TWI638190B - Optical projection system and device thereof - Google Patents

Abstract

本發明為有關一種光學投影系統及其裝置，主要結構包括一外殼體、至少一結合部、及一設於該外殼體內之光學投影系統，該光學投影系統則包括一成像單元、一反射鏡、一反射曲面鏡及至少一光學透鏡。成像單元投射之預定影像係經過反射鏡的反射後打在反射曲面鏡，以調整成像路徑及減少像差，路徑中更以光學透鏡放大該預定影像，使該預定影像透過一擋風玻璃反射至使用者眼睛，而於該擋風玻璃外折射形成該預定影像之虛像，藉此在較小的空間內，以簡單的結構實現三角成像原理，並擴大成像範圍、減少像差問題，且可透過外殼體簡單組設於儀錶板外。

Description

光學投影系統及其裝置

本發明為提供一種光學投影系統及其裝置，尤指一種將結構簡單、體積較小、可遠距離虛擬成像、像差較小之抬頭顯示技術，結合於拆卸式外殼體中，使抬頭顯示器具有後裝市場的便利性之光學投影系統及其裝置。

按，抬頭顯示器(Head Up Display，HUD)可讓使用者在觀看前方景物的同時，以相同視角檢視抬頭顯示器所投射出的虛像資訊，而不必低頭觀看儀表板，此便利性及所帶來的安全性，即為汽車抬頭顯示器漸漸成為近代潮流的一大關鍵。

請參閱第一圖所示，係為習知抬頭顯示器之實施示意圖。抬頭顯示器包含有一盒體91，盒體91內具有一可將影像資訊射出之顯像裝置92，並經過至少二道光學面鏡93、94，將影像資訊射向駕駛人前方的汽車擋風玻璃95，使該影像資訊的虛像能經反射後呈現，而被駕駛人的眼睛所看見。其中，抬頭顯示器的盒體91要把二維的影像以一定的視場角(F.O.V)投射出去，就必需具有一定的體積，才可以藉由二光學面鏡93、94將二維的影像射向擋風玻璃95，而要將此盒體91組設在汽車駕駛座前方有限的空間裡，若不想犧牲汽車前景，即需在汽車出廠前結合於儀表板內的空間中，且因光路是垂直的，盒體91體積較厚，導致其組設上變得十分困難。

然而欲縮小抬頭顯示器的體積或將整體薄型化，就會面臨三個光學設計上的問題：虛像放大、視角與像差。使用微投影機或液晶顯示器(LCD)當作顯示裝置時，為實現遠距虛像式抬頭顯示器，還必須配合後端的虛像放大光學系統(Relay Optics)，但是，虛像放大系統的設計不易，無法用精簡的光學架構有效消除大視角之像差(Aberration)，而視角範圍小會導致顯示資訊少，限制了抬頭顯示器的應用功效；此外，由於擋風玻璃為不規則曲面，會造成反射至眼睛時，影像的變形與像差，而欲消除影像的變形與像差是非常困難的，面鏡必須是大面 積的非球面鏡面(Aspherical Surface)，或需再增設其他透鏡用來解決像差問題，如此則會增加零組件的製作成本，提高生產組裝的難度。也因此，目前在汽車上裝設抬頭顯示器的普及率一直無法提升。

是以，要如何解決上述習用之問題與缺失，並達到放大虛像並解決因擋風玻璃造成的影像變形與像差，以提升整體的影響品質，即為本發明之發明人與從事此行業之相關廠商所亟欲研究改善之方向所在者。

故，本發明之發明人有鑑於上述缺失，乃蒐集相關資料，經由多方評估及考量，並以從事於此行業累積之多年經驗，經由不斷試作及修改，始設計出此種將結構簡單、體積較小、可遠距離虛擬成像、像差較小之抬頭顯示技術，結合於拆卸式外殼體中，使抬頭顯示器具有後裝市場的便利性之光學投影系統及其裝置的發明專利者。

本發明之主要目的在於：利用反射鏡、反射曲面鏡及光學透鏡的組合，以三角成像技術達成遠距離虛擬成像，而有效縮小鏡片之必要體積。

本發明之另一主要目的在於：將光學投影系統結合於外殼體內，而賦予其可簡單、快速結合於儀錶板外的後裝便利性。

為達成上述目的，本發明之主要結構包括：一外殼體，該外殼體一側界定有至少一結合部，係供該外殼體可拆卸的設置於一儀表板外側，並於該外殼體上設有一供投射至少一預定影像之成像單元，且該外殼體內設有一位於該成像單元一側之反射鏡，係供接收及反射該預定影像，並於該外殼體內設有一位於該反射鏡之反射路徑上的反射曲面鏡，係供調整成像路徑及減少虛像像差，並將該預定影像投射至擋風玻璃上，進而反射至使用者眼睛，而使預定影像之虛像於擋風玻璃外側處成像，及於該外殼體上設有至少一位於該成像路徑上之光學透鏡，係供放大該預定影像；俾當使用者將本發明做為抬頭顯示器使用時，係由該成像單元投射出預定影像，使其經過反射鏡的反射後打在反射曲面鏡，以調整成像路徑及校正像差，路徑中更以光學透鏡放大該預定影像，使該預定影像透過一擋風玻璃反射至使用者眼睛，而於該擋風玻璃外折射形成該預定影像之虛像，藉此在較小的空間內，以簡單的結構實現三角成像原理，並擴大成像範圍、減少像差問題，且可透過外殼體簡單組設於儀錶板外，使本發明具有後裝市場的便利性及發展性。

藉由上述技術，可針對習用抬頭顯示器所存在之體積太大、成像視角範圍較小、容易出現影像像差、結構設計複雜及與車輛組設之便利性不足等問題點加以突破，達到上述優點之實用進步性。

〔本案符號說明〕

1、1a、1c‧‧‧成像單元

11a‧‧‧無線連結模組

12、12a‧‧‧預定影像

2、2a、2c‧‧‧反射鏡

3、3a、3c‧‧‧反射曲面鏡

4、4a‧‧‧光學透鏡

41‧‧‧防護層

5a、5b、5c‧‧‧外殼體

51a‧‧‧結合部

6b、6c‧‧‧角度調節裝置

61c‧‧‧驅動元件

62c‧‧‧記憶單元

63c‧‧‧操作模組

7、7a‧‧‧擋風玻璃

8a‧‧‧電子裝置

α‧‧‧第一夾角

β‧‧‧第二夾角

γ‧‧‧第三夾角

〔習知符號說明〕

91‧‧‧盒體

92‧‧‧顯像裝置

93‧‧‧面鏡

94‧‧‧面鏡

95‧‧‧擋風玻璃

第一圖 係為習知抬頭顯示器之實施示意圖

第二圖 係為本發明較佳實施例之鏡面位置關係圖。

第三圖 係為本發明較佳實施例之成像路徑示意圖。

第四圖 係為本發明再一較佳實施例之立體透視圖。

第五圖 係為本發明再一較佳實施例之組裝示意圖。

第六圖 係為本發明再一較佳實施例之實施示意圖。

第七圖 係為本發明又一較佳實施例之結構示意圖。

第八圖 係為本發明另一較佳實施例之結構示意圖。

為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及構造，茲繪圖就本發明較佳實施例詳加說明其特徵與功能如下，俾利完全了解。

請參閱第二圖及第三圖所示，係為本發明較佳實施例之鏡面位置關係圖及成像路徑示意圖，由圖中可清楚看出本發明之光學投影系統係包括：一成像單元1，係供投射至少一預定影像12；一設於該成像單元1一側之反射鏡2，係供接收及反射該預定影像12；一設於該成像單元1一側且位於該反射鏡2之反射路徑上的反射曲面鏡3，係供調整成像路徑及減少虛像像差，並將該預定影像12投射至擋風玻璃7上，進而反射至使用者眼睛，而使預定影像12之虛像於擋風玻璃7外側處成像，且該反射曲面鏡3係包含複數種曲率，且該些曲率係由一數學方程式定義而成；及至少一設於該成像路徑上之光學透鏡4，係供放大該預定影像12，且該光學透鏡4係為菲涅爾透鏡(Fresnel lens)，並於該光學透鏡4上具有一防護層41。

其中該成像單元1及該反射鏡2間界定有一第一夾角α，該反射鏡2及該反射曲面鏡3間界定有一第二夾角β，而該成像單元1及該反射曲面鏡3間界定有一第三夾角γ，且該第一夾角α係為15度至70度，該第二夾角β係為30度至 90度，並該第三夾角γ係為75度至140度，且該第一夾角α之最佳值係為30度至40度，該第二夾角β之最佳值係為50度至60度，而該第三夾角γ之最佳值係為95度至105度。

藉由上述構件組構時，由圖中可清楚看出，本發明之光學投影系統主要由成像單元1、反射鏡2(平面鏡或凸面鏡)、反射曲面鏡3、光學透鏡4(較佳為菲涅爾透鏡，亦可為凸透鏡或光學透明薄材)等與擋風玻璃7配合作用而產生遠距離虛像。其中，該成像單元1、該反射鏡2及該反射曲面鏡3係位於同一水平面，故成像單元1較佳的將預定影像12以平行光側向投射至該反射鏡2上，並利用自由曲率的的反射曲面鏡3改變反射光線的路徑以向上射出(此時成像路徑才由該反射曲面鏡3獲得向上的垂直分量)，同時達到校正像差之目的，且因光學透鏡4具有一防護層41可直接設置於外殼體1鏤空處，而具有保護防塵之功能，同時避免額外設置的透光元件(如塑膠、玻璃、壓克力等)影響成像效果。其中反射曲面鏡3因包含有複數種曲率，可配合反射鏡2的發散距離及角度進行全面的像差校正，故該反射曲面鏡3的曲率為非固定曲率，並乃經由精密的計算統整出一數學方程式，以藉該數學方程式製作此種具有特殊曲率設計的反射曲面鏡3，該數學方程式則如下所示：

其中A_iE_i(x,y)=A₁x+A₂y+A₃xy+A₄x²+A₅xy+A₆y²+A₇x³+A₈x²y+…A_i為自然數，i=1,2,3,...，z為鏡面深度(seg)，r為鏡面上任一點治光軸之垂直高度，，c為鏡面中心曲率，k為二次曲面常數值。

而預定影像12除了可在反射曲面鏡3處初步放大，更經由反射曲面鏡3轉向後的成像路徑，再經由光學透鏡4的放大效果，將該預定影像12投射至擋風玻璃7，以使該預定影像12透過擋風玻璃7反射至使用者眼睛，而於該擋風玻璃7外折射形成該預定影像12之虛像(大約形成於使用者前方兩公尺處)。如此一來，即可藉由上述結構，配合第一夾角α、第二夾角β與第三夾角γ的配置，而以三角成像技術達成遠距離虛擬成像，並因該光學透鏡4係為菲涅爾透鏡，可有效縮小鏡片之必要體積，同時克服像差的問題。

再請同時配合參閱第四圖、第五圖及第六圖所示，係為本發明再一較佳實 施例之立體透視圖、組裝示意圖及實施示意圖，由圖中可清楚看出，本實施例係將上述光學投影系統設於一外殼體5a中，其中該外殼體5a一側界定有至少一結合部51a，係供該外殼體5a可拆卸的設置於一儀表板外側，而成像單元1a係設於該外殼體5a上，反射鏡2a及反射曲面鏡3a設於外殼體5a內，光學透鏡4a則設於該外殼體5a頂面之可視範圍內。另於該外殼體5a內具有一電性連結該成像單元1a之無線連結模組11a，係供與一電子裝置8a無線連結以接收該預定影像12a並傳遞給該成像單元1a。藉此，因前述光學投影技術可縮小鏡片之必要體積(包含鏡片本身之尺寸及鏡片間的空間位置)，故可確實結合於該外殼體5a中，而配合外殼體5a的結合部51a，即可由使用者簡單設置於儀表板外側，而無需假藉專業人士之手，當然也無需在汽車出廠前預先埋設於駕駛座前方，而具有後裝市場的便利性。其中該結合部51a可為防滑結構、黏貼結構、或卡固定位結構(延伸固定於儀表板前緣或擋風玻璃7a一側的出風口)。

又請同時配合參閱第七圖所示，係為本發明又一較佳實施例之結構示意圖，由圖中可清楚看出，本實施例與上述實施例為大同小異，僅於該外殼體5b上設有至少一角度調節裝置6b，係供改變該成像路徑投射出該外殼體5b之角度。其中該角度調節裝置6b係為萬向調節件，可設置於外殼體5b外，供使用者直接手動調整外殼體5b，以適當的調整最後的成像效果。

另請同時配合參閱第八圖所示，係為本發明另一較佳實施例之結構示意圖，由圖中可清楚看出，本實施例與上述實施例為大同小異，僅令該角度調節裝置6c更包含至少一驅動元件61c、一供記錄角度參數之記憶單元62c、及一設於該外殼體5c上且電性連結該驅動元件61c及該記憶單元62c之操作模組63c，係供選擇該角度參數以設定該驅動元件61c。藉此，使用者可根據不同車款或不同擋風玻璃之角度，利用角度調節裝置6c設定不同的成像角度。實際操作時，則利用外殼體5c上的操作模組63c選擇記憶單元62c中預存的角度參數組合，選定後即可透過驅動元件61c自動控制成像單元1c、反射鏡2c與反射曲面鏡3c之角度位置關係，藉以符合各式車款。

惟，以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之簡易修飾及等效結構變化， 均應同理包含於本發明之專利範圍內，合予陳明。

綜上所述，本發明之光學投影系統及其裝置於使用時，為確實能達到其功效及目的，故本發明誠為一實用性優異之發明，為符合發明專利之申請要件，爰依法提出申請，盼 審委早日賜准本發明，以保障發明人之辛苦發明，倘若鈞局審委有任何稽疑，請不吝來函指示，發明人定當竭力配合，實感德便。

Claims (9)

1. 一種光學投影系統，其包括：一成像單元，係供投射至少一預定影像；一設於該成像單元一側之反射鏡，係供接收及反射該預定影像；一設於該成像單元一側且位於該反射鏡之反射路徑上的反射曲面鏡，係供調整成像路徑及減少虛像像差，並將該預定影像投射至擋風玻璃上，進而反射至使用者眼睛，而使預定影像之虛像於擋風玻璃外側處成像；及至少一設於該成像路徑上之光學透鏡，係供放大該預定影像；所述成像單元及該反射鏡間界定有一第一夾角，該反射鏡及該反射曲面鏡間界定有一第二夾角，而該成像單元及該反射曲面鏡間界定有一第三夾角，且該第一夾角係為15度至70度，該第二夾角係為30度至90度，並該第三夾角係為75度至140度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學投影系統，其中該光學透鏡係為菲涅爾透鏡(Fresnel lens)。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光學投影系統，其中該光學透鏡上具有一防護層。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光學投影系統，其中該反射曲面鏡係包含複數種曲率，且該些曲率係由一數學方程式定義而成。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光學投影系統，其中該第一夾角之最佳值係為30度至40度，該第二夾角之最佳值係為50度至60度，且該第三夾角之最佳值係為95度至105度。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光學投影系統，其中該成像單元、該反射鏡及該反射曲面鏡係位於同一水平面，以使該成像路徑僅由該反射曲面鏡獲得垂直方向之分量。
7. 一種光學投影裝置，其包括：一外殼體；至少一界定於該外殼體一側之結合部，係供該外殼體可拆卸的設置於一儀表板外側；一設於該外殼體上之成像單元，係供投射至少一預定影像； 一設於該外殼體內且位於該成像單元一側之反射鏡，係供接收及反射該預定影像；一設於該外殼體內且位於該反射鏡之反射路徑上的反射曲面鏡，係供調整成像路徑及減少虛像像差，並將該預定影像投射至擋風玻璃上，進而反射至使用者眼睛，而使預定影像之虛像於擋風玻璃外側處成像；及至少一設於外殼體上且位於該成像路徑上之光學透鏡，係供放大該預定影像。
8. 如申請專利範圍第7項所述之光學投影裝置，其中該外殼體內具有一電性連結該成像單元之無線連結模組，係供接收該預定影像並傳遞給該成像單元。
9. 如申請專利範圍第7項所述之光學投影裝置，其中該外殼體上設有至少一角度調節裝置，係供改變該成像路徑投射出該外殼體之角度。