TWI693430B - 抬頭顯示器與運輸工具 - Google Patents

Abstract

抬頭顯示器包括一影像源、一可調焦透鏡組、至少一反射鏡以及一控制單元。影像源用以顯示一影像畫面並產生對應的一影像光束。可調焦透鏡組設於影像光束之行進路徑上。影像光束由可調焦透鏡組射出之後，會被反射鏡反射至一透明屏幕上，再被透明屏幕進一步反射而進入使用者的眼睛可視範圍，使得使用者觀看到影像畫面的一虛像，且虛像的成像位置與使用者分別位在透明屏幕的不同側。控制單元用以控制虛像的成像位置，並隨著成像位置距離透明屏幕之遠近而同時調整影像源所顯示之影像畫面之大小，使得使用者觀看虛像的視角大小保持不變。

Description

抬頭顯示器與運輸工具

本發明是有關於一種抬頭顯示器與運輸工具，尤其關於一種能夠根據行車速度調整投射影像尺寸以及成像距離的抬頭顯示器與運輸工具，使得影像可融入使用者的視野環境，以改善使用經驗。

抬頭顯示器已應用於車輛中，可用來將車速、油量、導航資訊等內容顯示在駕駛眼睛前方的可視範圍內，使得駕駛可以不需低頭便能同時看到顯示器的投射畫面與車輛前方的狀況。一般而言，當駕駛在操控車輛行進時，眼睛看前方的視野有一定的限制，隨著車速增高，駕駛的視線焦點會變遠，能注意到的視野範圍會逐漸縮小。然而，習知抬頭顯示器(head-up display，HUD)的影像成像距離及大小皆為固定，因此在高速行駛的狀況下，影像在視野範圍內所佔有的比例會增加而影響到駕駛觀看車輛前方道路的可視範圍，也會導致影像焦距與人眼焦距不同而產生影像與環境分離的錯覺，造成駕駛的不便及安全上的疑慮。

本發明的主要目的之一在於提供一種抬頭顯示器與搭載此抬頭顯示器之運輸工具，其中抬頭顯示器會根據行車速度調整投射影像尺寸以及成像距離，使得影像可融入視野環境。

為達上述目的，本發明的一實施例提供一種抬頭顯示器，其包括一影像源、一可調焦透鏡組、至少一反射鏡以及一控制單元。影像源用以顯示一影像畫面並產生對應的一影像光束。可調焦透鏡組設於影像光束之行進路徑上。影像光束由可調焦透鏡組射出之後，會被反射鏡反射至一透明屏幕上，再被透明屏幕進一步反射而進入使用者的眼睛可視範圍，使得使用者觀看到影像畫面的一虛像，且虛像的成像位置與使用者分別位在透明屏幕的不同側。控制單元用以控制虛像的成像位置，並隨著成像位置距離透明屏幕之遠近而同時調整影像源所顯示之影像畫面之大小，使得使用者觀看虛像的視角大小保持不變，影像在使用者視野中佔有固定的比例，避免遮蔽使用者的可視範圍，並藉此融入視野環境。

為達上述目的，本發明的一實施例還提供一種運輸工具，其包括上述之抬頭顯示器，其中透明屏幕為運輸工具之擋風玻璃。

100:抬頭顯示器

102:影像源

1021、1022、1023:最大投射畫面

1021a、1022a、1023a:影像畫面

1022b、1023b:周圍畫面

104:可調焦透鏡組

1041:第一透鏡組

1042:第二透鏡組

1043:機械單元

106:反射鏡

108:控制單元

200:使用者

300:運輸工具

302:透明屏幕

304:資訊採集單元

A:面積

d1、d2、d3:成像距離

I、I1、I2、I3:虛像

L:影像光束

L1、L2、L3、L4、L5、L6:透鏡

L31:第一子透鏡

L32:第二子透鏡

L51:第三子透鏡

L52:第四子透鏡

r11、r21、r31、r41、r51、r61:前表面

r12、r22、r33、r42、r53、r62:後表面

r32、r52:共用表面

X:光軸

α:視角

圖1為本發明抬頭顯示器與運輸工具的一實施例的示意圖。

圖2為圖1所示本發明抬頭顯示器與運輸工具的功能方塊圖。

圖3為圖1所示本發明抬頭顯示器的可調焦透鏡組的示意圖。

圖4為圖1所示本發明抬頭顯示器的成像位置的示意圖。

圖5為圖1所示本發明抬頭顯示器調整影像源的影像畫面尺寸的示意圖。

以下結合附圖和具體實施例而對本發明作進一步說明，以使本領域的技術人員可以更好的理解本發明並能予以實施，但所舉實施例不作為對本發明的限定。

請參考圖1至圖2，其中圖1為本發明抬頭顯示器與運輸工具的一實施例的示意圖，圖2為圖1所示本發明抬頭顯示器與運輸工具的功能方塊圖。如圖1與圖2所示，本發明抬頭顯示器100可應用並裝設於一運輸工具300中，並可位於運輸工具300上一個透明屏幕302的前側，其中本實施例的運輸工具300舉例為汽車，透明屏幕302為擋風玻璃，而使用者200為汽車駕駛，但本發明不以此為限，抬頭顯示器100可應用於任何需要在使用者前方顯示影像的設備中，且不限制抬頭顯示器100的裝設位置。根據本實施例，抬頭顯示器100包括一影像源102、一可調焦透鏡組104、至少一反射鏡106以及一控制單元108。影像源102用來顯示一影像畫面並產生對應的一影像光束L，影像源102可例如是液晶(liquid crystal)投影機、數位光學處理(digital light processing，DLP)投影機等能夠顯示影像畫面的裝置，但不以此為限。抬頭顯示器100中的反射鏡106與影像源102相對設置，且反射鏡106的反射面面向使用者200，而可調焦透鏡組104設置於影像源102與反射鏡106之間，亦即可調焦透鏡組104是設於影像光束L的行進路徑上，使得影像光束L在到達反射鏡106前會先以背向使用者200的方向行進至可調焦透鏡組104，並可透過可調焦透鏡組104而改變虛像的成像位置，甚至放大影像尺寸， 例如影像光束L在經過可調焦透鏡組104後會因折射而改變行進路徑，進而形成放大的影像。再者，影像光束L由可調焦透鏡組104射出之後，會被反射鏡106反射至透明屏幕302上，而其中至少一部分的影像光束L會再被透明屏幕302進一步反射而進入使用者200的眼睛可視範圍，使得使用者200可感知並觀賞到影像畫面的一虛像I。如圖1所示，使用者200所感受到的虛像I的成像位置與使用者200分別位在透明屏幕302的不同側，換句話說，對於使用者200而言，虛像I的成像位置位在透明屏幕302的後側。

需注意的是，本實施例的反射鏡106舉例為一凹面鏡，例如可以是一非球面鏡或一自由曲面鏡，但不以此為限。並且，本發明並不以圖1所繪示的內容來限定抬頭顯示器100中的反射鏡106數量、種類、設置位置與設置角度，例如抬頭顯示器100也可同時包括多個相同或不相同的反射鏡，形成一反射鏡組，其主要目的在於改變從可調焦透鏡組104射出的影像光束L的行進路徑，使其以特定角度反射至透明屏幕302上的適當位置。在某些實施例中，也可經由調整反射鏡106或反射鏡組的設計，使得由影像光束L構成的影像畫面在行進至透明屏幕302上時，被局部或全部地放大或縮小。

此外，本發明抬頭顯示器100的控制單元108耦合於可調焦透鏡組104，可控制可調焦透鏡組104而調整其焦距，進而控制虛像的成像位置，並隨著虛像的成像位置距離透明屏幕302的遠近而同時調整影像源102所顯示的影像畫面大小，使得使用者200觀看虛像的視角大小保持不變。控制單元108的運作方式將於後文介紹。

以下進一步詳細介紹本實施例之可調焦透鏡組104。請參考圖3，圖3為圖1所示本發明抬頭顯示器的可調焦透鏡組的示意圖。本實施例的可調焦透鏡組104包括一第一透鏡組1041與一第二透鏡組1042，依序沿著影像光束L的行進方向設置於影像源102與反射鏡106(繪於圖1)之間，亦即第二透鏡組1042是位於第一透鏡組1041與反射鏡106之間。第一透鏡組1041包括透鏡L1、透鏡L2及透鏡L3依序沿著影像光束L的行進方向設置，其中透鏡L3為膠合透鏡，其包括第一子透鏡L31與第二子透鏡L32，且第一子透鏡L31位於透鏡L2與第二子透鏡L32之間。第二透鏡組1042包括透鏡L4、透鏡L5及透鏡L6依序沿著影像光束L的行進方向設置，其中透鏡L5為膠合透鏡，其包括第三子透鏡L51與第四子透鏡L52，且第三子透鏡L51位於透鏡L4與第四子透鏡L52之間。第二透鏡組1042可沿著光軸X(大體上平行於光束L的行進方向)前後移動，如圖3中的空心箭頭所示，以改變第一透鏡組1041與第二透鏡組1042之間的距離，進而調節可調焦透鏡組104的焦距。因此，本實施例之可調焦透鏡組104為一機械式可調焦透鏡組，利用透鏡組間透鏡距離的改變而調整透鏡組的整體焦距。請同時參考第2圖及第3圖，根據本發明，可調焦透鏡組104可另包含一機械單元1043(如第2圖)，用來驅動或移動第二透鏡組1042(如第3圖)，使其沿著光軸X前後移動。舉例而言，機械單元1043可以包含馬達、移動軌道、齒輪與齒輪條、磁鐵與線圈、或上述之任意組合，但不以此為限。如第2圖，抬頭顯示器100內的控制單元108可耦合於機械單元1043，以控制機械單元1043作動而使第二透鏡組1042(如第3圖)前後移動。在變化實施例中，也可設計為使第一透鏡組1041能沿著光軸X方向前後移動，或是設計使第一透鏡組1041與第二透鏡組1042皆可沿著光軸X方向前後移動，以調整透鏡組的整體焦距。

本實施例可調焦透鏡組104中各透鏡的厚度範圍、各透鏡之間的距離以及各透鏡的曲率半徑範圍請參考以下表1、表2及表3。在表3中，透鏡L1面對影像源102的表面定義為前表面，以符號r11表示，透鏡L1相反於影像源102的表面定義為後表面，並以符號r12表示，換句話說，由影像源102射出的影像光線L會先由前表面r11入射至透鏡L1，再由後表面r12射出。在可調焦透鏡組104的設置中，前表面r11與後表面r12分別為透鏡L1的入光面與出光面。其他透鏡的前表面與後表面的定義類似或相同於透鏡L1，不再贅述。因此，透鏡L2具有一前表面r21及一後表面r22；透鏡L3具有一前表面r31、一後表面r33及一共用表面r32(第一子透鏡L31的出光面和第二子透鏡L32的入光面)；透鏡L4具有一前表面r41及一後表面r42；透鏡L5具有一前表面r51、一後表面r53及一共用表面r52(第三子透鏡L51的出光面和第四子透鏡L52的入光面)；而透鏡L6具有一前表面r61及一後表面r62。需注意的是，各表格中的數據僅為本發明實施例的舉例，並非用來限制本發明可調焦透鏡組104中各透鏡的詳細條件與參數。

請參考圖2、圖4與圖5，其中圖4為圖1所示本發明抬頭顯示器的成像位置的示意圖，而圖5為圖1所示本發明抬頭顯示器調整影像源的影像畫面尺寸的示意圖。本實施例抬頭顯示器100利用圖2所示的控制單元108而控制虛像I(示於圖1)的成像位置，並隨著成像位置距離透明屏幕302之遠近而同時調整影像源102所顯示之影像畫面的大小。舉例而言，本實施例控制單元108可藉由前述之方法調整可調焦透鏡組104的焦距，使虛像I有三種成像位置，分別以虛像I1、虛像I2及虛像I3表示，其成像位置與透明屏幕302的距離則分別為成像距離d1、成像距離d2及成像距離d3，其中d1<d2<d3。需注意的是，在調整不同成像位置時，控制單元108會隨著成像位置距離透明屏幕302遠近(亦即成像距離)之改變，同時控制並調整影像源102所顯示之影像畫面的大小。其中，控制單元108調整虛像I之成像位置與影像畫面之尺寸大小的原則包括：不論虛像I1、虛像I2或虛像I3之成像位置距離透明屏幕302較遠或較近，都會使反射至透明屏幕302上之影像畫面在透明屏幕302上佔有相同的面積A，使得使用者觀看虛像I1、虛像I2及虛像I3的視角α大小皆保持不變，影像畫面在使用者視野中皆佔有固定的 比例。

舉例而言，如圖4與圖5所示，當控制單元108控制虛像I1之成像位置最靠近透明屏幕302(成像距離d1)時，影像源102所投射出的影像畫面1021a的尺寸為影像源102可以顯示的最大投射畫面1021。當控制單元108控制虛像I2之成像位置離透明屏幕302稍遠時(成像距離d2)，控制單元108會同時控制影像源102使其縮小所顯示之影像畫面的尺寸，例如在影像源102所能呈現之最大投射畫面1022中包括稍微縮小之影像畫面1022a與周圍畫面1022b，其中周圍畫面1022b可為影像源102未顯示或不投影出光束之部分，但不以此為限。在影像畫面1022a與周圍畫面1022b所構成之最大投射畫面1022中，影像畫面1022a的尺寸相較影像畫面1021a是被縮小的。再者，當控制單元108控制虛像I3之成像位置離透明屏幕302最遠時(成像距離d3)，則控制單元108會同時控制影像源102進一步縮小所顯示之影像畫面尺寸，例如在影像源102所能呈現之最大投射畫面1023中，同時包括更小的影像畫面1023a與面積更大的周圍畫面1023b，其中影像畫面1023a相較於影像畫面1022a的尺寸更小，而周圍畫面1023b相較於周圍畫面1022b有更大的面積。簡而言之，當控制單元108控制虛像I之成像位置較遠離透明屏幕302時，則同時控制影像源102縮小所顯示之影像畫面的尺寸，而當控制單元108控制虛像之成像位置較接近透明屏幕302時，則同時控制影像源102放大所顯示之影像畫面的尺寸，以達到上述本發明抬頭顯示器100的發明目的之一：不論虛像I的成像遠近，使用者200觀看影像畫面的視角α都不會改變，使用者200所感知到的影像在透明屏幕302上都佔有相同的面積，以確保不會因為虛像I的成像位置改變而同時改變感知影像在透明屏幕302上的面積，進而遮檔使用者200的視線。

需注意的是，本發明實施例雖以圖4與圖5的三種成像位置不同的虛像和三種影像畫面尺寸為例來說明本發明的設計精神，但本發明抬頭顯示器亦可線性的調整各虛像的成像位置與影像畫面之尺寸，並非限制虛像僅能有三種成像位置或者影像畫面僅能有三種尺寸。

此外，如圖1及圖2所示，本實施例之運輸工具300可另包括一資訊採集單元304，其電連接於抬頭顯示器100的控制單元108，並可提供一輸入訊號給控制單元108，使控制單元108可根據該輸入訊號而自動決定虛像I的成像位置並相應調整影像源102所顯示之影像畫面尺寸。本實施例之資訊採集單元304例如可包括一測速計，其可提供有關運輸工具300移動速度的資訊，但不以此為限，因此前述輸入訊號可包括運輸工具300之移動速度，例如車速。當輸入訊號的數值較大時，表示運輸工具300之移動速度較大，則控制單元108會控制虛像之成像位置距離透明屏幕302較遠，例如圖4所示的成像距離d3，當輸入訊號的數值較小時，表示運輸工具300之移動速度較小，則控制單元108會控制虛像之成像位置距離透明屏幕302較近，例如圖4所示的成像距離d1。藉此，當移動速度較高時，使用者200的視線焦點會變遠，而抬頭顯示器100所產生的虛像I的像距便可配合使用者200的視線焦點而變大，避免在高速行駛的狀況下發生影像焦距與人眼焦距不同而造成影像與環境分離的錯覺。另一方面，在不同速度產生不同像距的虛像I時，控制單元108同時調整影像源102所顯示之影像畫面之大小，使得使用者200觀看視角皆可保持不變，亦即實際上所感知到的虛像I大小不變，避免視線因虛像I遠近改變尺寸而遮檔視線。

綜上所述，在本發明的抬頭顯示器與搭載此抬頭顯示器之運輸工具 中，控制單元可自動依據不同移動速度(或其他資訊等輸入之訊號)而控制可調焦透鏡組，使得使用者在不同移動速度下觀看不同像距的虛像，避免在高速行駛的狀況下發生影像焦距與人眼焦距不同而造成影像與環境分離的錯覺。此外，在不同速度產生不同像距的虛像時，控制單元同時調整影像源所顯示之影像畫面之尺寸大小，使反射至透明屏幕上之影像畫面在透明屏幕上維持相同的面積，進而使得使用者觀看視角皆可保持不變，亦即影像畫面在使用者視野內的所佔範圍與比例維持不變。藉此，在不同移動速度下，使用者所觀看到的影像，皆可良好地融入視野環境中，能有效提升使用者的使用經驗與行車安全。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100:抬頭顯示器

102:影像源

104:可調焦透鏡組

106:反射鏡

108:控制單元

200:使用者

302:透明屏幕

304:資訊採集單元

I:虛像

L:影像光束

Claims (11)

1. 一種抬頭顯示器，其包括：一影像源，用以顯示一影像畫面並產生對應的一影像光束；一可調焦透鏡組，設於該影像光束的行進路徑上；至少一反射鏡，該影像光束由該可調焦透鏡組射出之後，會被該反射鏡反射至一透明屏幕上，再被該透明屏幕進一步反射而進入使用者的眼睛可視範圍，使得使用者觀看到該影像畫面的一虛像，且該虛像的成像位置與使用者分別位在該透明屏幕的不同側；以及一控制單元，用以控制該虛像的成像位置，並隨著該虛像的成像位置距離該透明屏幕的遠近而同時調整該影像源所顯示的該影像畫面的大小，使得使用者觀看該虛像的視角大小保持不變。
2. 如請求項1所述之抬頭顯示器，其中該可調焦透鏡組為一機械式可調焦透鏡組，其包括一第一透鏡組與一第二透鏡組，依序沿著該影像光束的行進方向設置於該影像源與該反射鏡之間，且該第二透鏡組可沿著光軸前後移動，以調節該可調焦透鏡組的焦距。
3. 如請求項2所述之抬頭顯示器，其中該控制單元係藉由調整該第二透鏡組與該第一透鏡組之間的距離，以改變該虛像的成像位置。
4. 如請求項1所述之抬頭顯示器，其中該反射鏡係為一凹面鏡。
5. 如請求項4所述之抬頭顯示器，其中該反射鏡係為一自由曲面鏡。
6. 如請求項1所述之抬頭顯示器，其中該控制單元調整該虛像的成像位置與該影像畫面的大小的原則，包括不論該虛像之成像位置距離該透明屏幕較遠或較近，都使反射至該透明屏幕上的該影像畫面在該透明屏幕上佔有相同的面積。
7. 如請求項6所述之抬頭顯示器，當該控制單元控制該虛像之成像位置較遠離該透明屏幕時，則同時控制該影像源縮小所顯示之該影像畫面的尺寸，而當該控制單元控制該虛像之成像位置較接近該透明屏幕時，則同時控制該影像源放大所顯示之該影像畫面的尺寸。
8. 如請求項1所述之抬頭顯示器，其中該控制單元係根據一輸入訊號而決定該虛像的成像位置以及相應調整該影像源所顯示之該影像畫面之大小。
9. 如請求項8所述之抬頭顯示器，其中該抬頭顯示器係裝設於一運輸工具中，而該輸入訊號為該運輸工具之移動速度，當該運輸工具之移動速度較大時，該控制單元會控制該虛像之成像位置距離該透明屏幕較遠，而當該運輸工具之移動速度較小時，該控制單元會控制該虛像之成像位置距離該透明屏幕較近。
10. 一種運輸工具，其包括如第1項所述之抬頭顯示器，且該透明屏幕為該運輸工具之擋風玻璃。
11. 如請求項10所述之運輸工具，其另包括一資訊採集單元，電連接於該控制單元，該資訊採集單元可提供一輸入訊號給該控制單元，而該控制單元 會根據該輸入訊號而自動調整該虛像的成像位置。

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