TWI802087B

TWI802087B - 圖像生成單元及其抬頭顯示器

Info

Publication number: TWI802087B
Application number: TW110142706A
Authority: TW
Inventors: 姜哲文
Original assignee: 大陸商業成科技（成都）有限公司; 大陸商業成光電（深圳）有限公司; 大陸商業成光電（無錫）有限公司; 英特盛科技股份有限公司
Priority date: 2021-11-10
Filing date: 2021-11-17
Publication date: 2023-05-11
Also published as: TW202319807A; CN113960801A; CN113960801B

Abstract

本發明係一種圖像生成單元及其抬頭顯示器，圖像生成單元包括顯示層、導光層及控制單元，導光層係設在顯示層的下方，控制單元調控導光層係輸出第一發光範圍與第二發光範圍，使得顯示層利用第一發光範圍或第二發光範圍，而輸出第一輸出畫面或第二輸出畫面。而抬頭顯示器則包括圖像生成單元、光學組件及外殼，圖像生成單元與光學組件係設置在外殼內，光學組件並設在圖像生成單元的出光側，使得第一輸出畫面或第二輸出畫面，經由光學組件導引到投影位置，且可分別呈現兩個不同視角範圍的第一成像畫面與第二成像畫面。

Description

圖像生成單元及其抬頭顯示器

本發明係有關於圖像生成單元及抬頭顯示器，尤其是可以輸出不同視角的圖像生成單元及其抬頭顯示器。

抬頭顯示器(亦稱平視顯示器，英文：Head Up Display，縮寫：HUD)最早被應用於軍事飛行器上，其主要原理是通過投影的方式將飛行相關資訊投射至飛機座艙前方的一片玻璃上，使飛行員保持平視狀態時，可在同一視野中兼顧儀表參數和外界目視參照物，從而保證飛行安全。

抬頭顯示器也被許多汽車廠商導入到汽車內，車用抬頭顯示器與原先運用在軍事飛行器的抬頭顯示器相仿，也是利用光學反射的原理，將重要的駕駛相關資訊投射在擋風玻璃上面，平衡反射進駕駛的眼中，主要的作用就是讓讓駕駛員不再需要低頭去看儀表板、導航，它把行車速度、引擎轉速、油耗、油量、車輛各式裝置溫度(如水箱、引擎等)、導航路線…等相關駕駛訊息資料用投影的方式投射到了汽車的前擋風玻璃上。

隨著顯示技術的不斷提升，使得各家車商或者汽車配件廠商，也發展出不同型態的抬頭顯示器，最早期抬頭顯示器為反射型抬頭顯示器，將相關駕駛資訊，直接反射在擋風玻璃上，因為亮度、清晰度等需求，使用反射型抬頭顯示器需要於擋風玻璃上貼上一片透明的黑色薄膜，但是是影像的呈現範圍有限，黑色薄膜也會干擾駕駛視線，其他人也容易看到相關駕駛資訊。

近年來，抬頭顯示器更發展出組合型抬頭顯示器(Combiner HUD ，簡稱：CHUD)以及擋風玻璃型抬頭顯示器(Windshield HUD，簡稱：WHUD)。其中組合型抬頭顯示器為放置於儀表上方的一塊透明樹脂板，以透明樹脂板作為投影介質反射成像顯示出相關駕駛訊息，其架構類似於飛行器的抬頭顯示器，但是組合型抬頭顯示器在碰撞後容易發生斷裂，而傷害駕駛員或乘客。擋風玻璃型抬頭顯示器則是直接通過前擋風玻璃作為投影介質來反射成像，有效解決了組合型抬頭顯示器安全隱患。但由於成像原理，擋風玻璃型抬頭顯示器直接用於一般的擋風玻璃會產生重疊影像，因此，使用擋風玻璃型抬頭顯示器的汽車，最好是將前擋風玻璃換成楔形玻璃，用以解決重疊影像的問題，但是楔形玻璃的造價昂貴。此外，還有擴增實境型抬頭顯示器(Augmented Reality HUD，簡稱AR HUD)及平面式擴增實境型抬頭顯示器(Flat Type Augmented Reality HUD)等。

而抬頭顯示器的投影技術，又可分為液晶投影(LED Projection)、數位投影(DLP Projection)、雷射掃描投影(Laser Scanning Projection)、液晶覆矽投影(Liquid crystal on silicon，簡稱LCOS)等，以液晶投影技術而言，請參閱圖1所示，抬頭顯示器主要是由圖像生成單元1(Picture Generation Unit，簡稱：PGU)、光學組件2及外殼3所組成，圖像生成單元1與光學組件2設在外殼3內，圖像生成單元1輸出圖像，經由光學組件2將輸出圖像傳送到投影介質30成像。目前光學組件2多使用光學鏡片導引圖像傳送縮短光路(如圖2所示)，並用於提供成像系統視角。

但是目前的抬頭顯示器僅可顯示單一可視範圍(Field of View，縮寫：FOV)，若要達到雙可視範圍之設計，需在增加導光物件中增加一反射鏡，才可進行可視範圍切換，而此種作法將會增加抬頭顯示器的整體體積，因此，如何可以在不增加抬頭顯示器的整體體積的前提下，抬頭顯示器可以達成雙可視範圍之設計，將是亟待解決的問題。

有鑑於先前技術的問題，本發明之目的係提供具有雙可視範圍之設計的圖像生成單元，而且此圖像生成單元不增加抬頭顯示器的整體體積，甚至是在原來的圖像生成單元架構下進行部分的結構變動，以達到雙可是範圍的目的。

根據本發明之一目的，係提供一種圖像生成單元，圖像生成單元包括顯示層及導光層，導光層係設在顯示層的下方，導光層係輸出第一發光範圍與第二發光範圍，使得顯示層利用第一發光範圍或第二發光範圍，而輸出第一輸出畫面或第二輸出畫面。

其中，導光層的一側面設有複數個第一安裝部與複數個第二安裝部，且各第一安裝部與各第二安裝部係交錯排列在導光層的一側面，其中各第一安裝部設有第一發光元件，各第二安裝部設有第二發光元件，各第一發光元件發出的第一光線經由各第一安裝部直接進入導光層，各第二發光元件發出的第二光線經由各第二安裝部改變發光角度後進入導光層，導光層分別將各第一光線與各第二光線分別導向不同的角度朝顯示層出光，而分別形成第一發光範圍或第二發光範圍，使得顯示層利用第一發光範圍或第二發光範圍，輸出第一輸出畫面或第二輸出畫面。

其中，圖像生成單元更包括控制單元，控制單元連接各第一發光元件與各第二發光元件，用以控制各第一發光元件與各第二發光元件的開啟與關閉，分別發出第一光線或第二光線。

其中，光學組件設有至少兩個光學鏡片，此些光學鏡片係提供縮短第一輸出畫面到投影位置的光路距離或第二輸出畫面到與投影位置的光路距離。

其中，各第一安裝部係為包覆各第一發光元件於導光層之中，而各第二安裝部係為梯形凹槽，使得各第二安裝部內的各第二發光元件所發出的第二光線受梯形凹槽作用，而使得第二光線的發光角度小於第一光線的發光角度。

其中，圖像生成單元更包括一光學增強層，光學增強層係設在導光層與顯示層之間，光學增強層係導引偏折的第一光線與第二光線，使第一光線與第二光線集中朝向顯示層出光，提昇整體輝度與均勻度，達到增亮的效果。

根據本發明之一目的，係提供一種抬頭顯示器，包括圖像生成單元、光學組件及外殼，其中圖像生成單元、光學組件係設置在外殼內，光學組件係設在圖像生成單元的出光側，而圖像生成單元之結構如上所述，且圖像生成單元輸出第一輸出畫面或第二輸出畫面，經由光學組件導引到投影位置，且可分別產生兩個不同視角範圍的第一成像畫面與第二成像畫面。

綜上所述，本發明的第二發光元件在導光層中，係被第二安裝部改變發光角度，使得第一發光範圍與第二發光範圍有不同的視角，而控制單元控制各第一發光元件或各第二發光元件的開啟或關閉，切換成輸出第一輸出畫面或第二輸出畫面，而可在投影位置分別產生不同視角的第一成像畫面與第二成像畫面，故在不用採用傳統增加反射鏡來達到多個視角的作法下，達到多個視角的目的，並且不會增加抬頭顯示器的整體體積。

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，但並不用於限定本發明。

請參閱圖2所示，本發明係一種圖像生成單元4，圖像生成單元4包括顯示層40及導光層42，導光層42係設在顯示層40的下方，導光層42係輸出第一發光範圍LA1與第二發光範圍LA2，且第一發光範圍LA1與第二發光範圍LA2的大小不同，顯示層40接收第一發光範圍LA1或第二發光範圍LA2，而輸出第一輸出畫面OF1或第二輸出畫面OF2(如圖7所示)。

以下進一步說明本發明實現第一發光範圍LA1與第二發光範圍LA2的一實施例，在本實施例中，請參閱圖3、4所示，以第一發光範圍LA1大於第二發光範圍LA2，且第二發光範圍LA2落於第一發光範圍LA1之內為例，導光層42的一側面設有複數個第一安裝部420與複數個第二安裝部422，且各第一安裝部420與各第二安裝部422係交錯排列在導光層42的一側面，意即任一第一安裝部420相鄰其中一個第二安裝部422。

又，請參閱圖5A、6A所示，每一個第一安裝部420分別設有一個第一發光元件424，各第一發光元件424發出的第一光線經由對應的第一安裝部420進入導光層42，請參閱圖5B、6B所示，每一個第二安裝部422設有一個第二發光元件426，各第二發光元件426發出的第二光線經由對應第二安裝部422後，被改變發光角度後進入導光層42，第一光線與各第二光線在導光層42內進行反射與折射，而分別導向不同的角度朝向顯示層40出光，而使得第一發光範圍LA1涵蓋全部的顯示層40，而第二發光範圍LA2則是涵蓋部分的顯示層40，請參閱圖7所示，當顯示層40於對應第一發光範圍LA1的位置進行顯示輸出時，顯示層40接收第一發光範圍LA1的第一光線，而輸出第一輸出畫面OF1。當顯示層40於對應第二發光範圍LA2的位置進行顯示輸出時，顯示層40接收第二發光範圍LA2的第二光線，而輸出第二輸出畫面OF2。

為了讓第一輸出畫面OF1與第二輸出畫面OF2能夠在不同的時間輸出，也就是當顯示層40於對應第一發光範圍LA1的位置進行顯示輸出時，所有的第一發光元件424可以開啟，同時關閉全部的第二發光元件426。另外，當顯示層40於對應第二發光範圍LA2的位置進行顯示輸出時，所有的第二發光元件426可以開啟，同時關閉全部的第一發光元件424。因此，在本發明中，圖像生成單元4更包括控制單元44，控制單元44連接各第一發光元件424與各第二發光元件426，使得控制單元44可以控制各第一發光元件424與各第二發光元件426的開啟與關閉，而開始或停止輸出第一光線或第二光線。

在本發明中，請參閱圖5A及圖5B所示，顯示層40係為液晶面板，控制單元44係可以驅動液晶面板的不同位置進行顯示輸出。導光層42係為導光板，導光板可由光學級壓克力(PMMA)或者聚碳酸酯(Polycarbonate，縮寫PC)所製成，且導光板除朝向顯示層40的一面及相對第一發光元件424與第二發光元件426的一面外的其餘的四面，皆分別設置反射單元7，反射單元7係導引第一發光元件424與第二發光元件426的第一光線與第二光線反射朝向導光板的正面出光，反射單元7係可為反射膜或者是印刷圖案擴散點。

在本發明中，使得第一發光元件424與第二發光元件426分別以不同的發光角度進入到導光層42的做法眾多，而在此實施例中，係為各第一安裝部420係為包覆各第一發光元件424於導光層42之中，而各第二安裝部422係為梯形凹槽(如圖5B所示)，各第二安裝部422內的各第二發光元件426所發出的第二光線受梯形凹槽作用，使得第二光線的發光角度收斂而小於第一光線的發光角度。或者在其他實施例中，各第二安裝部422係為半圓形或金字塔型。

再者，各第二安裝部422除了以幾何形狀改變發光角度外，各第二安裝部422尚可設置稜鏡結構，使得第二發光元件426的第二光線受稜鏡結構調整，而令第二光線的發光角度小於第一光線的發光角度。此外，本發明也並未限制第一安裝部420只能將第一發光元件424的第一光線直接導引到導光層42內，第一安裝部420也可以設計另一稜鏡結構，而用以放大或縮小第一發光元件424的發光角度。同樣地各第二安裝部422也可以利用幾何形狀或稜鏡結構改變第二光線的發光角度大於第一光線的發光角度。意即，第一安裝部420與第二安裝部422的形狀結構，只要令第一發光範圍LA1與第二發光範圍LA2兩者大小不一即可。

在本發明中，請參閱圖5A及圖5B所示，圖像生成單元4更包括一光學增強層8，光學增強層8係設在導光層42與顯示層40之間，光學增強層8係導引偏折的第一光線與第二光線，使第一光線與第二光線集中朝向顯示層40出光，藉以提昇整體輝度與均勻度，達到增亮的效果。

本發明另提供一種抬頭顯示器，請參閱圖2所示，包括前述的圖像生成單元4、光學組件5及外殼6，其中圖像生成單元4、光學組件5均設置在外殼6內，且光學組件5係設在圖像生成單元4的出光側，圖像生成單元4輸出第一輸出畫面OF1或第二輸出畫面OF2，經由光學組件5導引到投影位置，而可分別產生兩個不同視角範圍的第一成像畫面OS1與第一成像畫面OS2。如此，當抬頭顯示器安裝在車輛內部的前擋風玻璃(即為投影介質60)下方的位置時，前擋風玻璃做為投影位置，第一成像畫面OS1與第一成像畫面OS2係呈現在前擋風玻璃上。

在本發明中，光學組件5設有至少兩個光學鏡片50、52，此些光學鏡片50、52係提供縮短第一輸出畫面OF1到投影位置的光路距離或第二輸出畫面OF2到與投影位置的光路距離。進一步而言，其中一個靠近顯示層40的光學鏡片50係為反射鏡，用以將第一輸出畫面OF1或第二輸出畫面OF2反射到另一個光學鏡片52，而另一個光學鏡片52設在靠近投影位置的係可為自由曲面凹面鏡(Freeform Concave Mirror)，用以放大第一輸出畫面OF1或第二輸出畫面OF2。

綜上所述，第一發光元件424經第一安裝部420內直接進入導光層42，第二發光元件426在導光層42中，則被第二安裝部422收斂發光角度，使得第一發光範圍LA1與第二發光範圍LA2有不同的視角。再者，由控制單元44控制各第一發光元件424或各第二發光元件426的開啟或關閉，切換成輸出第一輸出畫面OF1或第二輸出畫面OF2，而可在投影位置分別產生不同視角的第一成像畫面OS1與第一成像畫面OS2，故在不用採用傳統增加反射鏡來達到多個視角的作法下，達到多個視角的目的，並且不會增加抬頭顯示器的整體體積。

上列詳細說明係針對本發明的可行實施例之具體說明，惟前述的實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

1、4:圖像生成單元 2、5:光學組件 3、6:外殼 30、60:投影介質 40:顯示層 42:導光層 44:控制單元 420:第一安裝部 422:第二安裝部 424:第一發光元件 426:第二發光元件 7:反射單元 8:光學增強層 LA1:第一發光範圍 LA2:第二發光範圍 OF1:第一輸出畫面 OF2:第二輸出畫面 OS1:第一成像畫面 OS2:第一成像畫面

圖1為傳統抬頭顯示器的示意圖。圖2為本發明之抬頭顯示器的示意圖。圖3為本發明之導光層的外觀示意圖。圖4為本發明之導光層的俯視示意圖。圖5A為本發明之導光層之第一安裝部的剖面示意圖。圖5B為本發明之導光層之第二安裝部的剖面示意圖。圖6A為本發明之第一發光元件的發光示意圖。圖6B為本發明之第二發光元件經過第二安裝部的的發光示意圖。圖7為本發明的第一發光範圍、第二發光範圍與第一輸出畫面與第二輸出畫面示意圖(省略光學組件)。

4:圖像生成單元

5:光學組件

6:外殼

60:投影介質

40:顯示層

42:導光層

44:控制單元

8:光學增強層

OS1:第一成像畫面

OS2:第一成像畫面

Claims

一種圖像生成單元，包括：一導光層，該導光層係輸出一第一發光範圍與一第二發光範圍；及一顯示層，係設在該導光層的上方，該顯示層接收該第一發光範圍，而輸出一第一輸出畫面，或者該顯示層接收該第二發光範圍，而輸出一第二輸出畫面；其中該導光層的一側面設有複數個第一安裝部與複數個第二安裝部，且各該第一安裝部與各該第二安裝部係交錯排列在該導光層的一側面，其中各該第一安裝部分別設有一第一發光元件，各該第二安裝部分別設有一第二發光元件，各該第一發光元件發出的一第一光線經由各該第一安裝部直接進入該導光層，各該第二發光元件發出的一第二光線經由各該第二安裝部改變發光角度後進入該導光層，該導光層分別將各該第一光線與各該第二光線分別導向不同的角度朝該顯示層出光，而分別形成該第一發光範圍或該第二發光範圍。
如請求項1所述的圖像生成單元，其中更包括一控制單元，該控制單元連接各該第一發光元件與各該第二發光元件，該控制單元控制各該第一發光元件與各該第二發光元件的開啟與關閉，分別發出該第一光線或該第二光線。
如請求項1所述的圖像生成單元，其中該導光板除正面及相對第一發光元件與第二發光元件的一面外的其他各面皆分別設置一反射單元，該反射單元係導引第一發光元件與第二發光元件的第一光線與第二光線反射朝向導光板的正面出光。
如請求項1所述的圖像生成單元，其中該各第一安裝部係為包覆各第一發光元件於該導光層之中，而各該第二安裝部係為一梯形凹槽，使得各該第二安裝部內的各該第二發光元件所發出的該第二光線受該梯形凹槽作用，而使得該第二光線的發光角度小於該第一光線的發光角度。
如請求項1所述的圖像生成單元，其中更包括一光學增強層，該光學增強層係設在該導光層與該顯示層之間，該光學增強層係導引偏折的該第一光線與該第二光線，使該第一光線與該第二光線集中朝向顯示層出光。
如請求項1所述的圖像生成單元，其中該顯示層係為液晶面板。
如請求項1所述的圖像生成單元，其中該導光層係為導光板。
一種抬頭顯示器，包括：一外殼；如請求項1~7任一項之該圖像生成單元，其中該圖像生成單元係設置在該外殼內；一光學組件，該光學組件係設置在該外殼內於該圖像生成單元的出光側，該第一輸出畫面或第二輸出畫面經由該光學組件導引到投影位置，且可分別產生兩個不同視角範圍的該第一成像畫面與該第二成像畫面。
如請求項8所述的抬頭顯示器，其中該光學組件設有至少兩個光學鏡片，該些光學鏡片縮短該第一輸出畫面到該投影位置的光路距離，及該第二輸出畫面到與該投影位置的光路距離。