之間，仍有視覺上的落差問題存在，這種視覺上的落差現象，對有些駕駛人來說，卻很容易產生視覺上的暈眩感，因而會影響到行車的安全性。

2.在已知的技術應運中，由於光源投射的距離需要有較長的空間與距離，這種限制往往不是每一款車型都能符合此一要求，導致被迫要以更昂貴的配備，來提高反射的效率與亮度，例如使用寬視角的投影模組(或投影機)，藉以克服HUD抬頭顯示裝置的使用限制，這種方式都只是在增加設備的成本浪費，而投射效率也低，這是目前抬頭顯示裝置普遍面臨的問題。

有鑑於以上習式的缺失，本案發明人歷經無數次研究改良後，終於完成本發明之窄角擴散片抬頭顯示裝置，即本案之發明目的係在提供一種最佳化視覺效果之抬頭顯示裝置，其利用微型凹面鏡陣列構成一接近理想的窄角擴散片，讓擴散的反射光範圍集中擴散到HUD的凹面鏡上，藉此克服HUD抬頭顯示裝置的使用限制及亮度的問題，以獲得最佳化視覺效果，進而提升行車安全者。

為達上述本案之發明目的，本發明之窄角擴散片抬頭顯示裝置，包含：一投影模組，其投射出一影像光源；一窄角擴散片，為一微型凹面鏡的陣列，該影像光源投向該窄角擴散片； 一反射鏡，該窄角擴散片反射該影像光源至該反射鏡；其特徵在於該投影模組位於該反射鏡同一側，而該窄角擴散片面向該投影模組與該反射鏡。

上述之微型凹面鏡的陣列成一長寬矩陣排列。

上述之微型凹面鏡，為一直角錐型凹面鏡，該投影模組位於該反射鏡附近。

上述之微型凹片鏡，為一圓球形凹面鏡，該投影模組位於該反射鏡附近。

上述之微型凹面鏡，為一弧形凹面鏡。

上述之微型凹面鏡的陣列，其中所有微型凹面鏡與該窄角擴散片成一斜角。

上述之微型凹面鏡的陣列，其中所有微型凹面鏡各有不同的角度。

上述之窄角擴散片為一具有至少一個轉折之平面。

上述之反射鏡，為一凹面鏡。

上述之窄角擴散片，為一曲面。

本發明之特點，其主要利用微型凹面鏡的陣列，提供最理想的窄角擴散片，讓擴散的反射光範圍以能覆蓋到HUD的凹面鏡為基礎，而不需要做多餘的浪費，來使用寬視角的投影模組(或投影機)，藉此克服HUD抬頭顯示裝置的使用限制，而本發明這種理想的窄角擴散片，就是一種利用微型凹面鏡陣列所構成之反射式擴散片，透過本發明可以讓DLP的成像到HUD凹面鏡的亮度提升數十倍，甚至到達百倍，藉此有效解決投影機HUD 的亮度問題，提供最佳化視覺效果之抬頭顯示裝置，進而提升行車安全者。

〔習知〕

1‧‧‧投影機

2‧‧‧反射鏡

21‧‧‧鏡面反射平面

22‧‧‧霧面平面

E‧‧‧眼睛

〔本發明〕

3‧‧‧投影模組

4‧‧‧窄角擴散片

41‧‧‧直角錐型凹面鏡

42‧‧‧圓球形凹面鏡

43‧‧‧弧形凹面鏡

44‧‧‧微型凹面鏡

5‧‧‧反射鏡

6‧‧‧虛像

61‧‧‧符號箭頭

62‧‧‧文字

D‧‧‧反射範圍

L‧‧‧影像光源

θ‧‧‧斜角

第一圖，為習知投影裝置實施示意圖。

第二圖，為習知投影裝置的另一實施示意圖。

第三圖，為本發明之第一實施例示意圖。

第四圖，為本發明之第二實施例示意圖。

第四-1圖，為本發明之第二實施例局部放大示意圖。

第五圖，為本發明之第三實施例示例意圖。

第五-1圖，為本發明之第三實施例局部放大示意圖。

第六圖，為本發明之第四實施例示例意圖。

第六-1圖，為本發明之第四實施例局部放大示意圖。

第七圖，為本發明之第五實施例示例意圖。

第八圖，為本發明之第六實施例示例意圖。

請參閱第三圖所示者，為本發明之窄角擴散片抬頭顯示裝置的第一實施例，包含：一投影模組3，係投射出一影像光源L，該投影模組3為一數位光處理裝置(Digital Light Processing，縮寫：DLP)投影機，是一項使用在投影儀和背投電視中的顯像技術；一窄角擴散片4，為一微型凹面鏡的陣列所構成之窄角擴散片，該投影模組3的影像光源L投向該窄角擴散片4；一反射鏡5，該窄角擴散片4反射該影像光源L至該反射鏡5， 該反射鏡5為一凹面鏡；其特徵在於該投影模組3位於該反射鏡5同一側，而該窄角擴散片4面向該投影模組3與該反射鏡5。

本發明之窄角擴散片4其反射該投影模組3的影像光源L，剛好只投射到該反射鏡5的範圍上，如此可獲得最佳的投射效率，因為投射面積如太大，投射到該反射鏡5之外的反射光線都是浪費的；而一般抬頭顯示裝置可能在大太陽下使用，因而其所需要的亮度極高，這對該投影模組3的亮度可以說是一大挑戰，故而要充分地使用該投影模組3所輸出的光量，以減少浪費是非常重要的課題，而這個課題主要的關鍵在於該窄角擴散片4的設計，一個理想的窄角擴散片4最好能對光線反射率達到100%，而且反射的影像光源L又能剛好覆蓋到該抬頭顯示裝置的反射鏡5，卻又沒有超出，因此越接近理想的窄角擴散片4，所產生的效益就越高。

上述之窄角擴散片4，其微型凹面鏡的陣列，是利用數量眾多的微型凹面鏡構成一長寬矩陣排列，也就說要形成一個矩形排列的陣列，每一個微型凹面鏡集中反射到該反射鏡5上，這種情況下對該反射鏡5而言，每一個微型凹面鏡就代表顯示屏幕上的一個像素(pixel)，所以微型凹面鏡的數量就代表螢幕解析度的上限，例如長寬各為480 x 240表示總共有115,200個微型凹面鏡所構成之陣列，也就限制了成像的最高解析度，因此即使該投影模組3原始的解析再高都是沒有用的，關鍵還是在於該窄角擴散片4其微型凹面鏡數量的多寡及其投射效率。

上述之窄角擴散片4，為一微型凹面鏡的陣列所構成之窄角擴散片，其特徵在於該投影模組位3於該反射鏡5附近，它的優點是該窄角 擴散片4可以比較光亮，不需要太霧面，這樣可以減少光線的吸收率，藉以增加反射率。

如第四圖、第四-1圖所示，為本發明之窄角擴散片抬頭顯示裝置的第二實施例，該窄角擴散片4為一微型凹面鏡的陣列所構成之窄角擴散片，其特徵在於該投影模組位3於該反射鏡5附近，其中該微型凹面鏡為一直角錐型凹面鏡41，則該微型凹面鏡的陣列為一直角錐形凹面鏡41陣列，利用該直角錐形凹面鏡41直角特性中入射線與反射線平行的原理，該直角錐型凹面鏡41若為完全亮面時，其反射光線幾乎全反射到入射光的光源點上，但若該直角錐型凹面鏡41稍帶霧面，則其反射光線會在入射光的光源點附近形成一個特定範圍的反射面，該反射鏡5只要在這個反射面的反射範圍D內，即可以接收到反射擴散光。

如第五圖、第五-1圖所示，為本發明之窄角擴散片抬頭顯示裝置的第三實施例，該窄角擴散片4為一微型凹面鏡的陣列所構成之窄角擴散片，其特徵在於該投影模組位3於該反射鏡5附近，其中該微型凹面鏡為一圓球形凹面鏡42，則該微型凹面鏡的陣列為一圓球形凹面鏡42陣列，該圓球形凹面鏡42為一微霧凹面鏡時，利用該透明的圓球形凹面鏡42其反射特性中入射線與反射線平行的原理，該圓球形凹面鏡42若為完全亮面時，其反射光線幾乎全反射到入射光的光源點上，但若該圓球形凹面鏡42稍帶霧面，則其反射光線會在入射光的光源點附近形成一個特定範圍的反射面，該反射鏡5只要在這個反射面的反射範圍D內，即可以接收到反射擴散光。

如第六圖、第六-1圖所示，為本發明之窄角擴散片抬頭顯示裝置的第四實施例，該窄角擴散片4為一微型凹面鏡的陣列所構成之窄角擴 散片，其中該微型凹面鏡為一弧形凹面鏡43，則該微型凹面鏡陣列為一弧形凹面鏡43陣列，該弧形凹面鏡43陣列是利用該弧形凹面鏡43聚光原理，將每個弧形凹面鏡43設計為各有不同的角度，只要投射距離超過該凹面鏡23的聚光點，光線反而會散開，只要該投影模組3的光源、該窄角擴散片4與該反射鏡5的位置都已經確定，則該窄角擴散片4上的每個弧形凹面鏡43的擺放角度與弧形半徑都可以經過精密計算，讓每個弧形凹面鏡43反射的光線都大約覆蓋該反射鏡5，以達到最有效的光源利用，該弧形凹面鏡陣列的每個弧形凹面鏡43都可以打亮到反射率接近100%的境界，所以整個投影模組3的光線利用率幾乎可以超過90%，比廣角擴散片的光線利用率只有個位數超過數十倍的效能，因此本發明之窄角擴散片抬頭顯示裝置，是效能最高的投影機擴散片。

上述之微型凹面鏡為一弧形凹面鏡43，由該弧形凹鏡43所構成的陣列，其優點甚至可以讓鏡面反射時光線吸收率降到最低；此外，另一個優點是限制反射光線擴散的範圍，讓反射光線充分的集中投射在該反射鏡5上，尤其是微型凹面鏡為一弧形凹面鏡43，由該弧形凹鏡43所構成的陣列，其擴散範圍可以約略等於該反射鏡5的範圍，讓該投影模組3輸出的影像光源L，可以達到的充分利用。

在AR HUD(augmented reality HUD)虛像需要與地面盡量平行貼合，使導航箭頭虛像可以貼在前方道路上，而一般實像平面，如TFT或傳統投影機擴散片，垂直於該平面的亮度最大，與垂直線角度越大亮度就越低，虛像與駕駛視線不垂直將會犧牲影像亮度；如第七圖所示，為本發明之窄角擴散片抬頭顯示裝置的第五實施例，其中該微型凹面鏡44的陣列 中所有微型凹面鏡44與該窄角擴散片4成一斜角θ，藉以使擴散片與HUD的光軸形成θ+a的角度(a表示角度的設定差值)，藉此讓HUD的虛像與駕駛視角成θ+a的角度，使之更接近與地面平行貼合，而達到虛像與實像契合的效果。

在AR HUD(augmented reality HUD)虛像需要與地面盡量平行貼合，導航箭頭虛像可以貼在前方道路上，但一般資訊仍以盡量垂直於駕駛視角比較容易閱讀的區域，一個理想的HUD最好根據不同應用，具有不同顯示角度的虛像；第八圖所示，為本發明之窄角擴散片抬頭顯示裝置的第六實施例，其中該窄角擴散片4為一曲面或一具有轉折之平面，可以讓影像產生轉折，讓虛像6成像成為立體，該窄角擴散片抬頭顯示裝置的顯示內容，包括符號箭頭61與文字62，該符號箭頭61需要盡量與地面水平平行，影像必須比較趨於水平，但該文字62仍然以垂直比較容易閱讀，所以文字部分盡量垂直。

本發明之窄角擴散片抬頭顯示裝置，藉由以上各實施例的實施，利用該窄角擴散片4的微型凹面鏡的陣列，提供最理想的窄角擴散片4，讓擴散的反射光範圍約略能覆蓋到HUD的凹面鏡即可，而不需要做多餘的浪費來使用寬視角的投影模組(或投影機)，藉此克服HUD抬頭顯示裝置的使用限制，而本發明這種理想的窄角擴散片4，就是一種利用微型凹面鏡的陣列所構成之反射式擴散片，透過本發明可以讓投影機的成像到HUD凹面鏡的亮度提升數十倍，甚至到達百倍，有效解決投影機HUD的亮度問題，提供最佳化視覺效果之抬頭顯示裝置，藉以提升行車安全者。

綜上所述，本發明之窄角擴散片抬頭顯示裝置，利用微型凹 面鏡的陣列所構成之窄角擴散片，以解決現有所存的視覺問題，且所用之技術手段，又為先前技術所無，故而本發明特具專利之新穎性及進步性要件者。

在本發明內容中所提出之具體實施例，僅用以方便說明本發明之技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，凡在不超出本發明之精神與下述之申請專利範圍的情況下，所作的種種變化實施，仍屬於本發明之範圍。

Claims (10)

1. 一種窄角擴散片抬頭顯示裝置，包含：一投影模組，其投射出一影像光源；一窄角擴散片，為一微型凹面鏡的陣列，該影像光源投向該窄角擴散片；一反射鏡，該窄角擴散片反射該影像光源至該反射鏡；其特徵在於該投影模組位於該反射鏡同一側，而該窄角擴散片面向該投影模組與該反射鏡。
2. 如申請專利範圍第1項所述之窄角擴散片抬頭顯示裝置，其中該微型凹面鏡的陣列成一長寬矩陣排列。
3. 如申請專利範圍第1項所述之窄角擴散片抬頭顯示裝置，其中該微型凹面鏡為一直角錐型凹面鏡，該投影模組位於該反射鏡附近。
4. 如申請專利範圍第1項所述之窄角擴散片抬頭顯示裝置，其中該微型凹片鏡為一圓球形凹面鏡，該投影模組位於該反射鏡附近。
5. 如申請專利範圍第1項所述之窄角擴散片抬頭顯示裝置，其中該微型凹面鏡為一弧形凹面鏡。
6. 如申請專利範圍第1項所述之窄角擴散片抬頭顯示裝置，其中該微型凹面鏡的陣列中所有微型凹面鏡與該窄角擴散片成一斜角。
7. 如申請專利範圍第1項所述之窄角擴散片抬頭顯示裝置，其中該微型凹面鏡的陣列中所有微型凹面鏡各有不同的角度。
8. 如申請專利範圍第1項所述之窄角擴散片抬頭顯示裝置，其中該窄角擴散片為一具有至少一個轉折之平面。
9. 如申請專利範圍第1項所述之窄角擴散片抬頭顯示裝置，其中該反射鏡為一凹面鏡。
10. 如申請專利範圍第1項所述之窄角擴散片抬頭顯示裝置，其中該窄角擴散片為一曲面。