TWI578085B

TWI578085B - 投影裝置

Info

Publication number: TWI578085B
Application number: TW103145222A
Authority: TW
Inventors: 周明杰; 王國智; 蘇漢威; 李耀輝; 陳易呈
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2014-12-24
Filing date: 2014-12-24
Publication date: 2017-04-11
Also published as: US20160187648A1; TW201624101A; US9958676B2; CN106200224B; CN106200224A

Description

投影裝置

本發明是有關於一種投影技術，且特別是有關於一種具有光學分光模組以藉由單個影像來源中產生多個投影畫面的投影裝置。

在車輛的行駛過程中，駕駛在車輛高速行進的狀態下仍需掌握多種行車資訊，藉以避免事故的發生。車輛通常會將相關的行車資訊顯示於儀表板上，但是當車輛在高速行進時，可能會因為駕駛人低頭去觀看儀表板上的相關資訊而發生事故。因此，目前有許多車輛用戶會使用抬頭顯示器(Head Up Display；HUD)以在車輛前方的擋風玻璃上以投影方式來呈現例如速度、油耗、導航路線、環車影像…等行車資訊，讓駕駛不必低頭就能夠看到車輛運行時所需要的重要資訊，以降低駕駛需要低頭查看儀表板的頻率，避免注意力中斷以及喪失對狀態意識(Situation Awareness)的掌握。透過導入車用HUD技術，將可提高行車安全，降低車禍發生機率，目前先進國家均積極投入此一車輛安全相關領域的研發。

以目前的投影技術而言，抬頭顯示器可以分為「LED反射式」以及「LCD成像式」，但這兩種型態的抬頭顯示器皆僅能夠藉由單一個顯示螢幕來呈現行車資訊，無法以單個影像來源來提供具有最佳畫面比例與解析度的多個投影影像。

本發明提供一種投影裝置，此投影裝置可藉由單個影像來源來產生多個投影畫面，並且藉由調整投影單元的投影角度以使這些投影畫面能夠獲得較佳的畫面比例與解析度。

本發明提出一種投影裝置。此投影裝置包括投影單元、光學分光模組以及實像成像元件。投影單元用以形成光束投影畫面。此光束投影畫面的水平投影寬度小於光束投影畫面的垂直投影寬度。光學分光模組將光束投影畫面分割而投射出多個投影子畫面。所述投影子畫面分別投射至所述實像成像元件以形成多個投影影像。

基於上述，本發明實施例所述的投影裝置具有光學分光模組，以藉由單個影像來源產生多個投影畫面。並且，所述投影裝置可藉由調整投影單元的投影角度以使這些投影畫面能夠獲得較佳的畫面比例與解析度。

為讓本發明的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。

100‧‧‧投影裝置

110‧‧‧機殼

120‧‧‧投影單元

130‧‧‧光學分光模組

131~133‧‧‧光學鏡組

1311、1312、1331、1332‧‧‧反射鏡

X、Y、Z‧‧‧方向

140‧‧‧實像成像元件

150‧‧‧控制單元

160‧‧‧虛像成像元件

180‧‧‧樞紐

182‧‧‧長桿連結結構

310‧‧‧顯示區域

410、420‧‧‧箭頭

D1‧‧‧投射方向

BF‧‧‧光束投影畫面

PF1~PF3‧‧‧投影子畫面

F1~F3‧‧‧投影影像

S1~S3‧‧‧虛像影像

S11~S13‧‧‧分割畫面

圖1A及圖1B是依照本發明之一實施例所述的一種投影裝置的示意圖。

圖2繪示圖1A及圖1B之投影單元與光學分光模組的示意圖。

圖3A至圖3C分別繪示投影裝置、實像成像元件與虛像成像元件之間的多種設置架構的示意圖。

圖4是投影裝置的光束投影畫面、分割畫面及虛像影像的示意圖。

圖5是依照本發明之一實施例所述的光束投影畫面、分割畫面及虛像影像的示意圖。

目前而言，抬頭顯示器(HUD)尚在剛導入車用電子的階段，但少有抬頭顯示器藉由單個影像來源來產生多個投影畫面。基此，本發明實施例提出一種投影裝置，其利用光學分光模組以將投影單元所發出的單個光束投影畫面區分為三個投影畫面，再經由成像透鏡轉換為虛像型態，且焦點位於距離人眼約2或3公尺處的多個投影子畫面，藉以同時投射三個不同的畫面資訊，讓使用者可以同時觀看。並且，藉由調整投影裝置中投影單元的掃描鏡的出光角度，從而讓使用者可以在最佳顯示區域中欣賞較多的畫面資訊，並且這些投影子畫面具備較佳的畫面比例與解析度。以下詳述本發明實施例的各個細節。

圖1A及圖1B是依照本發明之一實施例所述的一種投影裝置的示意圖。圖2繪示圖1A及圖1B之投影單元120與光學分光模組130的示意圖。圖1A為投影裝置的俯視圖，而圖1B則為投影裝置的側視圖。為了方便描述，本發明實施例的圖式中皆有標示X、Y及Z方向，這三個方向相互垂直，且圖1A中的Y方向為透出紙面的方向。投影裝置100包括機殼110、投影單元120、光學分光模組130、實像成像元件140以及控制單元150。於本實施例中，投影裝置100還可包括虛像成像元件160。投影單元120、光學分光模組130、實像成像元件140以及控制單元150可以設置於機殼110中。於其他實施例中，應用本實施例者也可將實像成像元件140設置於機殼110之外，或是將虛像成像元件160結合投影單元120、光學分光模組130、實像成像元件140以及控制單元150以一併整合於機殼110之內。虛像成像元件160用以將實像的投影影像轉換成多個虛像顯示畫面。於本實施例中，虛像成像元件160是以單一透鏡進行實現，且虛像成像元件160置於實像成像元件後方，以擴張實像的投影影像F1~F3而形成虛像影像S1~S3。於圖1A中，人眼可位於投影影像F1~F3的光線的上方或下方，藉以透過虛像成像元件160而看到虛像影像S1~S3。

投影單元120例如是採用雷射光源、發光二極體或其它合適光源的投影機。本實施例的投影單元120包括光源模組以及成像元件。光源模組例如是雷射、發光二極體或其他種類的光源。成像元件則可以是微機電掃描鏡、液晶顯示器、矽基液晶(Liquid Crystal On Silicon；LCoS)元件及數位微鏡裝置(Digital Micromirror Device；DMD)的其中之一。於本實施例中，成像元件是以用於雷射光源的微機電掃描鏡，其可受控於控制單元150。微機電掃描鏡可藉由控制單元150並以壓電式、靜電式或電磁式操作來驅動。

光學分光模組130包括多個光學鏡組131~133，這些光學鏡組131~133可沿X方向依照反射角度進行擺置。每個光學鏡組包括至少一個反射鏡或是其中一個透鏡所構成。於本實施例中，光學鏡組131包括兩個反射鏡1311、1312所構成，光學鏡組133包括兩個反射鏡1331、1332所構成，而光學鏡組132則是由透鏡所構成。於其他實施例中，光學鏡組132也可以由至少一個反射鏡或多個反射鏡的組合來取代；或是，光學分光模組130可直接省略光學鏡組132，端視應用本實施例者依照其需求而調整。該些光學鏡組131~133分別排列設置於光束投影畫面BF的路徑範圍內，以分別將光束投影畫面BF藉由透射或反射等方式而在實像成像元件140上投射出多個投影影像F1~F3。於本實施例中，由於光束投影畫面BF包括三個分割畫面以分別產生三個投影影像F1~F3，因此光學分光模組130是以三組光學鏡組131~133來做為舉例，但應用本實施例者可以調整光學鏡組的數量、設置結構以及光束投影畫面BF中分割畫面的數量來增加或減少投影影像的數量。例如，其他實施例的投影裝置可以藉由光束投影畫面BF來投影出2至5個不等數量的投影影像。下述描述將會更為詳細描述光學分光模組130及光束投影畫面BF之間的關係。

實像成像元件140可以是可撓性差的板件或是可撓式板件。以可撓式板件來說，實像成像元件140的厚度可以較薄而形同一膜結構，其可貼附於機殼110中或外部元件上。於其他實施例中，實像成像元件140可貼附於汽車擋風玻璃上。若將實像成像元件140貼附於汽車擋風玻璃上的話，使用者便可直接在實像成像元件140上看到實像的投影影像F1~F3，且不需要虛像成像元件160來產生遠方的虛像影像。本實施例的實像成像元件140，例如是透光擴散板，可設置於虛像成像元件160的焦距以內。控制單元150則可以是中央處理單元、複雜可編程邏輯裝置(CPLD)或場可編程閘陣列(FPGA)，藉以實現本發明實施例。

投影單元120可受控於控制單元150以形成光束投影畫面BF。光束投影畫面BF系沿著Z方向(投影方向)進行投影。光束投影畫面BF可包括三個分割畫面。此光束投影畫面BF的路徑上將會經過光學分光模組130以將光束投影畫面BF分割而投射出為多個投影子畫面PF1~PF3。並且，這些投影子畫面PF1~PF3分別投射至實像成像元件140以形成多個實像的投影影像F1~F3。來自於實像成像元件140的實像的投影影像F1~F3在經由虛像成像元件160後轉變成虛像影像S1~S3，藉以投射至使用者的眼睛。在此詳細描述虛像成像元件160。於本實施例中，虛像成像元件160可以是一個凹面的虛像成像透鏡，其內側例如具有半反射的鍍膜，即可實現本案實施例；而在其他實施例中，虛像成像元件160也可包括兩個以上的元件，例如包括成像透鏡、反射鏡、半反射鏡等組合。來自於實像成像元件140的實像投影影像F1~F3在經由虛像成像元件160後投射成虛像影像S1~S3。虛像影像S1~S3經過虛像成像元件160後，光線折射回人眼，且因虛像成像之故，會感覺在遠方成像。也就是說，人眼透過虛像成像元件160可觀看到投射在遠方的虛像畫面。如此一來，可縮短觀看者前方景象與投射在遠方的虛像畫面之間的間距，進而可減少駕駛者在視覺上遠、近切換的負擔。於其他實施例中，投影裝置100也可省略虛像成像元件160，此時投影裝置100投射出的影像是實像影像，且投射在實像成像元件140上。在此設計下，實像成像元件140可以是透光元件，如透明擴散片，或不透光元件，如白色屏幕。

於本實施例中，虛像成像元件160的擺置位置需在實像成像元件之後，且不會跟光學分光模組130設置於同處。為詳加說明符合本揭露的多種實施例，以下以圖3A至圖3C來說明投影裝置100的機殼110、實像成像元件140與虛像成像元件160之間的相對設置關係。圖3A至圖3C分別繪示投影裝置100、實像成像元件140與虛像成像元件160之間的多種設置架構的示意圖。於圖3A中，虛像成像元件160可與機殼110分離，且虛像成像元件160設置於實像成像元件中各投影影像F1~F3的投射方向D1。於圖3B中，虛像成像元件160也可藉由樞紐180以建置於機殼 110上，且虛像成像元件160設置於實像成像元件的投射方向D1。於圖3C中，虛像成像元件160可藉由長桿連結機構182以連接至機殼110，且虛像成像元件160設置於實像成像元件的投射方向D1。

特別提及的是，由於投影單元120的光束投影畫面BF通常採用長形的像素解析度/顯示寬高比(Display aspect ratio)，例如像素解析度為1280*720且顯示寬高比為16：9的光束投影畫面，導致經由此投影單元120所投影的光束投影畫面BF在經過投影裝置100以及其光學分光模組130的處理後產生的投影影像S1~S3將會十分狹長。圖4是投影單元120的光束投影畫面BF、分割畫面及虛像影像S1~S3的示意圖。請同時參考圖1及圖4，光束投影畫面BF具備三個分割畫面S11、S12及S13，並且光束投影畫面BF在經過投影裝置100以及其光學分光模組130的投射及分割後，可在車輛的顯示區域310(例如，車輛的前方擋風玻璃區域)中產生三個虛像影像S1~S3。於本實施例中，光束投影畫面BF中的分割畫面S11、S12及S13沿第一方向(例如，Y方向)排列，而實像投影影像F1~F3以及虛像影像S1~S3皆沿第二方向(例如，X方向)排列，其中第一方向與第二方向相異。特別說明的是，第一方向可為垂直方向，且第二方向可為水平方向。

由圖4可清楚得知，每個虛像影像S1~S3的像素解析度為1280x240，且顯示寬高比幾乎逼近5：1，導致每個虛像影像S1~S3的水平解析度與垂直解析度差異過大而使其畫質變差。此外，由於虛像影像過於狹長，導致兩側的虛像影像S1、S3會超過使用者的最佳觀看角度。換句話說，當使用者在觀看最左邊或最右邊的虛像影像S1、S3時，由於虛像成像元件的面積會限制虛像的可視範圍(Eyebox)，使用者仍可將頭部向左或右方移動才能看到虛像影像S1、S3，如此也可能會容易導致車輛事故的發生，喪失抬頭顯示器的原意。再者，由於實像成像元件140將受限於機殼110的寬度限制，當機殼110的寬度不足以使投影子畫面PF1~PF3皆成像於實像成像元件140上時，將導致虛像影像S1的最左邊部分區域及虛像影像S3的最右邊部分區域無法成像。基於上述問題，圖1的投影裝置100在實際應用於車輛上的抬頭顯示器時仍可能造成顯示畫面並非具備最佳畫面比例及像素解析度，並可能造成使用者的困擾。

藉此，本發明實施例所述的投影裝置100將藉由調整投影單元120來使虛像影像S1~S3具備最佳化的畫面長寬比例以及像素解析度。詳細來說，由於光束投影畫面依照Z方向(投影方向)進行投影，因此本發明實施例將投影單元120中的成像元件(如，掃描鏡)經設計以將其整體擺置從原本的正常擺置調整為將成像元件沿著由X方向及Y方向所構成的平面上旋轉一預定角度(例如，90度)，如圖5所示。圖5是依照本發明之一實施例所述的光束投影畫面BF、分割畫面及虛像影像S1~S3的示意圖。於本實施例中，光束投影畫面BF中的分割畫面S11、S12及S13沿第一方向(例如，Y方向)排列，而虛像影像S1~S3皆沿第二方向(例如，X方向)排列。經由將成像元件進行旋轉後，光束投影畫面BF的水平投影寬度(也就是，水平像素寬度，例如為720)將小於光束投影畫面BF的垂直投影寬度(也就是，垂直像素寬度，例如為1280)。藉此，虛像影像S1、S2的像素解析度便為720*427，而虛像影像S3的的像素解析度則可為720*426，且虛像影像S1~S3的顯示寬高比則近乎5：3(略為是1.69：1)，使得虛像影像S1~S3的水平解析度與垂直解析度差異接近於通常螢幕或輸出影像的比例。藉此，本發明實施例透過將成像元件(掃描鏡)進行轉動90度的方式，便可獲得投影裝置100最佳化之虛像影像S1~S3的顯示寬高比及像素解析度，且不需要再行調整其他硬體架構。在另一實施例中，也可直接將投影單元旋轉90度，同樣可獲得投影裝置100最佳化之虛像影像S1~S3的顯示寬高比及像素解析度。

另一方面，由於投影單元120中的掃描鏡被旋轉90度，使得投影單元120中的成像元件(掃描鏡)將從原本的水平線掃描方式(如箭頭410所示)被調整為垂直線掃描方式(如箭頭420所示)。如此一來，由於本發明實施例採用雷射光源做為光源模組以及藉由控制單元150來調整成像元件，使得使用者可透過控制單元150來驅動投影單元120中的光源模組，以調整此光束對光束投影畫面BF於垂直方向的雷射打點速度，從而增加成像元件的垂直解析度。例如，控制單元150藉由雷射光源的加速打點以將每條垂直方向掃描線軌跡的像素從原本的1280點提升至1620 點，則每個虛像畫面的解析度將可變為720x540，即4：3比例；或更高點數的話，將可使虛像影像S1~S3在垂直方向上的像素解析度能夠更為提升，讓使用者能更為清楚看見虛像影像S1~S3上顯示的資訊。採用雷射光源作為投影裝置100的成像光源，還可使虛像影像S1~S3具有最佳對比度、高亮度、高解析度、體積微型化、不需進行對焦…等優點。另一方面，雷射成像的光機架構較為簡單，不用加設複雜機構即可實現投影裝置100，具有成本優勢。

請再參照圖1，由於投影裝置100採用雷射光來作為光源模組，導致控制單元150對光源模組的雷射驅動信號的傳輸速度達數百MHz以上，因此以往在針對雷射光源進行高速調變的產品中，如雷射光通訊模組(Optical communication module)，或如本實施例一樣以雷射高速調變的投影裝置100，在傳統的電路設計觀念上必須要將控制單元150盡量貼近投影單元120，以避免高頻信號的傳輸錯誤。然而，機殼110中便需要設置投影單元120、光學分光模組130以及用於架設控制單元150的基板，導致投影裝置100的體型無法縮小。藉此，為縮小投影裝置100的體型，本發明實施例便希望將投影單元120與光學分光模組130形成裝置本體，並藉由較長的傳輸電線以連接投影單元120與控制單元150，使得裝置本體可以選擇性地與控制單元150設置在鄰近空間或是不同空間。如此一來，投影單元120與光學分光模組130所形成的裝置本體可以不需包含控制單元150的基板，控制單元150可藉由較長(例如，1~4米)的軟排電線來連接至投影單元120，並且不會有信號延遲的問題。於本實施例中，控制單元150可內建於汽車內裝設的車用影音系統內，並藉由此軟排電線或是無線式傳輸技術來連接至設置於汽車內部，例如儀表板、後視鏡、遮陽板等位置的投影單元120，藉以縮小投影裝置100的體型。於本實施例中，由於控制單元150以及投影單元120之間需要相互傳遞控制訊號以及電能，因此上述的無線式傳輸技術可以包含以無線方式來傳輸控制訊號以及無線式能量傳輸技術。

詳細而言，本發明實施例中的控制單元150採用差動輸出高頻光感測器來降低信號傳輸過程中的錯誤。差動輸出高頻光感測器可藉由差動訊號的特性來放大差模信號，並藉由主動式濾波器來消除共模雜訊。此外，控制單元150採用高感度的抗雜訊電路設計，其設計在將經過長距離傳輸後造成的信號振幅衰減進行振幅放大調整，並同時要在信號振幅放大與操作頻寬之間取得平衡點。此外，本發明實施例也針對控制單元150的時序校正進行設計，在投影裝置內部是以同步取樣方式進行信號傳遞及功能處理。若長距離傳輸後的信號延遲大於系統同步時間(12.5ns)，則控制單元150中的控制程序便可能會有出錯的疑慮。因此，控制單元150中具備時序校正邏輯電路以避免信號延遲。詳細來說，時序校正邏輯電路會先行需要測量信號在長距離傳輸造成的延遲時間，並記錄雷射投影至光感測器的時間。然後，再利用鎖相迴路(Phase-locked loop；PLL)元件來產生大於80MHz的時脈，使得時序校正邏輯電路進行光感測訊號相位偵測，並將相位誤差於下一級邏輯管線中進行補償，以維持投影同步的控制穩定性。

綜上所述，本發明實施例所述的投影裝置具有光學分光模組，以藉由單個影像來源產生多個投影畫面。並且，所述投影裝置可藉由調整投影單元的投影角度以使這些投影畫面能夠獲得較佳的畫面比例與解析度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

410、420‧‧‧箭頭

S1~S3‧‧‧虛像影像

BF‧‧‧光束投影畫面

S11~S13‧‧‧分割畫面

310‧‧‧顯示區域

X、Y‧‧‧方向

Claims

一種投影裝置，包括：一投影單元，形成一光束投影畫面，其中該光束投影畫面的一水平投影寬度小於該光束投影畫面的一垂直投影寬度；一光學分光模組，將該光束投影畫面分割而投射出多個投影子畫面；以及一實像成像元件，其中該些投影子畫面分別投射至該實像成像元件以形成多個投影影像，其中該光束投影畫面包括多個分割畫面，該些分割畫面沿一第一方向排列，該些投影影像沿一第二方向排列，且該第一方向與該第二方向相異。
如申請專利範圍第1項所述之投影裝置，其中該光學分光模組包括：多個光學鏡組，該些光學鏡組排列設置於該光束投影畫面的路徑範圍內，以分別將對應的該些分割畫面以透射或反射方式而在該實像成像元件上投射出該些投影影像。
如申請專利範圍第1項所述之投影裝置，其中該第一方向為垂直方向，且該第二方向為水平方向。
如申請專利範圍第2項所述之投影裝置，其中該些光學鏡組包括至少一個反射鏡或至少一個透鏡。
如申請專利範圍第1項所述之投影裝置，其中該投影單元包括：一光源模組，用以產生一光束；以及一成像元件，透過該光束以形成該投影畫面。
如申請專利範圍第5項所述之投影裝置，其中該光源模組是雷射光源或發光二極體光源。
如申請專利範圍第5項所述之投影裝置，其中該成像元件的該光束投影畫面具有一投影方向，該成像元件的投影角度的整體擺置沿著該投影方向的垂直平面以被旋轉一預定角度，藉以使該光束投影畫面的該水平投影寬度小於該光束投影畫面的該垂直投影寬度。
如申請專利範圍第5項所述之投影裝置，更包括：一控制單元，耦接該投影單元中的該光源模組與該成像元件，傳輸用以形成該光束投影畫面的一影像資料至該成像元件，其中該控制單元驅動該光源模組以調整該光束對該光束投影畫面於垂直方向的打點速度。
如申請專利範圍第8項所述之投影裝置，其中該控制單元調整傳輸至該成像元件的該影像資料，以避免該些投影影像失真或扭曲。
如申請專利範圍第8項所述之投影裝置，其中該投影單元與該光學分光模組形成一裝置本體，並且該裝置本體選擇性地與該控制單元設置在鄰近空間或是不同空間，且該投影單元與該控制單元之間以一電線或以一無線傳輸技術連接。
如申請專利範圍第5項所述之投影裝置，其中該成像元件是一微機電掃描鏡、一液晶顯示器、一矽基液晶元件及數位微鏡裝置的其中之一。
如申請專利範圍第11項所述之投影裝置，其中該微機電掃描鏡是以壓電式、靜電式或電磁式操作來驅動。
如申請專利範圍第1項所述之投影裝置，其中該實像成像元件為透光擴散板，且該投影裝置為車用抬頭顯示器。
如申請專利範圍第1項所述之投影裝置，更包括：一虛像成像元件，將實像的該些投影影像轉換成多個虛像顯示畫面。