TWI818354B - 抬頭顯示器 - Google Patents

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TWI818354B TW110142354A TW110142354A TWI818354B TW I818354 B TWI818354 B TW I818354B TW 110142354 A TW110142354 A TW 110142354A TW 110142354 A TW110142354 A TW 110142354A TW I818354 B TWI818354 B TW I818354B
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    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features

Abstract

一種抬頭顯示器，包括影像光源、至少一反射鏡以及光束調制裝置。影像光源提供影像光束。至少一反射鏡，用於傳遞影像光束離開抬頭顯示器。光束調制裝置，在影像光束的傳遞路徑上，設置於抬頭顯示器內。環境光束穿透光束調制裝置後入射影像光源，且環境光束入射至影像光源的光能量小於或等於25%的入射至抬頭顯示器的環境光束的光能量。

Description

抬頭顯示器
本發明是有關於一種抬頭顯示器。
顯示技術的發展在近年來帶動各種抬頭顯示器被大量運用於生活中，其中，抬頭顯示器呈現疊加影像在環境影像上的訊息，常被運用於飛機、車輛、商店櫥窗等。以車用抬頭顯示器為例，其利用擋風玻璃的內表面作為光學組合器，為駕駛人提供資訊，駕駛人在行駛時，不需低頭觀看儀表版或導航器，即可看到車內資訊系統所提供之資訊。
由於抬頭顯示器大多使用於戶外，太陽光會透過抬頭顯示器的成像鏡組匯聚至內部的顯示面板，將造成內部溫度高於顯示面板所能承受之上限(約100度至110度)。一般來說，太陽光光能量密度為1050W/m2，當太陽光匯聚於顯示面板的一小區域上，光能量密度將會高於20000W/m2至60000W/m2，造成顯示面板的溫度高於105度以上，可能造成顯示面板損壞，降低抬頭顯示器的使用壽命。因此，亟需發展一種能夠避免太陽光大量進入抬頭顯示器的技術。
本發明提供一種抬頭顯示器，能夠避免環境光大量進入，避免抬頭顯示器長期受環境光的照射而受損。
根據本發明一實施例，提供一種抬頭顯示器，包括影像光源、至少一反射鏡以及光束調制裝置。影像光源提供影像光束。至少一反射鏡用於傳遞影像光束離開抬頭顯示器。光束調制裝置，在影像光束的傳遞路徑上，設置於抬頭顯示器內。環境光束穿透光束調制裝置後入射影像光源，使得環境光束入射至影像光源的光能量小於或等於25%的入射至抬頭顯示器的環境光束的光能量。
在一實施例中，環境光束在穿透光束調制裝置傳遞至影像光源的過程中，環境光束的偏振態包括線偏振態以及橢圓偏振態、包括線偏振態以及圓偏振態、或者包括線偏振態以及非偏振態。
在一實施例中，光束調制裝置包括第一線偏振器、相位調制器以及第二線偏振器，依序設置於環境光束入射影像光源的傳遞路徑上。
在一實施例中，相位調制器為一1/4波片。
在一實施例中，第一線偏振器的穿透軸與1/4波片的慢軸形成夾角。
在一實施例中，相位調制器為去偏極器。
在一實施例中，影像光源還包括顯示裝置，顯示裝置包括液晶面板以及第三線偏振器，且第二線偏振器的穿透軸平行第三線偏振器的穿透軸。
在一實施例中，第一線偏振器的穿透軸平行第二線偏振器的穿透軸。
在一實施例中，離開抬頭顯示器的影像光束傳遞至反射屏，影像光束於反射屏上反射，以進入眼睛，其中影像光束穿透第一線偏振器後，於反射屏上反射，且在反射屏上反射的影像光束為第一偏振態。
在一實施例中，還包括防塵罩，防塵罩設置於反射屏與影像光源之間，用於隔絕灰塵落入抬頭顯示器內。
在一實施例中，在環境光束的傳遞路徑上，光束調制裝置的第一線偏振器設置於防塵罩上，相位調制器以及第二線偏振器設置於該影像光源的顯示裝置上。
基於上述，本發明實施例提供的抬頭顯示器利用光束調制裝置對環境光束進行調制，改變環境光束的光學特性，以降低進入抬頭顯示器的光能量，避免抬頭顯示器因長期受環境光的照射而受損。
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。
1、2:抬頭顯示器
10:影像光源
20:光束調制裝置
30:反射屏
40、50:反射鏡
60:防塵罩
30I、30J:表面
101:顯示裝置
201、202、203:相位調制器
210:第一線偏振器
220:第二線偏振器
IL:影像光束
SL:環境光束
SL0:原環境光束
SL1、SL2、SL3:部分環境光束
圖1是根據本發明一實施例的抬頭顯示器的示意圖。
圖2A、圖2B及圖2C是根據本發明實施例的光束調制裝置的示意圖。
圖3是根據本發明另一實施例的抬頭顯示器的示意圖。
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。
參照圖1，根據本發明一實施例的抬頭顯示器的示意圖。抬頭顯示器1包括影像光源10、光束調制裝置20，至少一反射鏡(40、50)。影像光源10包括顯示裝置101。顯示裝置101包括液晶面板(Liquid crystal panel)。影像光源10提供影像光束IL。借由至少一反射鏡(40、50)，將影像光束IL傳遞至反射屏30的一表面30I上並反射至眼睛。在影像光束IL的傳遞路徑上，至少一反射鏡(40、50)設置於影像光源10與眼睛之間。光束調制裝置20設置於抬頭顯示器1內。
在其他實施例中，抬頭顯示器1包括影像光源10、光束調制裝置20，單一反射鏡40或50。影像光源10提供影像光束IL。 借由單一反射鏡40或50，將影像光束IL傳遞至反射屏30並反射至眼睛。反射鏡40或50例如可以是平板反射鏡、凸面或凹面反射鏡，可根據影像光路的設計而設置所需要的反射鏡。
在一個實施例中，抬頭顯示器1被實施為車用抬頭顯示器，反射屏30為擋風玻璃，且抬頭顯示器1還包括防塵罩60。反射屏30的表面30I對應為擋風玻璃於車內的表面，表面30J對應為擋風玻璃於車外的表面。影像光束IL在擋風玻璃於車內的表面上反射後進入駕駛人的眼睛，進入眼睛的影像光束IL成像於駕駛人眼睛前方的虛像。防塵罩60例如是透光的塑膠罩體，材質例如是聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate,PET)，用於隔絕灰塵落入抬頭顯示器1，也就是灰塵不會碰觸到影像光源10、光束調制裝置20以及單一反射鏡40或50。在影像光束IL的傳遞路徑上，光束調制裝置20設置於影像光源10與防塵罩60之間。
為了避免環境光(例如太陽光)大量進入抬頭顯示器1，造成顯示裝置101因高溫而損壞。在影像光束IL的傳遞路徑上，抬頭顯示器1的光束調制裝置20設置於影像光源10以及反射屏30之間。光束調制裝置20用於調制(modulate)入射光束的相位及偏振態，再利用偏振選擇元件選擇特定的偏振態，以降低光束穿透光束調制裝置20的光能量。在圖1所示的實施例中，在影像光束IL的傳遞路徑上，光束調制裝置20被設置於顯示裝置101與反射鏡40或50之間，以降低環境光束SL穿透光束調制裝置20的光能量，使得環境光束SL入射至影像光源10的光能量小於或 等於(≦)25%的環境光束SL入射至抬頭顯示器1的光能量，進而下降環境光束SL照射到顯示裝置101所上升的溫度。
在本發明一實施例中，光束調制裝置20例如是太陽光能量過濾器(Sun Light Filter，SLF)。光束調制裝置20包括第一線偏振器、相位調制器以及第二線偏振器，依序設置於環境光束SL入射影像光源10的傳遞路徑上。環境光束SL屬於非偏振光。應當說明的是，非偏振光並非不具偏振方向，而是其偏振方向隨時間改變非常快。環境光束SL在通過第一線偏振器後，偏振方向與第一線偏振器的吸收軸平行的部分環境光束SL會被第一線偏振器吸收，而穿透第一線偏振器的部分環境光束SL則為線偏振光線。偏振光可以是S偏振光或P偏振光。通常來說，上述被吸收的部分環境光束SL的光能量約占原來的環境光束SL的光能量的50%。換句話說，穿透第一線偏振器的部分環境光束SL的光能量約占原來的環境光束SL的光能量的50%。而相位調制器被設置於第一線偏振器與第二線偏振器之間，用於調制(modulate)穿透第一線偏振器的部分環境光束SL的相位，使部分環境光束SL的偏振態由線偏振改變為其他的偏振態，例如圓偏振光、橢圓偏振光或非偏振光。接著，藉由適當配置第二線偏振器的吸收軸的方向，再吸收50%的部分環境光束SL的光能量。穿透光束調制裝置20的部分環境光束SL的光能量小於或等於原環境光束SL的光能量的25%。下列將參照本發明的各種實施例，具體說明光束調制裝置如何降低進入抬頭顯示器1的環境光能量。
參照圖2A，其繪示根據本發明一實施例的光束調制裝置的示意圖。光束調制裝置20包括第一線偏振器210、相位調制器201以及第二線偏振器220，依序設置於環境光束SL0(為了理解的方便，以下稱原環境光束SL0)的傳遞路徑上。在本實施例中，相位調制器201為1/4波片(wave plate)，且第一線偏振器210的穿透軸與1/4波片的慢軸形成夾角，此夾角大於0度且小於45度。穿透第一線偏振器210的環境光束SL1(以下稱部分環境光束SL1)為線偏光。穿透相位調制器201且受相位調制器201調制的環境光束SL2(以下稱部分環境光束SL2)則為橢圓偏振光。由於部分環境光束SL2為橢圓偏振光，借由設置第二線偏振器220的吸收軸的方向，可以使第二線偏振器220吸收50%以上的橢圓偏振光的光能量。在這樣的情況下，穿透第二線偏振器220的線偏振環境光束SL3(以下稱部分環境光束SL3)的光能量可以小於或等於原環境光束SL0的光能量的25%。
參照圖2B，其繪示根據本發明一實施例的光束調制裝置的示意圖。光束調制裝置20包括第一線偏振器210、相位調制器202以及第二線偏振器220，依序設置於原環境光束SL0的傳遞路徑上。本實施例與圖2A所示實施例相同在於，相位調制器202為1/4波片，本實施例與圖2A所示實施例不同在於，第一線偏振器210的穿透軸與1/4波片的慢軸形成一夾角，此夾角為45度。穿透相位調制器202且受相位調制器202調制的部分環境光束SL2為圓偏振光。部分環境光束SL2在穿透第二線偏振器220後，產 生部分環境光束SL3。部分環境光束SL3的光能量為原環境光束SL0的光能量的25%。
請同時參照圖1及圖2B，在本發明的一實施例中，抬頭顯示器1包括如圖2B所示的光束調制裝置20，其中第一線偏振器210、相位調制器202以及第二線偏振器220三者堆疊設置於影像光源10上，且影像光源10包括圖1所示的顯示裝置101，顯示裝置101包括液晶面板以及上偏光片(第三線偏振器)，且光束調制裝置20的第二線偏振器220的穿透軸平行顯示裝置101的上偏光片的穿透軸，使得影像光束IL在穿透光束調制裝置20的過程中有較高的穿透率，而不會被吸收影像光束IL。
本發明的另一實施例中，光束調制裝置20的第二線偏振器220的穿透軸平行顯示裝置101的上偏光片的穿透軸，且平行第一線偏振器210的穿透軸，使得影像光束IL在穿透光束調制裝置20的過程中有較高的穿透率。但是本發明不以此為限，在本發明的一些實施例中，第一線偏振器210的穿透軸、第二線偏振器220的穿透軸以及顯示裝置101的上偏光片的穿透軸三者之間的夾角可以根據影像光束IL的強度以及環境光束SL的強度來調整。
本發明的再一實施例中，第一線偏振器210的穿透軸、第二線偏振器220的穿透軸以及顯示裝置101的上偏光片的穿透軸三者相平行，且影像光束IL穿透第一線偏振器210後，於反射屏30上反射，且在反射屏30的表面30I上反射的影像光束IL例如為第一偏振態也就是S偏振態，提高影像光束IL的反射率，增 加進入駕駛人眼睛的光能量。
參照圖2C，其繪示根據本發明一實施例的光束調制裝置的示意圖。光束調制裝置20包括第一線偏振器210、相位調制器203以及第二線偏振器220，依序設置於原環境光束SL0的傳遞路徑上。本實施例與圖2A所示實施例不同在於，相位調制器203為去偏極器(depolarizer)，致使穿透相位調制器203的部分環境光束SL2為非偏振光。部分環境光束SL2在穿透第二線偏振器220後，產生部分環境光束SL3。部分環境光束SL3的光能量為原環境光束SL0的光能量的25%。
參照圖3，其繪示根據本發明另一實施例的抬頭顯示器的示意圖。抬頭顯示器2與圖1所示實施例中的抬頭顯示器1不同在於，抬頭顯示器2中的光束調制裝置是以上述圖2A所示的光束調制裝置20來實施(implement)，且在影像光束IL的傳遞路徑上，抬頭顯示器2中的反射鏡40及50設置於第一線偏振器210以及相位調制器201之間，用於改變影像光束IL的行徑方向，降低抬頭顯示器2的總體體積。光束調制裝置20的第一線偏振器210設置於防塵罩60上，光束調制裝置20的相位調制器201與第二線偏振器220則可貼合於一起，設置於顯示裝置101的出光表面上。但是本發明不以此為限，在本發明一未繪示的實施例中，在環境光光束SL的傳遞路徑上，光束調制裝置20的第一線偏振器210、相位調制器201與第二線偏振器220可分別設置於反射屏30至顯示裝置101之間。光束調制裝置20設置在顯示裝置101時，可以 用貼合的方式，也可以用機構件(框架)的方式固定光束調制裝置20，並不一定需要直接接觸顯示裝置101，顯示裝置101與光束調制裝置20之間具有距離。在其他實施例中，光束調制裝置20的第一線偏振器210與相位調制器201可設置於防塵罩60上，而第二線偏振器220則設置於顯示裝置101的出光面上。在另一實施例中，光束調制裝置20皆設置於防塵罩60上。
綜上所述，本發明實施例提供的抬頭顯示器利用光束調制裝置對環境光束進行調制，改變環境光束的光學特性，以降低進入抬頭顯示器的光能量，避免抬頭顯示器因長期受環境光的照射而受損。
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。
1:抬頭顯示器
10:影像光源
20:光束調制裝置
30:反射屏
40、50:反射鏡
60:防塵罩
30I、30J:表面
101:顯示裝置
IL:影像光束
SL:環境光束

Claims (10)

  1. 一種抬頭顯示器，包括：一影像光源，提供一影像光束；至少一反射鏡，用於傳遞該影像光束離開該抬頭顯示器；以及一光束調制裝置，在該影像光束的傳遞路徑上，設置於抬頭顯示器內，其中一環境光束穿透該光束調制裝置後入射至該影像光源，該光束調制裝置包括一第一線偏振器、一相位調制器以及一第二線偏振器，依序設置於該環境光束入射該影像光源的傳遞路徑上。
  2. 如請求項1所述的抬頭顯示器，其中該環境光束在穿透該光束調制裝置傳遞至該影像光源的過程中，該環境光束的偏振態包括一線偏振態以及一橢圓偏振態、包括一線偏振態以及一圓偏振態、或者包括一線偏振態以及一非偏振態。
  3. 如請求項1所述的抬頭顯示器，其中該相位調制器為一1/4波片。
  4. 如請求項3所述的抬頭顯示器，其中該第一線偏振器的穿透軸與該1/4波片的慢軸形成一夾角。
  5. 如請求項1所述的抬頭顯示器，其中該相位調制器為一去偏極器。
  6. 如請求項1所述的抬頭顯示器，其中該影像光源還包括一顯示裝置，該顯示裝置包括一液晶面板以及一第三線偏振器，且該第二線偏振器的穿透軸平行該第三線偏振器的穿透軸。
  7. 如請求項6所述的抬頭顯示器，其中該第一線偏振器的穿透軸平行該第二線偏振器的穿透軸。
  8. 如請求項1所述的抬頭顯示器，其中離開該抬頭顯示器的該影像光束傳遞至一反射屏，該影像光束於該反射屏上反射，以進入眼睛，其中該影像光束穿透該第一線偏振器後，於該反射屏上反射，且在該反射屏上反射的該影像光束為第一偏振態。
  9. 如請求項8所述的抬頭顯示器，還包括防塵罩，該防塵罩設置於該反射屏與該影像光源之間，用於隔絕灰塵落入該抬頭顯示器內。
  10. 如請求項9所述的抬頭顯示器，其中在該環境光束的傳遞路徑上，該光束調制裝置的該第一線偏振器設置於該防塵罩上，該相位調制器以及該第二線偏振器設置於該影像光源的一顯示裝置上。
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