TWM558366U - 抬頭顯示器與運輸工具 - Google Patents

Abstract

抬頭顯示器包括一影像源、一第一面鏡以及一透明屏幕。影像源是用以投射一影像光線,而第一面鏡是用以反射該影像光線,且第一面鏡具有第一自由曲面反射面。由第一面鏡反射之影像光線會行進至透明屏幕,再經由透明屏幕反射至使用者的眼睛可視範圍而形成一感知影像,且透明屏幕包含一自由曲面表面。

Description

抬頭顯示器與運輸工具

本創作是關於一種抬頭顯示器與包含該抬頭顯示器的運輸工具,尤其關於一種具有較遠成像距離的抬頭顯示器與包含該抬頭顯示器的運輸工具。

抬頭顯示器(head-up display,HUD)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,影像源投射之影像光線經由至少一反射面進入使用者的眼睛可視範圍。然而,習知抬頭顯示器的系統焦距較短且成像距離短,容易造成使用者對焦不易而產生疲累感。並且,習知抬頭顯示器的機構設計會導致像差、光路徑較長等缺點,因而影響顯示品質以及具有無法縮小機構等問題。

本創作的主要目的之一在於提供一種抬頭顯示器及具有此抬頭顯示器的運輸工具,其中抬頭顯示器能夠修正像差並且具有較遠的成像距離。

為達上述目的,本創作的一實施例提供一種抬頭顯示器,其包括一影像源、一第一面鏡以及一透明屏幕。其中,影像源用以投射影像光線,第一面鏡用以反射影像光線。並且,該第一面鏡具有一第一自由曲面反射面且該第一自由曲面反射面的曲率係由以下公式一所定義: …………………公式一

其中,係數 為x軸梯形變形量,係數 為y軸梯形變形量,係數 及係數 為曲面放大倍率,且係數 為曲面四角比例,並且係數 為-2至2,係數 為-2至2,係數 為1.0E-3至2.0E-3,係數 為1.0E-4至2.0E-4,且係數 為0.5E-3至1.5E-3。此外,由第一面鏡反射之影像光線會行進至透明屏幕,再經由透明屏幕反射至使用者的眼睛可視範圍而形成感知影像,且透明屏幕包含自由曲面表面。

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

請參考圖1,圖1為本創作第一實施例的抬頭顯示器與運輸工具的示意圖。本創作抬頭顯示器100可應用並裝設於一運輸工具400中,其中本實施例的運輸工具400舉例為汽車,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、一透明屏幕104以及一第一面鏡106。其中,影像源102用來顯示一影像畫面並投射影像光線300。影像源102可例如是(但不限於)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或其他適合的影像顯示器。影像源102與第一面鏡106相對設置,且兩者皆設置在透明屏幕104的一側,本實施例之透明屏幕104舉例為汽車的擋風玻璃。第一面鏡106和透明屏幕104皆設置在影像源102所射出的影像光線300的行進路徑上,且影像光線300的行進路徑依序經過第一面鏡106、透明屏幕104和使用者的眼睛可視範圍200,其中本實施例的可視範圍200舉例為汽車駕駛者的眼睛或操縱位置。詳細而言,影像源102所投射出的影像光線300首先經由第一面鏡106反射至透明屏幕104,而透明屏幕104會再將影像光線300進一步反射至使用者的眼睛可視範圍200以形成一感知影像,亦即虛像302。其中,透明屏幕104為自由曲面表面且第一面鏡106也為第一自由曲面反射面。並且,第一自由曲面反射面的曲率由公式一所定義: …………………公式一

其中常數x及y為曲面之變數,係數 為x軸梯形變形量,係數 為y軸梯形變形量,係數 及係數 為曲面放大倍率,且係數 為曲面四角比例。根據本創作,公式一中的係數 為-2至2,係數 為-2至2,係數 為1.0E-3至2.0E-3,係數 為1.0E-4至2.0E-4,且係數 為0.5E-3至1.5E-3。此外,在某些實施例中,公式一的其他係數進一步具有以下範圍:係數 為-2E-7至-6E-7, 為4E-7至9E-7, 為-1E-7至-5E-7, 為3E-7至8E-7, 為1.0E-9至5.0E-9, 為1.0E-11至5.0E-11, 為1.0E-9至5E-9, 為-0.5E-10至-4.5E-10, 為-1.0E-9至-5.0E-9。其中,係數 和係數 可調整曲面放大倍率,係數 可調整曲面四角比例而其餘高次項為更細部的曲面調整。並且,第一自由曲面反射面公式一之係數係根據透明屏幕104的自由曲面表面做調整設計,針對不同透明屏幕104的自由曲面曲率,可以自由調控公式一中的各項係數值,以此達到減少像差的目的。

藉由上述第一面鏡106的特定第一自由曲面反射面設計,可以配合透明屏幕104提供適當的光路徑距離與控制影像之縮放,增加系統焦距的距離以及成像距離,同時增加影像面積並縮短光路徑,藉此縮小整體機構,節省使用空間並且減少影像像差。舉例而言,本實施例系統中使用的第一面鏡106可以根據影像光線300在一第一方向X上和一第二方向Y具有不同的放大/縮小倍率,或是依此分別具有不同的曲率,其中第一方向X不平行於第二方向Y。在本實施例中,第一方向X代表顯示影像的橫向方向,而第二方向Y代表顯示影像的縱向方向,但不以此為限。因此,使用者可以看到距離較遠的虛像302,有較佳的觀看效果與品質。

請參考圖2,圖2為本創作第二實施例的抬頭顯示器與運輸工具的示意圖。類似於圖1之設置,抬頭顯示器100包括影像源102、透明屏幕104以及第一面鏡106,並且還包括一第二面鏡108,且該第二面鏡108包括自由曲面鏡、球面鏡或非球面鏡。其中,影像源102設置在第一面鏡106及第二面鏡108之間。本實施例影像源102所投射出的影像光線300會先入射至第二面鏡108再反射至第一面鏡106,接著被第一面鏡106反射至透明屏幕104,再由透明屏幕104將影像光線300進一步反射至使用者的眼睛可視範圍200而形成感知影像,亦即虛像302。類似於本創作第一實施例,本實施例之第一面鏡106為第一自由曲面反射面,並且,第一自由曲面反射面由前述公式一所定義,公式一中各常數或參數的數值可參考第一實施例,不再贅述。當第二面鏡108為自由曲面鏡時,定義其具有一第二自由曲面反射面,且第二自由曲面反射面也可由類似公式一的自由曲面公式所定義,其中該自由曲面公式中各常數與參數可根據第一面鏡106的第一自由曲面反射面以及透明屏幕104的自由曲面表面做調整設計及選擇,以達到減少像差的目的。在本實施例的變化實施例中,第二面鏡108還可為球面鏡或非球面鏡,例如為平面鏡,並根據第一面鏡106的第一自由曲面反射面以及透明屏幕104的自由曲面表面做調整設計。

此外,本實施例中之第一面鏡106的第一自由曲面反射面以及第二面鏡108的反射面可為單一軸向的形式建構曲面,或是以單一軸向為主要彎曲的曲面設計。舉例而言,本實施例系統中使用的兩片面鏡可以根據影像光線300在一第一方向X上和一第二方向Y上具有不同的放大倍率或縮小倍率,或是依此分別具有不同的曲率,其中第一方向X不平行於第二方向Y。例如,第一面鏡106可調整影像光線300在第二方向Y上之成像的縮小倍率或放大倍率,第二面鏡108可調整影像光線300在第一方向X上之成像的縮小倍率或放大倍率,但不以此為限。藉此,將單一軸向曲面鏡的第一面鏡106和第二面鏡108組合,並調整兩者的相對位置,可建構出雙向放大倍率的系統。另一方面,也可在上述設計下,使第一面鏡106和第二面鏡108皆具有自由曲面反射面,並藉由第一面鏡106和第二面鏡108進一步分別修正影像在第二方向Y與第一方向X上的像差。在本實施例中,第一方向X垂直於第二方向Y,且第一方向X舉例為虛像302的橫向方向,而第二方向Y為虛像302的縱向方向,但不以此為限,在其他實施例中,第一方向X與第二方向Y可以分別為虛像302的縱向與橫向方向。舉例而言,本實施例的第二面鏡106可為具有自由曲面反射面的凸面鏡,可對影像光線300先進行第一方向X的第一次像差修正,將成像的距離拉遠,再將影像光線300投射到第一面鏡108進行第二方向Y的第二次像差修正,以利用兩面距離較近的面鏡產生成像距離較遠的虛像302,藉以調整使用者觀看時的視線焦距,以使虛像302融入在擋風玻璃後的背景中。

由上述可知,本實施例可使第一面鏡106的第一自由曲面反射面和第二面鏡108的反射面是單一軸向的曲面,或是以單一軸向為主要彎曲方向,分別對影像光線300進行不同樣的縮放,因此在設計上能夠增加曲面的曲率,以此縮短光路徑,並且在設計上更佳單純,具有易於設計和製造的優點。

請參考圖3,圖3為本創作第三實施例的抬頭顯示器與運輸工具的示意圖。本實施例與第二實施例的差異點在於,在影像光線300的行進路徑上,第一面鏡106與第二面鏡108的設置位置對調,亦即影像源102所投射出的影像光線300會先入射至第一面鏡106再反射至第二面鏡108,接著由第二面鏡108將影像光線300反射至透明屏幕104,然後經透明屏幕104進一步反射至使用者的眼睛可視範圍200而形成虛像302。

綜上所述,本創作利用至少一自由曲面鏡設置於抬頭顯示器中,使其配合透明屏幕而調整適當的曲率,以調整系統焦距與成像距離。由於自由曲面為不規則曲率的表面,本創作提供了自由曲面鏡的曲率計算公式,使其能夠針對所對應的透明屏幕的自由曲面之曲率變化作調整設計,以達到減少影像像差之目的,同時增加影像面積並縮短光路徑,藉此縮小整體機構,節省使用空間並且減少影像像差。再者,本創作之抬頭顯示器可使用兩面曲率不同的曲面鏡以提供更大的放大倍率,其中此兩取面鏡可分別調整影像不同方向的放大倍率,由於單一曲面鏡只須要調整一個方向上的成像放大倍率,因此可不受限於同時調整兩個方向上的放大倍率,在設計上能夠增加曲率,藉此降低設計面鏡與製造的難度,並進一步降低製造成本。

以上所述僅為本創作的優選實施例而已,並不用於限制本創作,對於本領域的技術人員來說,本創作可以有各種更改和變化。凡在本創作的精神和原則之內,所作的任何修改、等同替換、改進等,均應包含在本創作的保護範圍之內。

100‧‧‧抬頭顯示器
102‧‧‧影像源
104‧‧‧透明屏幕
106‧‧‧第一面鏡
108‧‧‧第二面鏡
200‧‧‧可視範圍
300‧‧‧影像光線
302‧‧‧虛像
400‧‧‧運輸工具
X‧‧‧第一方向
Y‧‧‧第二方向

圖1為本創作第一實施例的抬頭顯示器與運輸工具的示意圖。 圖2為本創作第二實施例的抬頭顯示器與運輸工具的示意圖。 圖3為本創作第三實施例的抬頭顯示器與運輸工具的示意圖。

Claims (9)

1. 一種抬頭顯示器,其包括: 一影像源,用以投射一影像光線; 一第一面鏡,用以反射該影像光線,其中該第一面鏡具有一第一自由曲面反射面,該第一自由曲面反射面的曲率係由以下公式一所定義: …………………公式一 其中,係數 為x軸梯形變形量,係數 為y軸梯形變形量,係數 及係數 為曲面放大倍率,且係數 為曲面四角比例,並且係數 為-2至2,係數 為-2至2,係數 為1.0E-3至2.0E-3,係數 為1.0E-4至2.0E-4,且係數 為0.5E-3至1.5E-3;以及 一透明屏幕,由該第一面鏡反射之該影像光線會行進至該透明屏幕,再經由該透明屏幕反射至使用者的眼睛可視範圍而形成一感知影像,且該透明屏幕包含一自由曲面表面。
2. 如請求項1所述之抬頭顯示器,其中該自由曲面反射面之公式一的係數 為-2E-7至-6E-7, 為4E-7至9E-7, 為-1E-7至-5E-7, 為3E-7至8E-7, 為1.0E-9至5.0E-9, 為1.0E-11至5.0E-11, 為1.0E-9至5E-9, 為-0.5E-10至-4.5E-10, 為-1.0E-9至-5.0E-9。
3. 如請求項1所述之抬頭顯示器,其中該抬頭顯示器還包括一第二面鏡,且該第二面鏡包括自由曲面鏡、球面鏡或非球面鏡,該影像光線會先入射至該第二面鏡再被反射至該第一面鏡,或者該影像光線會先入射至該第一面鏡再被反射至該第二面鏡。
4. 如請求項3所述之抬頭顯示器,其中該第二面鏡具有一第二自由曲面反射面。
5. 如請求項3所述之抬頭顯示器,其中該第一面鏡及該第二面鏡分別在一第一方向上以及一第二方向上對該影像光線調整放大倍率、縮小倍率或進行像差修正,且該第一方向不平行於該第二方向。
6. 如請求項5所述之抬頭顯示器,其中該第一方向垂直於該第二方向。
7. 如請求項3所述之抬頭顯示器,其中該影像源位於該第一面鏡與該第二面鏡之間。
8. 如請求項1所述之抬頭顯示器,其中該透明屏幕為一運輸工具之擋風玻璃。
9. 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。