TWI533028B - 抬頭顯示器 - Google Patents

Description

抬頭顯示器

本發明是有關於一種車用電子零件，且特別是有關於一種抬頭顯示器。

隨著車用電子零件需求的逐年攀高，各種行車資訊顯示器已相繼地被研發，行車資訊顯示器通常係設置於儀表板上，但駕駛者在觀看儀表板上的資訊時容易造成行車安全方面的顧慮，因此，可將行車資訊顯示於擋風玻璃上的抬頭顯示器(head up display，HUD)已廣泛地被使用，由於抬頭顯示器可以減少駕駛者的視線離開前方道路的次數及時間，故行車安全可獲得進一步的保障。一般而言，體積小的抬頭顯示器所顯示的畫面較小，通常用以顯示車速與其他簡易訊息，但難以顯示更多的行車資訊，例如倒車影像或導航系統等行車資訊。

為了顯示較多的行車資訊，能夠在與行車視線相同或接近之方向上顯示大畫面的抬頭顯示器以相繼被研發出來，但此類型的抬頭顯示器通常體積龐大，通常需設置於儀表板後方，且需與擋風玻璃保持相當距離以確保能夠投影出大畫面。

承上述，如何讓抬頭顯示器在有限的車內空間投影出大畫面以顯示足夠多的行車資訊，實為目前此領域技術人員研發的方向之一。

本發明提供一種抬頭顯示器，其具有小的體積並且能夠提供良好的顯示品質。

本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。

本發明之一實施例提出一種抬頭顯示器，其包括影像投射單元、偏光分束單元、四分之一波片以及曲面疊像鏡。影像投射單元適於投射出影像光束。偏光分束單元配置於影像光束的傳遞路徑上以反射影像光束。四分之一波片配置於被偏光分束單元反射後的影像光束的傳遞路徑上，其中四分之一波片允許影像光束通過。曲面疊像鏡配置於四分之一波片之後的影像光束的傳遞路徑上，其中曲面疊像鏡反射影像光束並使影像光束依序穿透四分之一波片以及偏光分束單元，且曲面疊像鏡允許環境影像穿透以使影像光束與環境影像重疊。

在本發明之一實施例中，上述之影像投射單元包括光源以及顯示單元。光源適於提供照明光束。顯示單元配置於照明光束之傳遞路徑上，且位於光源與偏光分束單元之間，其中顯示單元之法向量與照明光束之傳遞路徑夾一角度θ，且照明光束通過顯示單元之後係形成影像光束。

在本發明之一實施例中，上述之角度θ介於10度與45度之間。

在本發明之一實施例中，上述之被偏光分束單元反射後的影像光束為S偏振光束(S-state polarization beam)。

在本發明之一實施例中，上述之穿過四分之一波片的影像光束為一具有第一旋性之圓偏振光束(circular polarization beam)。

在本發明之一實施例中，上述之被曲面疊像鏡反射的影像光束為一具有第二旋性之圓偏振光束，且第一旋性不同於第二旋性。

在本發明之一實施例中，上述之具有第二旋性之圓偏振光束穿透四分之一波片之後轉變為P偏振光束(P-state polarization beam)，且P偏振光束穿透偏光分束單元。

在本發明之一實施例中，上述之曲面疊像鏡之曲率半徑介於100毫米與1500毫米之間。

在本發明之一實施例中，上述之四分之一波片位於曲面疊像鏡與偏光分束單元之間。

基於上述，由於本申請案的抬頭顯示器具有體積小以及顯示品質佳等優勢，因此本申請案的抬頭顯示器可以迅速地被應用於車用零件的市場。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此， 使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。

圖1是本發明之一實施例中抬頭顯示器的示意圖。請參考圖1，本實施例之抬頭顯示器100包括影像投射單元110、偏光分束單元120、四分之一波片130以及曲面疊像鏡140。影像投射單元110適於投射出影像光束B。偏光分束單元120配置於影像光束B的傳遞路徑上以反射影像光束B。四分之一波片130配置於被偏光分束單元120反射後的影像光束B的傳遞路徑上，其中四分之一波片130允許影像光束B通過。曲面疊像鏡140配置於四分之一波片130之後的影像光束B的傳遞路徑上。其中，曲面疊像鏡140反射影像光束B並使影像光束B依序穿透四分之一波片130以及偏光分束單元120，並且，曲面疊像鏡140允許環境影像EB穿透以使影像光束B與環境影像EB重疊。藉此，駕駛者可用相近的視角觀看到經由影像投射單元110所投射出的影像光束B以及環境影像EB，由於駕駛者能夠同時觀看抬頭顯示器100所顯示之資訊並且減少將視野移開前方道路景象的次數與時間，故行車安全可進一步地得到保障。此外，由於傳遞於抬頭顯示器100中的影像光束B會通過偏光分束單元120以及四分之一波片130兩次，因此影像光束B的傳遞路徑可在有限的空間內被延長，進而使得抬頭顯示器100能夠在不大幅增加體積的前提下，獲得放大倍率較大的影像。

詳細而言，本實施例之影像投射單元110包括光源112以及顯示單元114，其中光源112適於提供照明光束L， 顯示單元114配置於照明光束L之傳遞路徑上，且位於光源112與偏光分束單元120之間。舉例而言，本實施例之光源112可為背光源(backlight unit)，而顯示單元20可為液晶顯示面板(LCD panel)。前述之背光源例如是發光二極體背光源(LED backlight unit)、冷陰極燈管背光源(CCFL backlight unit)、有機電激發光二極體背光源(OLED backlight unit)或是其他型態之背光源，然本發明不以此為限。

如圖1所示，影像光束B可包括影像光束BS、影像光束BP、第一圓偏振光束CPB1以及第二圓偏振光束CPB2，並將於後續詳細說明。顯示單元114之法向量實質上平行於照明光束L之傳遞路徑。在本實施例中，光源112所發出的照明光束L在通過顯示單元114後形成影像光束BS。在本實施例中，此影像光束BS為一S偏振光束。

詳細而言，在本實施例中，偏光分束單元120配置於影像光束BS的傳遞路徑上以反射影像光束BS，在本實施例中，偏光分束單元120例如是偏光分束片(polarization beam splitter，PBS)。偏光分束單元120可反射來自於影像投射單元110之S偏振光束，進而使S偏振的影像光束BS之傳遞方向改變而朝向四分之一波片130傳遞。值得注意的是，上述之S偏振光束與P偏振光束僅用於舉例說明本發明，實際上影像光束BS之偏振方向可依偏光分束單元120的光學特性而有不同之變化，本發明不以此為限。在本實施例中，偏光分束單元120能夠反射S偏振光束並 且允許P偏振光束穿透。然而，在其他實施例中，例如為圖1’所繪示之實施例，亦可採用其他型態之偏光分束單元120’以反射P偏振光束並且允許S偏振光束穿透，此時，影像投射單元110’則需提供P偏振光束。

更詳細而言，如圖1所繪示，在本實施例中，四分之一波片130配置於被偏光分束單元120反射後的影像光束BS的傳遞路徑上，並且四分之一波片130允許影像光束BS通過。換言之，四分之一波片130配置於曲面疊像鏡140與偏光分束單元120之間。在本實施例中，被偏光分束單元120反射後的影像光束BS為S偏振光束，且此S偏振的影像光束BS在穿過四分之一波片130後形成一第一圓偏振光束CPB1。而第一圓偏振光束CPB1被曲面疊像鏡140反射後形成一第二圓偏振光束CPB2，且第一圓偏振光束CPB1之旋性不同於第二圓偏振光束CPB2之旋性。舉例而言，在圖1之實施例中的第一圓偏振光束CPB1為右旋偏振而第二圓偏振光束CPB2為左旋偏振，然而在其他實施例中，第一圓偏振光束CPB1可為左旋偏振而第二圓偏振光束CPB2可為右旋偏振，可依照其光學系統之偏振組合而有所變化，本發明不以此為限。其中，圓偏振光束CPB2穿透四分之一波片130之後轉變為一P偏振光束，亦即圖1中所繪示之影像光束BP，且影像光束BP穿透偏光分束單元120而可傳遞至使用者的眼睛，使用者因而能夠接收到影像光束BP所攜帶之資訊。

舉例而言，抬頭顯示器可能應用於車用環境等受強烈 陽光照射之環境，為了改善抬頭顯示器的亮度，通常會加強抬頭顯示器的光源亮度。然而，提高抬頭顯示器的光源亮度易使抬頭顯示器的明暗對比度(contrast ratio)降低而使得使用者不易清晰觀看。在本實施例中的抬頭顯示器100可利用偏光分束單元120依照光的偏振狀態而決定使光幾乎全部反射或幾乎全部穿透，相較於使用半穿透半反射的分光鏡(beam splitter)的抬頭顯示器需要將光源之強度提升以補償分光鏡所損耗的光的亮度，本實施例中的抬頭顯示器100的光源112可不必過度提高而犧牲對比度，亦仍可使得使用者所觀看到的影像光束BP有著良好的影像對比度。同時，環境影像EB亦可穿透曲面疊像鏡140而使得使用者能夠同時觀看到環境資訊以及來自抬頭顯示器100的影像資訊。舉例而言，使用者在駕駛時可不必頻繁地將視線移開前方之路況，而仍能方便地藉由抬頭顯示器100的曲面疊像鏡140觀看到如導航地圖等行車資訊，藉此可提升行車安全。

進一步而言，在本實施例中，曲面疊像鏡140之曲率半徑可介於100毫米與1500毫米之間。由影像投射單元110投射出的影像光束B可被曲面疊像鏡140反射至人眼而形成放大虛像，並且影像投射單元110與曲面疊像鏡140可不必相隔過長距離。藉此，抬頭顯示器100可投射出大的畫面以顯示更多資訊，並仍可維持小的光學系統體積，而亦使得外接式抬頭顯示器變得可行。

圖2為本發明之另一實施例中的抬頭顯示器之示意 圖。請參照圖2，抬頭顯示器100”與圖1之實施例中的抬頭顯示器100相似，其相似之處在此不再贅述。然其不同之處在於，本實施例之抬頭顯示器100”中的顯示單元114”之法向量與照明光束L之傳遞路徑可夾一角度θ，且照明光束L通過顯示單元114”之後係形成影像光束B。其中，角度θ介於10度與45度之間。舉例而言，駕駛汽車的使用者的眼睛通常高於放置於儀表板附近的抬頭顯示器，因此可傾斜抬頭顯示器的光學系統(在本實施例中如影像投射單元110”、偏光分束單元120、四分之一波片130、及曲面疊像鏡140所構成之光學系統)以便於使用者觀看。然而，傾斜光學系統後會造成由影像投射單元110”投射之影像到達人眼時的光程差(optical length)不同而使得影像產生變形(distortion)。在本實施例中，可藉著將抬頭顯示器100”中的顯示單元114”之法向量與照明光束L之傳遞路徑夾一角度θ，以減少由於傾斜光學系統所造成的影像變形，進而提升影像品質。

綜上所述，本發明之實施例的抬頭顯示器至少具有下列其中一個優點：利用偏光分束單元依照光的偏振狀態而選擇決定使光的穿透或反射，可使得影像光束的傳遞路徑重疊，進而可縮小抬頭顯示器之體積，並且可提升抬頭顯示器的顯示亮度及對比度。此外，使用者可同時由曲面疊像鏡觀看到環境影像與來自抬頭顯示器之影像光束的資訊，可不必頻繁地移開視線而造成疏忽及不便。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。此外，本說明書或申請專利範圍中提及的「第一」、「第二」等用語僅用以命名元件(element)的名稱或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限。

100、100’、100”‧‧‧抬頭顯示器

112‧‧‧光源

114、114’、114”‧‧‧顯示單元

110、110’、110”‧‧‧影像投射單元

120、120’‧‧‧偏光分束單元

130‧‧‧四分之一波片

140‧‧‧曲面疊像鏡

B、BP、BS‧‧‧影像光束

CPB1‧‧‧第一圓偏振光束

CPB2‧‧‧第二圓偏振光束

EB‧‧‧環境影像

L‧‧‧照明光束

圖1是本發明之一實施例中抬頭顯示器的示意圖。

圖1’是本發明之另一實施例中抬頭顯示器的示意圖

圖2為本發明之另一實施例中抬頭顯示器的示意圖。

100‧‧‧抬頭顯示器

112‧‧‧光源

114‧‧‧顯示單元

110‧‧‧影像投射單元

120‧‧‧偏光分束單元

130‧‧‧四分之一波片

140‧‧‧曲面疊像鏡

B、BP、BS‧‧‧影像光束

CPB1‧‧‧第一圓偏振光束

CPB2‧‧‧第二圓偏振光束

EB‧‧‧環境影像

L‧‧‧照明光束

Claims (8)

1. 一種抬頭顯示器，包括：一影像投射單元，適於投射出一影像光束；一偏光分束單元，配置於該影像光束的傳遞路徑上以反射該影像光束；一四分之一波片，配置於被該偏光分束單元反射後的該影像光束的傳遞路徑上，其中該四分之一波片允許該影像光束通過；以及一曲面疊像鏡，配置於該四分之一波片之後的該影像光束的傳遞路徑上，其中該曲面疊像鏡反射該影像光束而形成一放大虛像並使該影像光束依序穿透該四分之一波片以及該偏光分束單元，該曲面疊像鏡允許一環境影像穿透以使該影像光束與該環境影像重疊。
2. 如申請專利範圍第1項所述之抬頭顯示器，其中該影像投射單元包括：一光源，適於提供一照明光束；以及一顯示單元，配置於該照明光束之傳遞路徑上，且位於該光源與該偏光分束單元之間，其中該顯示單元之法向量與該照明光束之傳遞路徑夾一角度θ，且該照明光束通過該顯示單元之後係形成該影像光束。
3. 如申請專利範圍第2項所述之抬頭顯示器，其中該角度θ介於10度與45度之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之抬頭顯示器，其中被該偏光分束單元反射後的該影像光束為S偏振光束。
5. 如申請專利範圍第4項所述之抬頭顯示器，其中穿過該四分之一波片的該影像光束為一具有第一旋性之圓偏振光束。
6. 如申請專利範圍第5項所述之抬頭顯示器，其中被該曲面疊像鏡反射的該影像光束為一具有第二旋性之圓偏振光束，且該第一旋性不同於該第二旋性。
7. 如申請專利範圍第6項所述之抬頭顯示器，其中該具有第二旋性之圓偏振光束穿透該四分之一波片之後轉變為P偏振光束，且該P偏振光束穿透該偏光分束單元。
8. 如申請專利範圍第1項所述之抬頭顯示器，其中該曲面疊像鏡之曲率半徑介於100毫米與1500毫米之間。