TWI425524B - 抬頭顯示系統 - Google Patents

Description

抬頭顯示系統

本發明是關於一種顯示裝置，特別是有關於一種抬頭顯示系統。

抬頭顯示(head－up display,HUD)器使用於飛行器，尤其是軍事用途的飛航駕駛已經有多年的歷史。近年來越來越多的民用汽車上也可以發現它的應用。為了降低成本並整合入空間有限的駕駛艙或儀表板內，抬頭顯示器必須更進一步簡化零組件及機構，以減少整個系統的體積。基於此一概念，不需對焦鏡頭組的雷射光源開始使用於抬頭顯示系統中。抬頭顯示系統接收接汽車傳送的訊號，並且將該訊號轉換成雷射光源的控制訊號，然後投射出雷射光，以形成影像供駕駛者觀看。基本上，如果雷射光源一直亮著，整個影像畫面均為光點。若能控制雷射的亮暗狀態，則可以掃描方式形成影像，該影像包括圖像以及文字。

習知技術中，抬頭顯示(HUD)使用全像元件(holographic element)來產生虛擬影像，然而需要將全像元件嵌入汽車的擋風玻璃，故此種方式較為複雜，而且全像元件的成本較高。此外，在全像元件一側的虛擬影像之焦距係為變動焦距，當駕駛者的位置調整之後，駕駛者眼睛離擋風玻璃的距離亦隨著改變，此焦距之改變將造成虛擬影像模糊不清。因此需要發展一種新穎的抬頭顯示系統，以解決上述之問題。

本發明之一目的係提供一種抬頭顯示系統，藉由一成像單元改善投射影像的景深視角，以清楚地顯示該影像之內容。

本發明另一目的係提供一種抬頭顯示系統，藉由雷射投影方式的影像產生裝置使駕駛者可依需求調整控制影像大小。

本發明又一目的係提供一種抬頭顯示系統，藉由該成像單元，以結合影像以及外界景物，使駕駛者清楚並安全地觀看該影像之內容。

根據上述目的，本發明提出一種抬頭顯示系統，主要包括影像產生裝置、擴散單元以及成像單元。在一實施例中，影像產生裝置用以發出可見光，以產生實體影像。擴散單元例如擴散薄膜接收來自該影像產生裝置的可見光並於該擴散單元形成該實體影像。本發明之擴散單元具有增益的功能，可將可見光設定於一特定範圍的視角之內，並且控制實體影像成像的亮度。成像單元接收來自該擴散單元的可見光，並且形成對應於該實體影像之一虛擬影像。其中該擴散單元的實體影像距離該成像單元的長度等於該虛擬影像距離該成像單元的長度，且該實體影像與該虛擬影像分別位於該成像單元的相異兩側。本發明之抬頭顯示系統適用於汽車，並且可結合全球定位系統或是手機而應用於各種型式的車輛。

在另一實施例中，影像產生裝置係裝設於車輛的任何位置。影像產生裝置用以發出可見光。成像單元耦合於該影像產生裝置，以接收來自該影像產生裝置的可見光，並且反射該可見光。擴散單元耦合於該成像單元，以接收來自該成像單元反射的可見光，並於該擴散單元形成該實體影像。該成像單元形成對應於該實體影像之一虛擬影像。

根據上述，較佳實施例中，其中該擴散單元的實體影像距離該成像單元的長度等於該虛擬影像距離該成像單元的長度，相較於習知使用全像元件，當使用本發明的抬頭顯示系統，駕駛者的位置調整之後，駕駛者眼睛離擋風玻璃的距離亦隨著改變，但是焦距改變不會造成虛擬影像模糊不清，而且本發明之成像單元的成本較低。

本發明藉由一成像單元，以改善投射影像的景深視角，以清楚地顯示該影像之內容。例如利用波段選擇薄膜來選擇特定波長範圍之可見光並且顯示該波長範圍之虛擬影像，或者是利用偏極化薄膜來選擇特定極化方向之可見光並且顯示該特定極化方向之虛擬影像，上述兩種方式結合虛擬影像以及外界景物，使駕駛者清楚地觀看對應於該虛擬影像之文字及圖像內容。應注意的是，本發明將可見光線投射至擴散單元，然後反射至成像單元，接著將來自擴散單元的可見光特定波段的光線擋下來或是選擇一極化方向的可見光，外界景物的可見光仍然看得到，故駕駛者仍可透過成像單元看到外面，以安全駕駛車輛。

第1A圖繪示依據本發明第一實施例的抬頭顯示系統之示意圖。抬頭顯示系統100a主要包括影像產生裝置102、擴散單元104以及成像單元106。影像產生裝置102係裝設於車輛108的儀表板110a上方。影像產生裝置102發出可見光，以產生實體影像112。擴散單元104耦合於該影像產生裝置102，接收來自該影像產生裝置102的可見光，以於該擴散單元104形成該實體影像112。本發明之擴散單元104例如是具有增益功能的擴散薄膜，以將可見光設定於一特定範圍的視角之內，並且用以控制實體影像112成像的亮度。成像單元106耦合於該擴散單元104，以接收來自該擴散單元104的可見光，藉由控制該可見光，以於該成像單元106形成實體影像112，並且形成對應於該實體影像112之一虛擬影像114，其中該擴散單元104的實體影像112距離該成像單元106的長度D_p 等於該虛擬影像114距離該成像單元106的長度D_v ，且該實體影像112與該虛擬影像114分別位於該成像單元106的相異兩側。本發明之抬頭顯示系統100a適用於汽車，並且可結合全球定位系統(global positioning system,GPS)或是手機而應用於各種型式的車輛。

上述之可見光例如是雷射光，由於雷射光係為一準直平行的光線，故可藉由調整投影的距離來縮小或放大投射的影像，並不會因為焦距改變而導致影像模糊不清。相對地，傳統的投影設備需要利用透鏡組來調整影像的焦距。因此，本發明不需要外加透鏡組，節省抬頭顯示系統100a的成本。本發明之較佳實施例中，雷射光的波長介於400奈米至700奈米之間，或者是介於較高或較低的波長範圍。

抬頭顯示系統100a之影像產生裝置102使用單一微振鏡為反射鏡面，此微振鏡具有X軸向及Y軸向轉動之功能。另一實施例中，影像產生裝置102使用一組(兩個)微振鏡為反射鏡面，其中個別微振鏡具有單一軸向的轉動功能。兩個微振鏡的轉軸互相垂直。可見光經第一微振鏡反射至第二微振鏡，再反射至擴散單元104成像，故微振鏡組亦同時具有X軸向及Y軸向掃描之功能。由於微振鏡的體積很小，相較於傳統的抬頭顯示裝置(HUD)，影像產生裝置102的體積大幅縮小，結構單純，僅需以電路控制微振鏡的運動以及雷射的開/關(ON/OFF)，而不需要外加複雜的透鏡組。

在一實施例中，該成像單元106為一對特定波長範圍具高反射率之光學薄膜，當該特定波長範圍與上述雷射光的波長範圍相同或是可涵蓋雷射光波段的任意波長範圍，則投射至擴散單元104的實體影像112，將會反射至駕駛者眼睛，形成一虛擬影像114。較佳實施例中，該光學薄膜可貼附於駕駛者前方視線可視及之擋風玻璃上或是直接於擋風玻璃上以例如鍍膜、塗佈等方式形成光學薄膜。駕駛者可透過此光學薄膜讀取位於擋風玻璃前方之圖像或文字虛擬影像，同時觀察車輛前方的交通狀況。

第1B圖繪示依據本發明第二實施例的抬頭顯示系統之示意圖，第1B圖類似於第1A圖。抬頭顯示系統100b主要包括影像產生裝置102、擴散單元104以及成像單元106。影像產生裝置102係裝設於車輛108的後視鏡110b。影像產生裝置102用以發出可見光，以產生實體影像112。擴散單元104接收來自該影像產生裝置102b的可見光，以於該擴散單元104形成該實體影像112，並且投射該實體影像112。成像單元106接收來自該擴散膜的可見光，並控制該可見光反射至駕駛者眼睛，形成對應於該實體影像112之一虛擬影像114。其中該擴散單元104的實體影像112距離該成像單元106的長度D_p 等於該虛擬影像114距離該成像單元106的長度D_v 。詳細的說明如第1A圖，在此不予贅述。

第1C圖繪示依據本發明第三實施例的抬頭顯示系統之示意圖。第1C圖類似於第1A圖以及第1B圖。抬頭顯示系統100c主要包括影像產生裝置102、擴散單元104以及成像單元106。影像產生裝置102係裝設於車輛的A柱110c。影像產生裝置102用以發出可見光，以產生實體影像112。擴散單元104接收來自該影像產生裝置102的可見光形成該實體影像112，並且投射該實體影像112。成像單元106接收來自該擴散單元104的可見光，藉由控制該可見光反射至駕駛者眼睛，形成對應於該實體影像112之一虛擬影像114。其中該擴散單元104的實體影像112距離該成像單元106的長度D_p 等於該虛擬影像114距離該成像單元106的長度D_v 。詳細的說明如第1A圖，在此不予贅述。

根據上述，較佳實施例中，其中該擴散單元104的實體影像112距離該成像單元106的長度D_p 等於該虛擬影像114距離該成像單元106的長度D_v ，相較於習知使用全像元件(holographic element)，當使用本發明的抬頭顯示系統(100a、100b、100c)，駕駛者的位置調整之後，駕駛者眼睛離擋風玻璃的距離亦隨著改變，但是焦距改變不會造成虛擬影像模糊不清，而且本發明之成像單元106可為對可見光具高反射率的薄膜、對特定波長光線具高反射率的薄膜或偏光片等，較全像元件的成本低。

本發明藉由一成像單元106，以改善投射影像的景深視角，並清楚地顯示該影像之內容。例如利用特定波段光學薄膜來選擇特定波長範圍之可見光並且顯示該波長範圍之虛擬影像114，或者是利用偏極化薄膜來選擇特定極化方向之可見光並且顯示該特定極化方向之虛擬影像114，使駕駛者清楚地觀看該虛擬影像之文字及圖像內容。應注意的是，本發明將可見光線投射至擴散單元104，然後反射至成像單元106，接著將來自擴散單元104的可見光特定波段的光線擋下來或是選擇一極化方向的可見光，外界景物的可見光仍然可穿透成像單元106，故駕駛者仍可透過該成像單元106看到外界景像，以安全駕駛車輛。

第2圖繪示依據本發明第四實施例的抬頭顯示系統之示意圖。抬頭顯示系統100d主要包括影像產生裝置102、成像單元106以及擴散單元104。影像產生裝置102係裝設於車輛108的任何位置，例如儀表板110a上方。影像產生裝置102用以發出可見光。成像單元106耦合於該影像產生裝置102，以接收來自該影像產生裝置102的可見光，並且反射該可見光。擴散單元104耦合於該成像單元106，以接收來自該成像單元106反射的可見光，以於該擴散單元104形成該實體影像112，並且投射該實體影像112返回至該成像單元106。其中該成像單元106形成對應於該實體影像112之一虛擬影像114。上述之可見光例如是雷射光，本發明之較佳實施例中，雷射光的波長介於400奈米至700奈米之間，或者是介於較高或較低的波長範圍。上述之第四實施例的抬頭顯示系統其安裝彈性比較大，因為此實施例之抬頭顯示系統可任意安裝在可投射至成像單元106的不同位置，使用者甚至可以自行調整影像產生裝置102與成像單元106間距離與投射角度等，而改變虛擬影像的尺寸與高低以符合不同駕駛坐姿的需要。

在一實施例中，該成像單元106為一特定波段阻隔之光學薄膜。該特定波段若與上述之雷射光的波長範圍相同或是可涵蓋雷射光波段的任意波長範圍，則投射至該成像單元106上的雷射光會被完全反射至擴散單元104以形成實體影像或反射至駕駛者的眼睛以形成虛擬影像。較佳實施例中，該光學薄膜可貼附於駕駛者前方視線可視及之擋風玻璃上或是直接鍍在擋風玻璃上。駕駛者可透過此光學薄膜讀取位於擋風玻璃前方之圖像或文字虛擬影像，同時觀察車輛前方的交通狀況。

在一實施例中，上述之雷射光具有特定極化方向，同時該成像單元106係為偏極化薄膜(polarizer)。當雷射光與薄膜的極化方向形成一特定角度時，大部份的雷射光能量將會被完全反射至擴散單元或是駕駛者眼睛。其他的光源則可穿透該成像單元106。在較佳實施例中，該偏極化薄膜可貼附於駕駛者前方視線可視及之擋風玻璃上或是直接以例如鍍膜、塗佈等不同方式於擋風玻璃上形成光學薄膜。駕駛者可透過此偏極化薄膜取位於擋風玻璃前方之圖像或文字虛擬影像，同時觀察車輛前方的交通狀況。

雖然本發明已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100a、100b．．．抬頭顯示系統

100c、100d．．．抬頭顯示系統

102．．．影像產生裝置

104．．．擴散單元

106．．．成像單元

108．．．車輛

110a．．．儀表板

110b．．．後視鏡

110c．．．A柱

112．．．實體影像

114．．．虛擬影像

第1A圖繪示依據本發明第一實施例的抬頭顯示系統之示意圖。

第1B圖繪示依據本發明第二實施例的抬頭顯示系統之示意圖。

第1C圖繪示依據本發明第三實施例的抬頭顯示系統之示意圖。

第2圖繪示依據本發明第四實施例的抬頭顯示系統之示意圖。

100a．．．抬頭顯示系統

102．．．影像產生裝置

104．．．擴散單元

106．．．成像單元

108．．．車輛

110a．．．儀表板

112．．．實體影像

114．．．虛擬影像

Claims (8)

1. 一種抬頭顯示系統，至少包含：一影像產生裝置，用以發出可見光；一成像單元，耦合於該影像產生裝置，接收來自該影像產生裝置的該可見光，並且反射該可見光；以及一擴散單元，耦合於該成像單元，接收來自該成像單元反射的該可見光，以於該擴散單元形成一實體影像，並且投射該實體影像返回至該成像單元；其中該成像單元形成對應於該實體影像之一虛擬影像。
2. 如申請專利範圍第1項所述之抬頭顯示系統，其中該擴散單元係為擴散薄膜，以使該實體影像形成於該擴散薄膜上。
3. 如申請專利範圍第1項所述之抬頭顯示系統，其中該可見光係為雷射光。
4. 如申請專利範圍第3項所述之抬頭顯示系統，其中該成像單元係為特定波段光學薄膜，用以選擇該雷射光的波段，使該實體影像形成於該特定波段光學薄膜上。
5. 如申請專利範圍第4項所述之抬頭顯示系統，其中該特定波段的波長介於400奈米至700奈米之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之抬頭顯示系統，其中該可見光具有特定極化方向。
7. 如申請專利範圍第6項所述之抬頭顯示系統，其中該成像單元係為偏極化薄膜，用以控制該可見光的反射比例。
8. 如申請專利範圍第1項所述之抬頭顯示系統，其中該實體影像與該虛擬影像分別位於該成像單元的相異兩側。