TWI781769B

TWI781769B - 抬頭顯示裝置

Info

Publication number: TWI781769B
Application number: TW110135446A
Authority: TW
Inventors: 彭奎恩; 李柏徹; 郭道宏
Original assignee: 中強光電股份有限公司
Priority date: 2021-05-21
Filing date: 2021-09-24
Publication date: 2022-10-21
Also published as: TWI821044B; TW202316177A; TW202246844A

Abstract

一種用於投影第一影像光束以及第二影像光束至目標元件上的抬頭顯示裝置。抬頭顯示裝置包括顯示單元、第一光學模組以及第二光學模組。第一光學模組接收來自顯示單元的第一影像光束及第二影像光束，並將第一影像光束及第二影像光束傳遞至第二光學模組。第一影像光束及第二影像光束分別被第二光學模組反射至抬頭顯示器外，再被傳遞至目標元件，以形成第一虛像及第二虛像。經由第一光學模組，第一影像光束從顯示單元至其所形成之第一虛像之位置的光程大於第二影像光束從顯示單元至其所形成之第二虛像的位置的光程。

Description

抬頭顯示裝置

本發明是有關於一種顯示裝置，且特別是有關於一種抬頭顯示裝置。

在車用的擴增實境抬頭顯示裝置中，一般被設計可以顯示兩種不同內容的影像。一種影像是可呈現固定的行車資訊，如車速、油量、里程數、速限等。另一種影像則是呈現配合路況的行車資訊，如左右轉符號、地標資訊、警示符號等等。具有第一種行車資訊的影像期望是顯示在深度較近的位置，例如2公尺處，而具有第二種行車資訊的影像則是顯示在深度較遠的位置，例如8公尺。

在目前的擴增實境抬頭顯示裝置的架構中，通常使用擺放在不同位置的兩個圖像產生單元（Picture Generation Unit, PGU），以產生具有不同深度的像距的影像。然而，因設置了兩個圖像產生單元的關係，故整體架構產生體積較大、功耗較大、成本較大等缺點。

“先前技術”段落只是用來幫助了解本發明內容，因此在“先前技術”段落所揭露的內容可能包含一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的習知技術。在“先前技術”段落所揭露的內容，不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題，在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。

本發明提供一種抬頭顯示裝置，其能縮減系統體積、減少功耗，並進一步降低成本。

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。

為達上述的一或部分或全部目的或是其他目的，本發明的一實施例提供一種用於投影第一影像光束以及第二影像光束至目標元件上的抬頭顯示裝置。抬頭顯示裝置包括顯示單元、第一光學模組以及第二光學模組。顯示單元用於提供第一影像光束及第二影像光束。第一光學模組接收來自顯示單元的第一影像光束及第二影像光束，並將第一影像光束及第二影像光束傳遞至第二光學模組。第二光學模組包括自由曲面反射鏡。自由曲面反射鏡用以接收來自第一光學模組的第一影像光束及第二影像光束。第一影像光束及第二影像光束分別被第二光學模組反射至抬頭顯示裝置外，再被傳遞至目標元件，以形成第一虛像及第二虛像。經由第一光學模組，第一影像光束從顯示單元至其所形成之第一虛像之位置的光程大於第二影像光束從顯示單元至其所形成之第二虛像的位置的光程。

在本發明的一實施例中，抬頭顯示裝置更包括感測器以及控制器。感測器用以感測眼睛的位置。控制器與感測器電性連接，並與第二光學模組耦接。控制器接收來自感測器的訊號，並對應眼睛的位置變化調整自由曲面反射鏡的偏擺角度，以使第一虛像及第二虛像被清楚呈現。

在本發明的一實施例中，上述的來自第一光學模組的第一影像光束及第二影像光束以不同角度入射至第二光學模組。

在本發明的一實施例中，上述的顯示單元具有相鄰配置的第一有效成像區及第二有效成像區。第一有效成像區及第二有效成像區用以分別產生第一影像光束以及第二影像光束，且於抬頭顯示裝置外所形成之第一虛像及第二虛像呈現不同的影像內容。

在本發明的一實施例中，上述的第一光學模組包括相鄰設置的第一反射面、第二反射面以及第三反射面。

在本發明的一實施例中，上述的來自顯示單元的第一影像光束依序被第二反射面及第三反射面反射至第二光學模組。來自顯示單元的第二影像光束被第一反射面反射至第二光學模組。

在本發明的一實施例中，上述的第一反射面及第二反射面之間夾有鈍角，且第二反射面及第三反射面之間夾有銳角。

在本發明的一實施例中，上述的第一反射面與第三反射面不直接連接。

在本發明的一實施例中，上述的第一光學模組為多邊形透光體。第一反射面、第二反射面及第三反射面設置在多邊形透光體的其中三個表面上。

在本發明的一實施例中，上述的第一光學模組更包括多邊形透光體。第一反射面及第二反射面設置在多邊形透光體的其中兩個表面上。第三反射面為平面鏡。

在本發明的一實施例中，上述的第一光學模組為多個平面鏡。

在本發明的一實施例中，上述的第一光學模組包括曲面鏡以及凸透鏡。

在本發明的一實施例中，上述的來自顯示單元的第一影像光束藉由曲面鏡反射至第二光學模組。來自顯示單元的第二影像光束先穿過凸透鏡再藉由曲面鏡反射至第二光學模組。凸透鏡不設置於第一影像光束的傳遞路徑上。

在本發明的一實施例中，上述的曲面鏡為自由曲面反射鏡。

在本發明的一實施例中，上述的第一影像光束從顯示單元至曲面鏡的光程大於第二影像光束從顯示單元至曲面鏡的光程。

在本發明的一實施例中，上述的曲面鏡與顯示單元不平行。曲面鏡與第二光學模組不平行。

在本發明的一實施例中，上述的第一光學模組包括相鄰設置的第一反射鏡以及第二反射鏡。

在本發明的一實施例中，上述的來自顯示單元的第一影像光束藉由第一反射鏡反射至第二光學模組。來自顯示單元的第二影像光束藉由第二反射鏡反射至第二光學模組。

在本發明的一實施例中，上述的第一影像光束從顯示單元至第二光學模組的光程大於第二影像光束從顯示單元至第二光學模組的光程。

在本發明的一實施例中，上述的第二反射鏡與第二光學模組不平行。第二反射為曲面鏡。

在本發明的一實施例中，上述的第一反射鏡為平面鏡。

在本發明的一實施例中，上述的第二反射鏡為自由曲面反射鏡。

在本發明的一實施例中，上述的第一反射鏡為自由曲面反射鏡，第二反射鏡為自由曲面反射鏡。

基於上述，在本發明的一實施例中，抬頭顯示裝置設計為使單一顯示單元來產生第一影像光束及第二影像光束。因此，抬頭顯示裝置的整體架構具有體積較小、功耗較少、成本較少等優點。

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。

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1A是根據本發明的第一實施例的抬頭顯示裝置的示意圖。圖1B是根據本發明的第一實施例的抬頭顯示裝置所形成之兩個虛像的示意圖。請參考圖1A及圖1B，本發明的一實施例提供一種用於投影第一影像光束B1以及第二影像光束B2至目標元件T上的抬頭顯示裝置100。在本實施例中，抬頭顯示裝置100例如是使用在汽車等交通工具上。目標元件T例如是汽車的一擋風玻璃。第一影像光束B1及第二影像光束B2藉由目標元件T反射至觀看者(例如是交通工具之駕駛)的眼睛E，使觀看者於目標元件T前方觀看到具有不同成像距離及不同行車資訊的第一虛像VM1及第二虛像VM2。

在本實施例中，抬頭顯示裝置100包括顯示單元110、第一光學模組120以及第二光學模組130。顯示單元110用於提供第一影像光束B1及第二影像光束B2。詳細來說，顯示單元110具有相鄰配置的第一有效成像區R1及第二有效成像區R2。第一有效成像區R1及第二有效成像區R2用以分別產生第一影像光束B1以及第二影像光束B2，且於抬頭顯示裝置100外所形成之第一虛像及第二虛像呈現不同的影像內容(例如是行車資訊)。第一光學模組120接收來自顯示單元110的第一影像光束B1及第二影像光束B2，並將第一影像光束B1及第二影像光束B2傳遞至第二光學模組130。

在本實施例中，第一光學模組120包括相鄰設置的第一反射面120R1、第二反射面120R2以及第三反射面120R3。來自顯示單元110的第一有效成像區R1的第一影像光束B1依序被第一光學模組120的第二反射面120R2及第三反射面120R3反射至第二光學模組130。來自顯示單元110的第二有效成像區R2的第二影像光束B2被第一光學模組120的第一反射面120R1反射至第二光學模組130。其中，第二影像光束B2不經過第一光學模組120的第二反射面120R2以及第三反射面120R3，且第一影像光束B1不經過第一光學模組120的第一反射面120R1。

在本實施例中，第一反射面120R1及第二反射面120R2之間夾有鈍角θ1，且第二反射面120R2及第三反射面120R3之間夾有銳角θ2。第一反射面120R1與第三反射面120R3不直接連接，但第一反射面120R1透過第二反射面120R2與第三反射面120R3連接。於本實施例中，第一反射面120R1的一端與第二反射面120R2一端相連接，第二反射面120R2的另一相對端與第三反射面120R3的一端相連接，且第二反射面120R2及第三反射面120R3所形成的銳角θ2朝向顯示單元110。

在本實施例中，來自第一光學模組120的第一影像光束B1及第二影像光束B2以不同角度入射至第二光學模組130。第二光學模組130包括自由曲面反射鏡（free-form mirror）132。自由曲面反射鏡132用以接收來自第一光學模組120的第一影像光束B1及第二影像光束B2。第一影像光束B1及第二影像光束B2分別被第二光學模組130反射至抬頭顯示裝置100外，在被傳遞至目標元件T，以形成第一虛像VM1及第二虛像VM2。經由第一光學模組120，第一影像光束B1從顯示單元110至其所形成之第一虛像VM1之位置的光程大於第二影像光束B2從顯示單元110至其所形成之第二虛像VM2的位置的光程。

在本實施例中，抬頭顯示裝置100更包括感測器140以及控制器150。感測器140用以感測使用者(駕駛者)的眼睛E的位置。控制器150例如是包括微控制器單元（Microcontroller Unit，MCU）、中央處理單元（central processing unit，CPU)、微處理器（microprocessor）、數位訊號處理器（digital signal processor，DSP）、可程式化控制器、可程式化邏輯裝置（programmable logic device，PLD）或其他類似裝置或這些裝置的組合，本發明並不加以限制。此外，在一實施例中，控制器150的各功能可被實作為多個程式碼。這些程式碼會被儲存在一個記憶體中，由控制器150來執行這些程式碼。或者，在一實施例中，控制器150的各功能可被實作為一或多個電路。本發明並不限制用軟體或硬體的方式來實作控制器150的各功能。

在本實施例中，控制器150與感測器140電性連接，並與第二光學模組130耦接，第二光學模組130例如具有驅動自由曲面反射鏡132的驅動器(未繪示)。控制器150接收來自感測器140的訊號，並對應眼睛E的位置變化控制驅動器來調整自由曲面反射鏡132的偏擺角度，以使第一虛像VM1及第二虛像VM2被清楚呈現。

基於上述，在本發明的一實施例中，抬頭顯示裝置100設計為使顯示單元110來產生第一影像光束B1及第二影像光束B2。抬頭顯示裝置100的光路設計為：第一影像光束B1在第一光學模組120反射至少兩次，且第二影像光束B2在第一光學模組120反射一次，使得第一影像光束B1從顯示單元110至第一虛像VM1之位置的光程大於第二影像光束B2從顯示單元110至第二虛像VM2的位置的光程。因此，抬頭顯示裝置100的整體架構具有體積較小、功耗較少、成本較少等優點。

圖2是根據本發明的第二實施例的抬頭顯示裝置中的第一光學模組的示意圖。請參考圖2，圖2的第一光學模組120A與圖1A的第一光學模組120相似，其主要差異如下。在本實施例中，第一光學模組120A為多邊形透光體，其中透光體的材質例如是玻璃。第一反射面120R1、第二反射面120R2及第三反射面120R3設置在多邊形透光體的其中三個表面上。而本發明的第二實施例的抬頭顯示裝置的優點相似於圖1A的抬頭顯示裝置100，在此不再贅述。

圖3是根據本發明的第三實施例的抬頭顯示裝置中的第一光學模組的示意圖。請參考圖3，圖3的第一光學模組120B與圖1A的第一光學模組120相似，其主要差異如下。在本實施例中，第一光學模組120B更包括多邊形透光體122B，其中透光體的材質例如是玻璃。第一反射面120R1及第二反射面120R2設置在多邊形透光體122B的其中兩個表面上。第三反射面120R3為平面鏡。此外，第一反射面120R1與第二反射面120R2連接，第一反射面120R1與第三反射面120R3不連接，且第二反射面120R2與第三反射面120R3不連接。而本發明的第三實施例的抬頭顯示裝置的優點相似於圖1A的抬頭顯示裝置100，在此不再贅述。

圖4是根據本發明的第四實施例的抬頭顯示裝置中的第一光學模組的示意圖。請參考圖4，圖4的第一光學模組120C與圖1A的第一光學模組120相似，其主要差異如下。在本實施例中，第一光學模組120C為多個平面鏡，且這些平面鏡彼此分離。也就是說，第一反射面120R1、第二反射面120R2與第三反射面120R3彼此不連接。然而於其他實施例，該些平面鏡也可以彼此連接。而本發明的第四實施例的抬頭顯示裝置的優點相似於圖1A的抬頭顯示裝置100，在此不再贅述。

圖5是根據本發明的第五實施例的抬頭顯示裝置的示意圖。請參考圖5，圖5的抬頭顯示裝置100D與圖1A的抬頭顯示裝置100相似，圖5的抬頭顯示裝置100D所形成之虛像相對位置與圖1B的兩個虛像相似，其主要差異如下。在本實施例中，第一光學模組120D包括曲面鏡124以及凸透鏡126，曲面鏡124例如配置為凹面朝向顯示單元110。曲面鏡124可為自由曲面反射鏡。

詳細來說，在本實施例中，來自顯示單元110的第一有效成像區R1的第一影像光束B1藉由曲面鏡124反射至第二光學模組130。來自顯示單元110的第二有效成像區R2的第二影像光束B2先穿過凸透鏡126再藉由曲面鏡124反射至第二光學模組130。凸透鏡126不設置於第一影像光束B1的傳遞路徑上。

在本實施例中，第一影像光束B1從顯示單元110至曲面鏡124的光程大於第二影像光束B2從顯示單元110至曲面鏡124的光程。

在本實施例中，曲面鏡124與顯示單元110不平行。曲面鏡124與第二光學模組130不平行。

基於上述，在本發明的第五實施例中，抬頭顯示裝置100D藉由設置凸透鏡126來使第二影像光束B2的光程減小，使第一影像光束B1的光程大於第二影像光束B2的光程。因此，抬頭顯示裝置100D使用更少的光學元件，且光路更加簡潔。而抬頭顯示裝置100D其餘的優點相似於圖1A的抬頭顯示裝置100，在此不再贅述。

圖6是根據本發明的第六實施例的抬頭顯示裝置的示意圖。第六實施例的抬頭顯示裝置是第一實施例以及第五實施例的變化例。請參考圖6，圖6的抬頭顯示裝置100E與圖1A的抬頭顯示裝置100和圖5的抬頭顯示裝置100D相似，而圖6其所形成之虛像相對位置也與圖1B相似，其主要差異如下。圖5的抬頭顯示裝置100D的第一光學模組120D包括單一曲面鏡124，而在本實施例中，第一光學模組120E包括相鄰設置的第一反射鏡以及第二反射鏡，而於圖6的實施例中第二反射鏡及第一反射鏡分別為曲面鏡124以及平面鏡128。其中曲面鏡124可為球面反射鏡、非球面反射鏡或自由曲面反射鏡。來自顯示單元110的第一影像光束B1藉由平面鏡128反射至第二光學模組130，以產生像距較遠的第一虛像。來自顯示單元110的第二影像光束B2藉由曲面鏡124反射至第二光學模組130，以產生像距較近的第二虛像。藉由曲面鏡124的設置，使第二影像光束B2的光程減少，進而第一影像光束B1從顯示單元110至第二光學模組130的光程大於第二影像光束B2從顯示單元110至第二光學模組130的光程。

在本實施例中，曲面鏡124與第二光學模組130不平行。曲面鏡124為自由曲面反射鏡。而抬頭顯示裝置100E的優點相似於圖1A的抬頭顯示裝置100，在此不再贅述。

圖7是根據本發明的第七實施例的抬頭顯示裝置的示意圖。第七實施例的抬頭顯示裝置是第六實施例的變化例。請參考圖7，圖7的抬頭顯示裝置100F與圖6的抬頭顯示裝置100E相似，而圖7其所形成之虛像相對位置與圖1B相似，其與圖6之抬頭顯示裝置100E的主要差異如下。在本實施例中，第一光學模組120F包括相鄰設置的第一反射鏡以及第二反射鏡，而於圖7的實施例中第二反射鏡及第一反射鏡分別為曲面鏡124以及曲面鏡129，曲面鏡124的曲率不同於曲面鏡129的曲率。來自顯示單元110的第一有效成像區R1的第一影像光束B1藉由曲面鏡129反射至第二光學模組130，以產生像距較遠的第一虛像。來自顯示單元110的第二有效成像區R2的第二影像光束B2藉由曲面鏡124反射至第二光學模組130，以產生像距較近的第二虛像。藉由曲面鏡124及曲面鏡129的不同曲率的配置，使第二影像光束B2的光程減少，進而第一影像光束B1從顯示單元110至第二光學模組130的光程大於第二影像光束B2從顯示單元110至第二光學模組130的光程。

在本實施例中，曲面鏡124與第二光學模組130不平行。且曲面鏡129與曲面鏡124皆為自由曲面反射鏡。而抬頭顯示裝置100F的優點相似於圖1A的抬頭顯示裝置100及圖6的抬頭顯示裝置100E，在此不再贅述。

綜上所述，在本發明的一實施例中，抬頭顯示裝置設計為使顯示單元來產生第一影像光束及第二影像光束，並藉由第一光學模組的設計來使第一影像光束從顯示單元至第一虛像之位置的光程大於第二影像光束從顯示單元至第二虛像的位置的光程。因此，抬頭顯示裝置的整體架構具有體積較小、功耗較少、成本較少等優點。

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、100D、100E、100F:抬頭顯示裝置 110:顯示單元 120、120A、120B、120C、120D、120E、120F:第一光學模組 120R1:第一反射面 120R2:第二反射面 120R3:第三反射面 122B:多邊形透光體 124、129:曲面鏡 126:凸透鏡 128:平面鏡 130:第二光學模組 132:自由曲面反射鏡 140:感測器 150:控制器 B1:第一影像光束 B2:第二影像光束 E:眼睛 R1:第一有效成像區 R2:第二有效成像區 T:目標元件 VM1:第一虛像 VM2:第二虛像 θ1:鈍角 θ2:銳角

圖1A是根據本發明的第一實施例的抬頭顯示裝置的示意圖。圖1B是根據本發明的第一實施例的抬頭顯示裝置所形成之兩個虛像的示意圖。圖2是根據本發明的第二實施例的抬頭顯示裝置中的第一光學模組的示意圖。圖3是根據本發明的第三實施例的抬頭顯示裝置中的第一光學模組的示意圖。圖4是根據本發明的第四實施例的抬頭顯示裝置中的第一光學模組的示意圖。圖5是根據本發明的第五實施例的抬頭顯示裝置的示意圖。圖6是根據本發明的第六實施例的抬頭顯示裝置的示意圖。圖7是根據本發明的第七實施例的抬頭顯示裝置的示意圖。

100:抬頭顯示裝置

110:顯示單元

120:第一光學模組

120R1:第一反射面

120R2:第二反射面

120R3:第三反射面

130:第二光學模組

132:自由曲面反射鏡

140:感測器

150:控制器

B1:第一影像光束

B2:第二影像光束

E:眼睛

R1:第一有效成像區

R2:第二有效成像區

T:目標元件

θ1:鈍角

θ2:銳角

Claims

一種抬頭顯示裝置，用於投影一第一影像光束以及一第二影像光束至一目標元件上，包括：一顯示單元、一第一光學模組以及一第二光學模組；其中，該顯示單元用於提供該第一影像光束及該第二影像光束；該第一光學模組接收來自該顯示單元的該第一影像光束及該第二影像光束，並將該第一影像光束及該第二影像光束傳遞至該第二光學模組；以及該第二光學模組包括一自由曲面反射鏡，用以接收來自該第一光學模組的該第一影像光束及該第二影像光束，該第一影像光束及該第二影像光束分別被該第二光學模組反射至該抬頭顯示裝置外，再被傳遞至該目標元件，以形成一第一虛像及一第二虛像，其中經由該第一光學模組，該第一影像光束從該顯示單元至其所形成之該第一虛像之位置的光程大於該第二影像光束從該顯示單元至其所形成之該第二虛像的位置的光程，其中該顯示單元具有相鄰配置的第一有效成像區及第二有效成像區，用以分別產生該第一影像光束以及該第二影像光束，其中該第一光學模組包括相鄰設置的一第一反射鏡以及一第二反射鏡，其中來自該第一有效成像區的該第一影像光束藉由該第一反射鏡反射至該第二光學模組，來自該第二有效成像區的該第二影像光束藉由該第二反射鏡反射至該第二光學模組。
如請求項1所述的抬頭顯示裝置，更包括：一感測器以及一控制器；其中，該感測器用以感測一眼睛的位置；以及該控制器與該感測器電性連接，並與該第二光學模組耦接，該控制器接收來自該感測器的訊號，並對應該眼睛的位置變化調整該自由曲面反射鏡的偏擺角度，以使該第一虛像及該第二虛像被清楚呈現。
如請求項1所述的抬頭顯示裝置，其中來自該第一光學模組的該第一影像光束及該第二影像光束以不同角度入射至該第二光學模組。
如請求項1所述的抬頭顯示裝置，其中於該抬頭顯示裝置外所形成之該第一虛像及該第二虛像呈現不同的影像內容。
如請求項1所述的抬頭顯示裝置，其中該第一影像光束從該顯示單元至該第二光學模組的光程大於該第二影像光束從該顯示單元至該第二光學模組的光程。
如請求項1所述的抬頭顯示裝置，其中該第二反射鏡鏡與該第二光學模組不平行，該第二反射鏡為一曲面鏡。
如請求項6所述的抬頭顯示裝置，其中該第一反射鏡為平面鏡。
如請求項7所述的抬頭顯示裝置，其中該第二反射鏡為自由曲面反射鏡。
如請求項6所述的抬頭顯示裝置，其中第一反射鏡為自由曲面反射鏡，該第二反射鏡為自由曲面反射鏡。