TWI802351B

TWI802351B - 抬頭顯示系統

Info

Publication number: TWI802351B
Application number: TW111112245A
Authority: TW
Inventors: 陳建宇; 周子恩; 莊智皓
Original assignee: 國立臺灣科技大學
Priority date: 2022-03-30
Filing date: 2022-03-30
Publication date: 2023-05-11
Also published as: TW202338434A

Abstract

一種抬頭顯示系統，用於投影影像光束至目標元件上。抬頭顯示系統包括光源、光閥以及控制器。光源用於發出照明光束。光閥設置在照明光束的傳遞路徑上。控制器電性連接至光源與光閥。經控制器控制光閥，照明光束被光閥轉換為影像光束，影像光束再被傳遞至目標元件，以重建形成多個虛像。虛像分別位於空間中的不同位置且不同深度。影像光束在光閥上的灰階分佈圖為虛像在目標元件上的反菲涅耳轉換。

Description

抬頭顯示系統

本發明是有關於一種抬頭顯示系統，且特別是有關於一種可形成多個虛像的抬頭顯示系統。

為了提升駕駛的安全性，提供多個資訊的抬頭顯示器目前是市場上的主流。若要提供多個資訊且資訊之間不互相干擾，較佳是能使不同的資訊呈現在不同的深度。一般來說，要使不同的資訊呈現在不同的深度，抬頭顯示器內需利用不同的光路來處理不同的資訊。例如，目前市場上熱門的雙光路抬頭顯示器。然而，雙光路的呈現方法在系統上需以設置較多的自由曲面反射鏡、光學鏡組、投影設備或空間光調制器來實現，因此存在成本較高且體積龐大的問題。

本發明提供一種抬頭顯示系統，其使用單一光閥就能實現多深度資訊的顯示。

本發明的一實施例提供一種抬頭顯示系統，用於投影影像光束至目標元件上。抬頭顯示系統包括光源、光閥以及控制器。光源用於發出照明光束。光閥設置在照明光束的傳遞路徑上。控制器電性連接至光源與光閥。經控制器控制光閥，照明光束被光閥轉換為影像光束。影像光束再被傳遞至目標元件，以重建形成多個虛像。虛像分別位於空間中的不同位置且不同深度。影像光束在光閥上的灰階分佈圖為虛像在目標元件上的反菲涅耳轉換。

基於上述，在本發明的一實施例中，抬頭顯示系統使影像光束傳遞至目標元件而重建形成多個虛像，並使影像光束在光閥上的灰階分佈圖為虛像在目標元件上的反菲涅耳轉換。抬頭顯示系統僅使用單一光閥的單一顯示影像單元即可呈現具有不同位置且不同深度的影像投影。因此，本發明實施例的抬頭顯示系統的系統架構較簡單，成本較低，且進一步縮小系統體積。

圖1是根據本發明的一實施例的抬頭顯示系統的示意圖。請參考圖1，本發明的一實施例提供一種抬頭顯示系統10，用於投影影像光束IB至目標元件上。目標元件可為分光器BS，例如是部分穿透部份反射鏡或汽車的擋風玻璃。其中，分光器BS可具有屈光度，但本發明不以此為限。在另一實施例中，目標元件可為使用者的眼睛E。也就是說，抬頭顯示系統10可為一種視網膜成像的顯示系統。在本實施例中，抬頭顯示系統包括光源100、光閥200以及控制器300。

詳細來說，本實施例的光源100例如是雷射二極體（Laser Diode, LD）光源、發光二極體（Light Emitting Diode, LED）光源或其他合適的光源或其組合。光源100用於發出照明光束L。照明光束L可為紅光、綠光、藍光或其他色光光束或其組合。光閥200設置在照明光束L的傳遞路徑上。光閥200例如是數位微鏡元件（Digital Micro-mirror Device, DMD）、矽基液晶面板（Liquid-crystal-on-silicon Panel, LCOS Panel）等任何適於重建全息影像的空間光調變器。

此外，控制器300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300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300來執行這些程式碼。或者，在一實施例中，控制器300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300的各功能。

圖2是多個虛像分別位於空間中的不同位置且不同深度的示意圖。圖3是圖2中的虛像在光閥上的灰階分佈圖。請同時參考圖1至圖3，在本實施例中，控制器300電性連接至光源100與光閥200。經控制器300控制光閥200，照明光束L被光閥200轉換為影像光束IB。影像光束IB再被傳遞至目標元件，以重建形成多個虛像V1、V2。例如，虛像V1為時速，且虛像V2為導航方向。虛像V1、V2分別位於空間中的不同位置(μ ₁,ν ₁)、(μ ₂,ν ₂)且不同深度z ₁、z ₂。其中，前述的位置(μ ₁,ν ₁)、(μ ₂,ν ₂)是以垂直於影像光束IB的平面上，以及虛像V1、V2所在處定義。而深度z ₁、z ₂可定義為虛像V1、V2的成像位置與光閥200之間的距離。

在本實施例中，影像光束IB在光閥200上的灰階分佈圖GD（如圖3所示）為虛像V1、V2在目標元件上的反菲涅耳轉換（Inverse Fresnel transform, IFrT）。也就是說，控制器300根據灰階分佈圖GD來控制光閥200轉換照明光束L為影像光束IB，並且影像光束IB傳遞至目標元件後會重建成具有不同位置(μ ₁,ν ₁)、(μ ₂,ν ₂)且不同深度z ₁、z ₂的虛像V1、V2。

然而，上述的反菲涅耳轉換為數學上的解析解。控制器300較佳是利用演算法來取得灰階分佈圖GD的數值解。

圖4是根據本發明的一實施例的抬頭顯示系統，利用第一遞迴演算法取得灰階分佈圖的流程圖。圖5是圖4中的第二遞迴演算法的流程圖。圖6是多個虛像分別位於空間中的相同位置但不同深度的示意圖。請參考圖2至圖6，基於反菲涅耳轉換，控制器300利用第一遞迴演算法（如圖4所示）取得灰階分佈圖GD的數值解。

具體來說，在本實施中，根據第二遞迴演算法（如圖5所示），分別取得多個近似目標影像中的多個第一振幅I _1n以及多個第一相位Ѱ _1n。其中，第二遞迴演算法是基於虛像V1’、V2’之間為同軸（也就是位置(μ ₁,ν ₁)相同但深度z ₁、z ₂不同，如圖6所示）計算第一相位Ѱ _1n。由於利用第二遞迴演算法所重建出的虛像V1’、V2’因位置相同而有在視線上疊加的影像缺陷。因此，再將第二遞迴演算法所取得第一相位Ѱ _1n的轉換為具有不同位置資訊的第二相位Ѱ _2n。使本發明實施例的抬頭顯示系統10在僅使用一組光閥200的情況下，可呈現多個具有不同位置且不同深度的影像。

在本實施例中，如圖4所示，將第一相位Ѱ _1n相加後做菲涅耳轉換（Fresnel transform, FrT），以取得多個第二振幅I _2n以及多個第二相位Ѱ _2n。若第二振幅I _2n各自與虛像V1、V2在目標元件處的多個振幅VI _n之間的第一相關係數（correlation coefficient）大於等於0.9，則停止第一遞迴演算法，並以第二相位Ѱ _2n相加後為灰階分佈圖GD的數值解。反之，若第一相關係數小於0.9，則以第二相位Ѱ _2n取代第二遞迴演算法中的多個隨機相位Ѱ _0n。其中，兩個變數f和f’之間的相關係數的定義為=cov(f,f’)/(σ _f×σ _f’)，cov(f,f’)為變數f和f’之間的共變異數（covariance），σ _f為變數f的標準差（standard deviation），且σ _f’為變數f’的標準差（standard deviation）。

除此之外，在本實施例中，如圖5所示，上述的第二遞迴演算法為：將多個初始振幅I _0n各自與隨機相位Ѱ _0n相乘後做菲涅耳轉換，以分別取得近似目標影像的多個第三振幅I _3n與多個第三相位Ѱ _3n。接著，將近似目標影像的第三相位Ѱ _3n各自與虛像V1’、V2’在目標元件處的振幅VI _n相乘後做反菲涅耳轉換，以分別取得多個第四相位Ѱ _4n。接著，以第四相位Ѱ _4n各自取代隨機相位Ѱ _0n後重新執行第二遞迴演算法，並分別取得更新後的近似目標影像的第三振幅I _3n’與第三相位Ѱ _3n’。若更新後的近似目標影像的第三振幅I _3n’各自與虛像V1’、V2’在目標元件處的振幅VI _n之間的第二相關係數大於等於0.9，則停止第二遞迴演算法，並以更新後的近似目標影像的第三振幅I _3n’及第三相位Ѱ _3n’為第一振幅I _1n及第一相位Ѱ _1n。反之，若第二相關係數小於0.9，則繼續執行第二遞迴演算法。

也就是說，在第二遞迴演算法中，利用菲涅耳轉換及反菲涅耳轉換來將虛像V1’、V2’的位置(x,y)進行調製，使影像重建於零階光的上方，如圖6所示。利用第二遞迴演算法調製出的影像雖深度不同，但在觀看方向上會重疊，導致觀看品質降低。因此，在第一遞迴演算法中，利用菲涅耳轉換將虛像V1、V2的位置(μ ₁,ν ₁)、(μ ₂,ν ₂)各自進行調製，使調製出的影像會在觀看方向上以位置不同的方式重建影像。例如圖2示意以上下分離的方式重建虛像V1、V2，但本發明不以此為限。利用菲涅耳轉換將虛像V1、V2的位置(μ ₁,ν ₁)、(μ ₂,ν ₂)進行調製而重建出的影像也可在觀看方向上重疊。

而將虛像V1、V2的深度z ₁、z ₂進行調製可依據成像公式：(1/d _n)+(1/D _n)=1/f，其中d _n為虛像V1、V2各自的像距，D _n為物距，以及f為目標元件的焦距。

在本實施例中，上述的初始振幅I _0n各自為1，但本發明不以此為限。

在本實施例中，抬頭顯示系統10更包括分光元件400、空間濾波器（spatial filter）500、透鏡組600以及光圈（Iris）700。分光元件400設置在目標元件與光閥200之間。照明光束L被分光元件400反射至光閥200，且影像光束IB先穿透分光元件400再傳遞至目標元件。當目標元件被設計為眼睛E時，此時眼睛E的位置會被設計為在圖1的分光器BS的位置。其中，分光元件400可為分光鏡（beam splitter）或偏振分光器（polarization beam splitter）。而當分光元件400為偏振分光器時，照明光束L的偏振方向與影像光束IB的偏振方向不同。也就是說，當光閥200將照明光束L轉換為影像光束IB時，其光束的偏振態也隨之改變。

在本實施例中，空間濾波器500設置在光源100與透鏡組600之間，且透鏡組600設置在光圈700與空間濾波器500之間。空間濾波器500可包括物鏡（objective lens）與針孔（pinhole），用以濾除高頻波。高頻波例如來自照明光束L接觸空氣中的雜質所產生的散射光。透鏡組600用以使來自光源100的照明光束L準直。而光圈700可透過調整其孔徑的方式來控制照明光束L的大小。

除此之外，在本實施例中，虛像V1、V2具有不同的放大率h ₁/H ₁=d ₁/D ₁、h ₂/H ₂=ν ₂/z _I2，其中h ₁為虛像V1的像高，H ₁為虛像V1的物高，d ₁為虛像V1的像距，D ₁為虛像V1的物距，h ₂為虛像V2的像高，H ₂為虛像V2的物高，d ₂為虛像V2的像距，以及D ₂為虛像V2的物距。而且，虛像V1、V2的放大率隨其深度增大而變大。

綜上所述，在本發明的一實施例中，抬頭顯示系統利用光閥將光源所發出的照明光束轉換為影像光束。抬頭顯示系統使影像光束傳遞至目標元件而重建形成多個虛像，並使影像光束在光閥上的灰階分佈圖為虛像在目標元件上的反菲涅耳轉換。因此，抬頭顯示系統僅使用單一光閥的單一顯示影像單元即可呈現具有不同位置且不同深度的影像投影。相較於使用多個顯示影像單元的顯示系統，本發明實施例的抬頭顯示系統的系統架構較簡單，使成本較低，且可使系統體積進一步微型化。

除此之外，本發明實施例中的抬頭顯示系統更利用演算法來計算重建後的虛像所應被調製的灰階分佈圖，其可間接減少光閥成像本身所帶來的公差或其他系統內元件所產生的公差。

10:抬頭顯示系統 100:光源 200:光閥 300:控制器 400、BS:分光器 500:空間濾波器 600:透鏡組 700:光圈 E:眼睛 GD:灰階分佈圖 I _0n:初始振幅 I _1n:第一振幅 I _3n、I _3n’:第三振幅 IB:影像光束 L:照明光束 V1、V1’、V2、V2’:虛像 VI _n:振幅 Ѱ _0n:隨機相位 Ѱ _1n:第一相位 Ѱ _2n:第二相位 Ѱ _3n、Ѱ _3n’:第三相位 Ѱ _4n:第四相位

圖1是根據本發明的一實施例的抬頭顯示系統的示意圖。圖2是多個虛像分別位於空間中的不同位置且不同深度的示意圖。圖3是圖2中的虛像在光閥上的灰階分佈圖。圖4是根據本發明的一實施例的抬頭顯示系統，利用第一遞迴演算法取得灰階分佈圖的流程圖。圖5是圖4中的第二遞迴演算法的流程圖。圖6是多個虛像分別位於空間中的相同位置但不同深度的示意圖。

10:抬頭顯示系統

100:光源

200:光閥

300:控制器

400、BS:分光器

500:空間濾波器

600:透鏡組

700:光圈

E:眼睛

IB:影像光束

L:照明光束

V1、V2:虛像

Claims

一種抬頭顯示系統，用於投影一影像光束至一目標元件上，包括：一光源，用於發出一照明光束；一光閥，設置在該照明光束的傳遞路徑上；以及一控制器，電性連接至該光源與該光閥，其中經該控制器控制該光閥，該照明光束被該光閥轉換為該影像光束，該影像光束再被傳遞至該目標元件，以重建形成多個虛像，該些虛像分別位於空間中的不同位置且不同深度，該影像光束在該光閥上的灰階分佈圖為該些虛像在該目標元件上的反菲涅耳轉換。
如請求項1所述的抬頭顯示系統，其中基於該反菲涅耳轉換，該控制器利用一第一遞迴演算法取得該灰階分佈圖的數值解，其中該第一遞迴演算法為：根據一第二遞迴演算法，分別取得多個近似目標影像中的多個第一振幅以及多個第一相位；將該些第一相位相加後做一菲涅耳轉換，以取得多個第二振幅以及多個第二相位；若該些第二振幅各自與該些虛像在該目標元件處的多個振幅之間的第一相關係數大於等於0.9，則停止該第一遞迴演算法，並以該些第二相位相加後為該灰階分佈圖的該數值解；若該些第一相關係數小於0.9，則以該些第二相位取代該第二遞迴演算法中的多個隨機相位，其中該第二遞迴演算法為：將多個初始振幅各自與該些隨機相位相乘後做一菲涅耳轉換，以分別取得該些近似目標影像的多個第三振幅與多個第三相位；將該些近似目標影像的該些第三相位各自與該些虛像在該目標元件處的該些振幅相乘後做該反菲涅耳轉換，以分別取得多個第四相位；以該些第四相位各自取代該些隨機相位後重新執行該第二遞迴演算法，並分別取得更新後的該些近似目標影像的該些第三振幅與該些第三相位；若該更新後的該些近似目標影像的該些第三振幅各自與該些虛像在該目標元件處的該些振幅之間的第二相關係數大於等於0.9，則停止該第二遞迴演算法，並以該更新後的該些近似目標影像的該些第三振幅及該些第三相位為該些第一振幅及該些第一相位；若該些第二相關係數小於0.9，則繼續執行該第二遞迴演算法。
如請求項2所述的抬頭顯示系統，其中該些初始振幅各自為1。
如請求項1所述的抬頭顯示系統，更包括：一分光元件，設置在該目標元件與該光閥之間，其中該照明光束被該分光元件反射至該光閥，該影像光束先穿透該分光元件再傳遞至該目標元件。
如請求項1所述的抬頭顯示系統，其中該些虛像具有不同的放大率。
如請求項1所述的抬頭顯示系統，其中該些虛像的放大率隨其深度增大而變大。