CN103048786B - 多光路抬头显像装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多光路抬头显像装置，包括：至少一显像单元，可产生至少二输入影像，以分别对应投射输入影像至多个中继透镜，中继透镜调整输入影像的折射角度后传递输入影像至虚像产生单元，虚像产生单元分别对应产生多个虚像至多个透视平面镜，透视平面镜以分别对应反射组成一大面积虚像；依据本发明的技术内容可直接减少透镜或面镜的光学元件的尺寸大小，使得多光路显示装置得以微型化，更可实施大面积的显像范围，使得所需载具资讯画面与外界景像完全叠合，可有效解决过去使用单一光路显像装置，仅能以小面积显像而无法提供大面积显示画面的缺失。

Description

多光路抬头显像装置

技术领域

本发明是有关一种光学系统架构，特别是有关一种适用于移动式载具的多光路抬头显像装置。

背景技术

抬头显像装置(Head Up Display，HUD)，是最早实施在航空器上的飞行辅助仪器，可以让驾驶人不需要低头就能够看到仪表上的资讯，以避免注意力中断以及丧失对状态意识(Situation Awareness)的掌握，因为使用抬头显像装置不但具有便利性且能够提高飞行安全，因此可使用在任何一种移动式载具上，不单是民航机可以使用，甚至汽车及船舶也可使用。

然而，在过去现有技术中的抬头显示功能，都只是在驾驶人的视线范围内提供一些极小的显示范围面积的简单仪表数据资讯，显示资讯例如载具工作温度、引擎转速、时速或是一些小箭头的导引显示等等；如今，随着科技时代的进步，驾驶人可以有更多其他多元的选择，抬头显像装置还可以显示胎压、换挡提示或是转向、倒车提示、障碍物警示、飞行高度，飞行速度，航向，垂直速率变化，飞机倾斜角度以及风向资讯等任何有关移动式载具行进或怠速等有关移动式载具所须资讯，但是就以目前市面上的任何一种抬头显像装置可知皆是属于单一光路显像装置，想要将这套单一光路显像装置与仪表台做一装置整合其实并不容易，因为抬头显像装置的所需体积对原已装满电线与接头的仪表台来说已过大，且依据光学成像原理可知，不论是使用任何透镜或面镜，输入影像、成像面积都和透镜、面镜的光学元件尺寸大小是成正比关系，更何况基于投影品质而论，抬头显像装置的光学元件尺寸也不宜再缩小，因此在空间有限的驾驶舱里想做到大显像面积可以说是非常难以实施，况且显示面积范围过小的显像资讯也仅能让驾驶人使用余光短暂地一瞥仪表控台，因此驾驶人还是无法立即可以过滤出重要的关键资讯，若是驾驶人太过于仔细留意抬头显像装置的关键资讯，反而容易分散注意力而让驾驶人危机四伏。

有鉴于此，本发明是针对上述的问题，提出一种多光路抬头显像装置，不但可具有直接减少透镜或面镜的光学元件的尺寸，更具有大面积显像范围，是一种可兼具安全与效率的多功能型的高阶多光路抬头显像装置。

发明内容

本发明的主要目的，是在提供一种多光路抬头显像装置，利用多光路装置结构将影像进行切割或是以多个显像单元产生至少二输入影像再辅以重新汇集显像的技术手段，可以使本发明直接减少透镜或面镜的光学元件的尺寸大小，更具有大面积显像范围，多光路显示装置所提供的资讯画面可与外界景象完全叠合或是使资讯画面对应景像做搭配显示，可以帮助驾驶人注意所需移动式载具的关键资讯，将有效解决过去单一光路显像装置仅能以小面积范围显示的缺失。

本发明的另一目的，是在提供一种多光路抬头显像装置，以多光路结构产生至少二输入影像加以汇集显像，并通过透视平面镜的可调性可以随着驾驶的身高与坐姿随时进行调整适当的显示角度，相较于过去所采用的单一光路显像装置，本发明更能提供驾驶人全神贯注于前方的道路状况及驾驶上的舒适度。

为达上述的目的，本发明提供一种多光路抬头显像装置，包括：至少一显像单元，以产生至少二输入影像；多个中继透镜，可调整输入影像的折射角度，以分别对应接收并传递输入影像；一虚像产生单元，可分别对应接收输入影像并产生多个虚像；以及多个透视平面镜，以分别对应接收虚像并反射成一大面积虚像。

底下通过具体实施例配合所附的图式详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1为本发明的装置架构方块图；

图2A为本发明的装置示意图；

图2B为本发明的侧面示意图；

图3为本发明的虚像产生单元成像示意图；

图4为本发明的大面积成像示意图；

图5为本发明的凹面镜光学特性示意图；

图6为本发明的弧面镜成像示意图；

图7A为本发明的光路径示意图；

图7B为本发明第7A图的局部放大示意图；

图8A为本发明的个别显像示意图；

图8B为本发明的聚视范围示意图；

图9A为本发明的反射镜分割影像示意图；

图9B为本发明的影像分割示意图；

图10A为本发明的可调性透视平面镜示意图；

图10B为本发明的平视示意图；

图10C为本发明的俯视示意图；

图11A为本发明的宽4公尺高1公尺影像示意图；

图11B为本发明的宽2公尺高1公尺影像示意图；

图11C为本发明的宽1公尺高1公尺影像示意图；

图11D为本发明的宽4公尺高1公尺影像的凹面镜尺寸示意图；

图11E为本发明的图宽2公尺高1公尺影像的凹面镜尺寸示意图；

图11F为本发明的图宽1公尺高1公尺影像的凹面镜尺寸示意图。

附图标记说明：10-多光路抬头显像装置；12-摄像单元；14-处理单元；16-显像单元；18-光学机构；20-中继透镜；22-虚像产生单元；24-透视平面镜；26-凹面镜；28-凸透镜；30-实际车道线；32-虚像车道线；34-挡风玻璃；36-弧面镜；38-聚视单元；40-聚视范围；42-反射镜；44-旋转机构；46-旋转致动机构；S-物距；S’-像距；f-焦距；m-放大率；X-水平轴；Y-垂直轴；p-内径；d-外径。

具体实施方式

本发明是在提供一种多光路抬头显像装置，利用多光路装置结构可将影像进行切割或是以多个显像单元产生至少二输入影像再辅以重新汇集显像的方式以进行显示一大面积虚像，利用本发明的技术内容可直接减少透镜或面镜的光学元件尺寸大小，更具有大面积显像范围，并可通过透视平面镜的可调性，可以依据驾驶的身高与坐姿进行调整最适当的显示角度。

关于本发明的实施方式，首先参阅图1，以说明本发明的装置架构方块图，如图所示，本发明的多光路抬头显像装置10可搭配至少一如电荷耦合元件或是互补式金属-氧化-半导体元件的摄像单元12及搭配使用至少一如中央处理器、微处理器或单片微型电脑的处理单元14，处理单元14电性连接摄像单元12及显像单元16，摄像单元12可使用单一或多个以进行读取前方景象如为车道线、水平线或障碍物轮廓等移动式载具的前方影像或是可再使用单一或多个摄像单元12安置在载具周围可读取移动式载具的视野死角影像，此摄像单元12所读取的影像是作为外部讯号，处理单元14则同时进行接收及处理如载具工作温度、转速、时速、导引资讯、胎压、换挡提示、转向、倒车提示、障碍物警示、飞行高度，飞行速度，航向，垂直速率变化，载具倾斜角度、风向资讯、载具行进或怠速的讯号以作为载具讯号，或是可再利用障碍物轮廓侦测作为障碍物距离警示讯号，处理单元14整合外部讯号、载具讯号及障碍物距离警示讯号成移动式载具所需的关键资讯之后，将关键资讯加以处理成影像讯号，最后处理单元14可传送影像讯号至显像单元16，再由显像单元16产生至少一输入影像至光学机构18。

在此说明多光路抬头显像装置的第一实施方式，请参阅图2A及图2B，以说明本发明的装置示意图及本发明的侧面示意图，同时参考图1，如图所示，本发明提出一种多光路抬头显像装置10，可包括：至少二如液晶显示器或数字光处理投影器的显像单元16以及至少一光学机构18，显像单元16可产生至少二以上的输入影像以进行光路传送至光学机构18，其中光学机构18可包括：多个中继透镜20，中继透镜20以分别对应接收输入影像的入光后，可折射输入影像的角度，中继透镜20加以调整输入影像的出光角度，使输入影像传递至可为凸透镜或凹面镜的虚像产生单元22，在虚像产生单元22分别对应接收至少二以上的输入影像之后，产生多个虚像，最后多个透视平面镜24以分别对应接收多个虚像之后，以最适当的汇集反射角度汇集成一大面积虚像；由于本发明是利用一个输入影像搭配一个光路做为实施方式，因此在本发明的第一实施方式当中，是以至少二输入影像做为举例说明，则需配有二光路，多光路抬头显像装置10则采用二个中继透镜20、一个虚像产生单元22以及两个透视平面镜24，因此，在本发明所揭示的技术特征其输入影像与光路数量关系为中继透镜20及透视平面镜24是与输入影像的数量可为相等，当然多光路抬头显像装置10亦可使用二个输入影像以上的数量并搭配二个光路以上，例如使用三个输入影像，多光路抬头显像装置10则采用三个中继透镜20、一个虚像产生单元22以及三个透视平面镜24，此外，安装在移动式载具的光学机构18可用一套亦可使用多套，实施方法仅须将显像单元16所投射的输入影像分别对应投射至多套光学机构18，然而本发明较佳实施例是以列举一套做为说明，光学机构18及光路的数量仅需依不同需求做出最适当的变化即可，其实施原理皆同于图2A及图2B所揭示内容，故不再赘述。

参阅图3、图4、图5及图6，以说明本发明的虚像产生单元22成像示意图、大面积成像示意图、凹面镜光学特性示意图及弧面镜成像示意图，并同时参考图2A，如图3及图4所示，本发明的虚像产生单元22可为凹面镜26或凸透镜28，皆是利用正立放大虚像的光学原理，以产生虚像，并以大面积的方式成像至窗外，所产生的虚像至少可搭配实际车道线30并对应至虚像车道线32；如图5所示，本发明的凹面镜26其光学特性，当曲率半径R为∞时，为凹面镜26，焦距为∞；当曲率半径R为100时，为具一弧度的凹面镜26，其焦距为50。凹面镜26均可产生虚像，其焦距如式(1)

f＝R/2                            (1)

其凹面镜26曲面也可设定为非球面，可避免光学像差产生，当显像单元16放置于焦距内，凹面镜26将呈现一放大的虚像，其放大率如式(2)及式(3)

1/S+1/S′＝1/f                    (2)

m＝S′/S                          (3)

其中式(1)～式(3)R为曲率半径、S为物距、S’为像距、f为焦距及m为放大率。

如图6所示，本发明提供的一种多光路抬头显像装置10，其技术内容若是应用在车辆，则所提供显示画面的面积可对应至虚像车道线32，其画面可至少涵盖宽4公尺，高1公尺，其中透视平面镜24为高反射率光学薄膜的平板片，其穿透率可为70％～75％之间，反射率可为30％～25％之间，并且摆放至挡风玻璃34的窗内，如此一来，驾驶人即可依序通过透视平面镜24及挡风玻璃34注视着前方虚像，虚像将与前方景像相互重叠或是使虚像对应该前方景像做显示，当透视平面镜24与搭配的光路数量多时，则可使透视平面镜24成为一弧面镜36，以显示一大画面。本发明的图4及图6是以车辆为载具做为实施方式作说明，故列举虚像车道线30做为辅助说明，当然其他任何一种移动式载具上如航 空器及船舶若欲对应水平线，其实施原理皆相同，故不重复赘述。

参阅图7A、图7B、图8A及图8B，以说明光路径示意图、第7A的局部放大示意图、个别显像示意图及聚视范围示意图，并同时参考第2A图，如图7A所示，影像的光路传送通过显像单元16、中继透镜20、虚像产生单元22及透视平面镜24利用其摆放位置以呈现本发明的光路径轨迹，如图7A及图8A所示，图7B则是图7A的局部放大示意图，局部放大的部分即是本发明的多光路抬头显像装置10，其中多光路抬头显像装置10，更包括聚视单元38，聚视单元38则具有一聚视范围40，透视平面镜24可反射一大面积虚像至聚视范围40内，人眼42可在聚视范围40内观察到一大面积虚像，如图8A所示，本发明是以至少二输入影像做为举例说明，因此利用二光路以呈现左右各半部的虚像反射至聚视范围40内，当各部虚像合并的后如图8B所示，可在聚视范围40内观视的就是一个大面积虚像显示。

在此说明多光路抬头显像装置的第二实施方式，请参阅图9A及图9B，以说明反射镜分割影像示意图及影像分割示意图，如图所示，本发明的第二实施方式亦可使用单一个显像单元16来产生一影像，并且依据第一实施方式相同的光学原理搭配多个反射镜42以进行分割影像，作为第二实施方式的技术手段，多个反射镜42可摆设至显像单元16与中继透镜20之间，使得反射镜42可分割并反射影像成为至少二或以上的输入影像，反射镜42可将输入影像分别对应反射至中继透镜20，多个反射镜42将分割后的影像以至少二输入影像或是二个以上多段输入影像的方式进行光路传送至中继透镜20，可同样达到如第一实施方式多光路大面积显示虚像的目的及功效，第二实施方式在中继透镜20后的光路传送方式与第一实施方式所述相同，故不再重复赘述；如图9B所示，第二实施方式亦可将一影像亦以分割影像成为上下左右各四部分以四个多段分割输入影像的方式以进行光路传送并反射至中继透镜，因此，由上述的技术内容可知当第二实施方式使用更多反射镜42时，则可将影像分割成更多部分，其实施方式同图9A所示，亦不再详述；参阅图9A及图2A，如图所示，在本发明的第二实施方式当中，就如同第一实施方式所述的至少二输入影像则需搭配至少二光路，因此在第二实施方式所揭示的的技术特征是为中继透镜20、透视平面镜24及反射镜42是与输入影像的数量可为相等，多光路抬头显像装置10当然亦可使用二个输入影像以上的数量搭配二个光路以上，其原理皆同于图9A所揭示内容，故不再赘述。

参阅图10A、图10B及图10C，以说明本发明的可调性透视平面镜示意图、平视示意图及俯视示意图，本发明所采用的透视平面镜24具有可调性，驾驶人可依据自己的身高与坐姿随时进行调整适当的显示角度，如图10A所示，透视平面镜24可固定在一旋转机构44上，旋转机构44则设置在一旋转致动机构46上，旋转机构44可供水平轴X顺时针及逆时针翻转，旋转致动机构46则可供垂直轴Y顺时针及逆时针翻转，如此一来透视平面镜24即具有可调性，可以随着驾驶的身高与坐姿随时进行调整适当的显示角度，如图10B及图10C所示，旋转机构44及旋转致动机构46可依据人眼位置的不同加以调整透视平面镜24的最佳显示角度。

参阅图11A、图11B、图11C、图11D、图11E及图11F，以说明宽4公尺高1公尺影像示意图、宽2公尺高1公尺影像示意图、宽1公尺高1公尺影像示意图、宽4公尺高1公尺影像的凹面镜尺寸示意图、宽2公尺高1公尺影像的凹面镜尺寸示意图及宽1公尺高1公尺影像的凹面镜尺寸示意图，并同时参考图2A、图3及图9A，如图所示，不论是第一实施方式或第二实施方式，当本发明是以一输入影像搭配一光路时，虚像产生单元22若是以凹面镜26欲呈现宽4公尺高1公尺影像，此时凹面镜26尺寸大小内径为547.138毫米外径为557.649毫米，当本发明是以二输入影像搭配有二光路时，虚像产生单元22若是以凹面镜26欲呈现宽2公尺高1公尺影像，此时凹面镜26尺寸大小内径为299.07毫米外径为302.65毫米，本发明是以四输入影像搭配有四光路时，虚像产生单元22若是以凹面镜26欲若欲呈现宽1公尺高1公尺影像，此时所需光学元件尺寸大小内径为192.251毫米外径为199.297毫米，因此由上所述可知，因此本发明不论是采用第一实施方式或是第二实施方式，当多光路抬头显像装置10可以使用更多输入影像搭配有更多光路或是由反射镜42进行分割更多部影像时，虚像产生单元22的光学元件尺寸只会变得更小，但仍可具有大面积显像范围，因此将可使本发明的多光路抬头显像装置10得以微型化更容易安装在操控室内，并可通过透视平面镜24的可调性随着驾驶的身高与坐姿进行调整适当的显示角度。

虽然，本发明前述的实施例揭露如上，然其并非用以限订本发明。在不脱离本发明的精神和范围内所为的更动与润饰，均属于本发明专利范围的主张。关于本发明所界定的专利范围请参考所附的申请专利范围。

Claims (9)

1.一种多光路抬头显像装置，其特征在于，包括：一显像单元、多个反射镜、多个中继透镜、一虚像产生单元和多个透视平面镜，其中，

该显像单元用于产生一影像；

该多个反射镜设于该显像单元与该多个中继透镜之间，用于反射并分割该影像成为多个输入影像，并将该多个输入影像分别对应反射至该多个中继透镜；

该多个中继透镜用于调整该多个输入影像的折射角度，以分别对应接收并传递该多个输入影像；

该虚像产生单元用于接收该多个输入影像并产生多个虚像；以及

该多个透视平面镜分别对应接收该多个虚像并反射成一大面积虚像。

2.根据权利要求1所述的多光路抬头显像装置，其特征在于，更包括一聚视单元，该聚视单元具有一聚视范围，该透视平面镜用于反射该大面积虚像至该聚视范围内。

3.根据权利要求1所述的多光路抬头显像装置，其特征在于，更包括至少一摄像单元及至少一处理单元，该处理单元电性连接该摄像单元及该显像单元，该摄像单元用于读取一外部讯号，该处理单元用于接收该摄像单元的该外部讯号并进行处理该外部讯号及一载具讯号成一影像讯号，该处理单元用于传送该影像讯号至该显像单元，使该显像单元产生该输入影像。

4.根据权利要求3所述的多光路抬头显像装置，其特征在于，该外部讯号为车道线、水平线或障碍物轮廓；该载具讯号为载具工作温度、转速、时速、导引资讯、胎压、换挡提示、转向、倒车提示、障碍物警示、飞行高度，飞行速度，航向，垂直速率变化，载具倾斜角度、风向资讯、载具行进或怠速的讯号。

5.根据权利要求1所述的多光路抬头显像装置，其特征在于，该透视平面镜及该中继透镜是与该输入影像的数量相等。

6.根据权利要求1所述的多光路抬头显像装置，其特征在于，该透视平面镜、该中继透镜及该反射镜是与该输入影像的数量相等。

7.根据权利要求1所述的多光路抬头显像装置，其特征在于，该显像单元为液晶显示器或数字光处理投影器。

8.根据权利要求1所述的多光路抬头显像装置，其特征在于，该虚像产生单元为凹面镜或凸透镜。

9.根据权利要求1所述的多光路抬头显像装置，其特征在于，该透视平面镜为高反射率光学薄膜的平板片，其穿透率为70％～75％，反射率为30％～25％，该透视平面镜具有可调性，用于进行调整适当的显示角度。