CN106932898A - 抬头显示装置 - Google Patents

Abstract

一种抬头显示装置，适用于反射在挡风玻璃及外装平面屏幕的其中一者，并供使用者观看，该抬头显示装置包含：一图像产生单元、一曲面镜，及一凹面镜。图像产生单元能产生沿第一光路行进的影像光线。曲面镜位于第一光路上，用于反射影像光线而形成沿与该第一光路成角度的第二光路行进的第一反射影像光线。凹面镜位于第二光路上，用于反射第一反射影像光线，而形成沿与该第二光路成角度且与该第一光路交错的第三光路行进的第二反射影像光线，从而能反射于该挡风玻璃或该外装平面屏幕。通过设置该图像产生单元、该曲面镜，及该凹面镜，可以缩小整体体积并且方便切换光线反射于挡风玻璃上或者外装平面屏幕上。

Description

抬头显示装置

技术领域

本发明涉及一种显示装置，特别是涉及一种抬头显示装置。

背景技术

将抬头显示装置(head up display，HUD)应用于汽车中，能让驾驶员无需低头便可看到仪表板的重要资讯，从而使驾驶员在开车注视路况的同时，便能观察得知仪表板上的重要资讯。

抬头显示装置通常是由一能产生影像的图像产生单元(picturegenerating unit，PGU)，及多个用于补偿像差及放大影像的凹凸面镜所共同构成，目前可将抬头显示装置分为挡风玻璃式抬头显示装置(windshield type HUD)及叠像式抬头显示装置(combiner type HUD)两种。

以挡风玻璃式抬头显示装置而言，主要是通过该图像产生单元产生影像而依序传至所述凹凸面镜，从而将影像投影至汽车挡风玻璃上。为了能将影像放大且清楚地呈现于挡风玻璃上，所述凹凸面镜必须针对每一台汽车的挡风玻璃的曲率进行校正。然而，挡风玻璃的组装公差非常大，就算是同一厂牌型号的汽车，仍须针对个别的挡风玻璃的曲率重新校正所述凹凸面镜，导致消耗了额外的成本与工时。再者，为了能让影像投影至挡风玻璃的足够远处以使驾驶员便于观看，其影像的等效物距也必须随着增加，从而造成抬头显示装置的体积无法有效缩小。

另外，以叠像式抬头显示装置而言，其是以一额外的外装显示屏幕取代汽车的挡风玻璃，从而将图像产生单元产生的影像投影至该外装显示屏幕上。此种抬头显示装置主要是将该外装显示屏幕制作成具有曲率的凹面镜，以使抬头显示装置减少凹凸面镜的使用，从而有效减少抬头显示装置的体积。然而，将该外装显示屏幕制作成具有曲率的凹面镜的成本昂贵且加工不易，当该外装显示屏幕的曲率加工不精准时，会导致投影于其上的影像变形。此外，该外装显示屏幕通常会再镀上一层薄膜，用于使投影于其上的影像更为清晰，但该层薄膜则会因日晒或高温环境而产生脱落，进而影响影像质量。

由此可知，前述两种抬头显示装置各自具有待改善的缺点，此外，由于挡风玻璃与驾驶员的水平视角的夹角通常介于25°～35°之间，而该外装显示屏幕与驾驶员的水平视角的夹角则介于60°～70°之间，因此，前述的两种抬头显示装置必须针对此角度差异而分别设计，当然也就无法相互交换使用。因此，如何有效降低抬头显示装置的体积，并减少其生产成本及让同一台抬头显示器产生的影像不仅能投影于挡风玻璃，也能投影于外装显示屏幕的多重应用，是本领域技术人员所待解决的课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能同时应用于一车辆的一挡风玻璃及一外装显示屏幕的抬头显示装置。

本发明抬头显示装置，适用于反射在一车辆的一挡风玻璃及一外装平面屏幕的其中一者，并供一使用者观看，该抬头显示装置包含：一图像产生单元、一曲面镜，及一凹面镜。

该图像产生单元能产生一沿一第一光路行进的影像光线。

该曲面镜位于该第一光路上，用于反射该图像单元产生的该影像光线，而形成一第一反射影像光线，该第一反射影像光线沿一与该第一光路成角度的第二光路行进。

该凹面镜位于该第二光路上，该凹面镜用于反射该第一反射影像光线，而形成一第二反射影像光线，该第二反射影像光线沿一与该第二光路成角度且与该第一光路交错的第三光路行进，而反射于该挡风玻璃及该外装平面屏幕的其中一者。

本发明的抬头显示装置，定义一由该使用者观看的水平视角线，该图像产生单元与该曲面镜至该水平视角线的垂直距离小于该凹面镜至该水平视角线的垂直距离，该凹面镜设置于该图像产生单元的两相反侧的其中一者，当该第二反射影像光线反射于该挡风玻璃时，该曲面镜相较该图像产生单元与该凹面镜是最邻近于该使用者设置，当该第二反射影像光线反射于该外装平面屏幕时，该曲面镜相较该图像产生单元与该凹面镜是最远离该使用者设置。

本发明的抬头显示装置，该凹面镜设置于该图像产生单元与该曲面镜之间。

本发明的抬头显示装置，该第二光路具有一与该曲面镜的一法线成角度的第一夹角θ₁，及一与该凹面镜的一法线成角度的第二夹角θ₂，且该第一夹角θ₁与第二夹角θ₂的比值介于0.43～1.25。

本发明的抬头显示装置，当该第二反射影像光线反射于该挡风玻璃时，该凹面镜位于该图像产生单元与该使用者之间，当该第二反射影像光线反射于该外装平面屏幕时，该图像产生单元位于该凹面镜与该使用者之间。

本发明的抬头显示装置，该图像产生单元、该曲面镜，及该凹面镜三者的相对位置固定，定义一垂直该第一光路而位于该图像产生单元与该曲面镜之间的第一假想线，当该第二反射影像光线反射于该挡风玻璃相较于该第二反射影像光线反射于该外装平面屏幕时，该图像产生单元、该曲面镜，及该凹面镜分别以该第一假想线呈镜像设置。

本发明的抬头显示装置，当该第二反射影像光线反射于该挡风玻璃时，该凹面镜可依该使用者的视角转动。

本发明的抬头显示装置，当该第二反射影像光线反射于该外装平面屏幕时，该凹面镜或该外装平面屏幕可依使用者的视角转动。

本发明的有益效果在于：通过让该第二反射影像光线沿与该第二光路成角度且与该第一光路交错的该第三光路行进，进而缩小整体体积，且仅需利用改变该图像产生单元、该曲面镜，及该凹面镜三者与该使用者的相对关系，便能反射于该挡风玻璃或该外装平面屏幕。

附图说明

图1是一示意图，说明本发明抬头显示装置的一实施例反射于一车辆的一挡风玻璃的一态样；

图2是一示意图，说明本发明该实施例反射于一外装平面屏幕的一态样；

图3是一局部示意图，辅助说明图1的该实施例反射于该车辆的该挡风玻璃的另一态样；

图4是一局部示意图，辅助说明图2的该实施例反射于一外装平面屏幕的另一态样；

图5是一示意图，说明本发明抬头显示装置，反射于该挡风玻璃或该外装平面屏幕的一第一光路、一第二光路，及一第三光路三者的关系；

图6是一示意图，说明本发明抬头显示装置反射于该挡风玻璃时，可调整一凹面镜角度来改变使用者视角；

图7是一示意图，说明本发明抬头显示装置反射于该外装平面屏幕时，可调整该外装平面屏幕或该凹面镜角度来改变使用者视角。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

参阅图1与图2，本发明抬头显示装置2的一实施例是安装于一车辆的一仪表板平台101下，并包含一图像产生单元21、一曲面镜22，及一凹面镜23。

该图像产生单元21能产生一沿一第一光路OP₁行进的影像光线。该曲面镜22位于该第一光路OP₁上，用于反射该图像单元21产生的该影像光线，而形成一第一反射影像光线，该第一反射影像光线会沿一与该第一光路OP₁成角度的第二光路OP₂行进。该凹面镜23位于该第二光路OP₂上，用于反射该第一反射影像光线，而形成一第二反射影像光线，该第二反射影像光线沿一与该第二光路OP₂成角度且与该第一光路OP₁交错的第三光路OP₃行进，而往远离该抬头显示装置2方向射出。该第一光路OP₁为邻近该仪表板平台101行进至该曲面镜22，该第二光路OP₂则是朝远离该仪表板平台101方向行进并与该曲面镜22成一夹角至该凹面镜23。

具体地说，该图像产生单元21与该曲面镜22分别邻近该仪表板平台101地设置，而该凹面镜23远离该仪表板平台101设置，并位于图像产生单元21与该曲面镜22之间。详细地说，可定义一由一使用者U观看的水平视角线，该图像产生单元21与该曲面镜22至该水平视角线的垂直距离小于该凹面镜23至该水平视角线的垂直距离。再者，当该第二反射影像光线反射于该挡风玻璃100时，该曲面镜相较该图像产生单元21与该凹面镜23是最邻近于该使用者U设置，当该第二反射影像光线反射于该外装平面屏幕200时，该曲面镜22相较该图像产生单元21与该凹面镜23是最远离该使用者U设置。

要说明的是，配合参阅图3与图4，该凹面镜23的位置设置并不限如图1与图2所示，也可设置于该图像产生单元21的另一相反侧，而呈现如图3与图4所示的该凹面镜23相对于该图像产生单元21的位置。将凹面镜23改变成如图3与图4的设置位置时，其他元件的设置条件依据前述图1与图2方式进行相同的设置。此外，该图像产生单元21、该曲面镜22，及该凹面镜23可共同设置于一罩壳(图未示)内而安装于该仪表板平台101下，由于将该些光学元件设置于该罩壳的方式为本领域技术人员所熟知，于此不加以赘述。

另外要说明的是，本发明该抬头显示装置2主要是通过该凹面镜23将该第一反射影像光线放大而产生沿该第三光路OP₃行进的该第二反射影像光线。然而，若仅使用该凹面镜23放大该影像光线时，会造成经放大的影像光线产生扭曲失真(distortion)并具有像差(aberration)问题。因此，为了补偿影像扭曲失真与像差问题，本发明通过该曲面镜22，先将该影像光线转换成该第一反射影像光线，从而使其经该凹面镜23放大产生的第二反射影像光线能清晰地成像。该曲面镜22可以选自凸面镜及凹面镜的其中一者，只要能与该凹面镜23做像差补偿便可，较佳地，本实施例的该曲面镜22是选用凹面镜为例作说明。更佳地，还可依成像质量而相对应地调整该曲面镜22与该凹面镜23的曲率半径，由于此调整的技术手段为本领域技术人员所熟知，于此不加以赘述。

此外，改善该抬头显示装置2的成像质量的方式除了调整该曲面镜22及该凹面镜23之外，还可通过先调整该图像产生单元21产生的该影像光线，从而达成像差补偿的效果，由于此方式的调整也为本领域技术人员所熟知，于此不加以赘述。

本发明该抬头显示装置2不但通过让该第三光路OP₃与该第一光路OP₁彼此交错，而有效减小该抬头显示装置2的体积，而且，本发明该抬头显示装置2还适用于反射在一车辆的一挡风玻璃100或一外装平面屏幕200，而供该使用者U观看。

一般来说，该挡风玻璃100与使用者U的水平视角的夹角(25°～35°)通常是小于该外装平面屏幕200与使用者U的水平视角的夹角(60°～70°)，因此，现有的抬头显示装置必须针对此视角差异而设计不同的抬头显示装置。

然而，本发明该抬头显示装置2可克服此一缺点，而能在不改变该抬头显示装置2的内部结构，而将该抬头显示装置2应用于反射在该挡风玻璃100或该外装平面屏幕200，无需针对两种态样而重新设计该抬头显示装置2。也就是说，当本发明该抬头显示装置2要分别反射在该挡风玻璃100及该外装平面屏幕200时，只要将该抬头显示装置2相对该使用者U前后翻转180度，并根据反射位置微调该抬头显示装置2的整体倾斜角度便可。

具体地说，若要让本发明该抬头显示装置2反射于该挡风玻璃100上时，则如图1所示，将该抬头显示装置2安装于该车辆的一仪表板平台101下，并让该图像产生单元21远离该使用者U，令该凹面镜23位于该图像产生单元21与该使用者U之间，从而让第二反射影像光线由第三光路OP₃行进而反射于该挡风玻璃100。

相反地，若要让本发明该抬头显示装置2反射于该外装平面屏幕200上时，仅须将该抬头显示装置2前后翻转180度，使该图像产生单元21邻近该使用者U而位于该凹面镜23与该使用者U之间，如此便能让该第二反射影像光线沿该第三光路OP₃行进而反射于位在该挡风玻璃100与该仪表板平台101之间的该外装平面屏幕200。也就是说，本发明该抬头显示装置2通过简单地方向翻转，便能克服视角差异而能达成反射于该挡风玻璃100与该外装平面屏幕200的双应用。以上说明是以图1与图2来例示，本发明并不限制于此例。

更详细地说，参阅图5，为了更清楚的说明该曲面镜22与该凹面镜23两者之间的关系，图5为该抬头显示装置2可同时应用于反射在该挡风玻璃100与该外装平面屏幕200的示意图。定义一垂直该第一光路OP₁而位于该图像产生单元21与该曲面镜22之间的第一假想线L1，且该图像产生单元21、该曲面镜22，及该凹面镜23三者的相对位置是固定，当该第二反射影像光线反射于该挡风玻璃100相较于该第二反射影像光线反射于该外装平面屏幕200时，该图像产生单元21、该曲面镜22，及该凹面镜23分别以该第一假想线L1呈镜像设置便可。

此处要说明的是，由于本发明该抬头显示装置2已通过该图像产生单元21、该曲面镜22，及该凹面镜23相互配合调整，而补偿该第二反射影像光线的像差，因此，该第二反射影像光线直接反射于该挡风玻璃100或该外装平面屏幕200上时，其成像的扭曲失真百分比已小于该使用者U的眼睛所能分辨的临界值(2.5％)。也就是说，该抬头显示装置2不仅能反射于具有曲率的挡风玻璃100，也可直接反射于平面的屏幕上(也就是该外装平面屏幕200)，进而降低现有曲面屏幕的制作成本。值得一提的是，该外装平面屏幕200为具有部分反射与部分穿透的半反射平面镜片，相较于现有的曲面屏幕，本发明直接反射在外装平面屏幕200的优点在于，此半反射平面镜的外装平面屏幕200的成本低，且后续维修也更为方便。

此外，当使用者U在观看该抬头显示装置2于该挡风玻璃100(或该外装平面屏幕200)后的成像时，为了让其眼睛的水晶体调节不会感到疲劳，则可进一步地限定使用者U的眼睛与该挡风玻璃100(或该外装平面屏幕200)后面的虚像I距离大于1.5公尺。

再次参阅图5，当该第二光路OP₂由该曲面镜22往该凹面镜23行进时，具有一与该曲面镜22的一法线成角度的第一夹角θ₁，及一与该凹面镜23的一法线成角度的第二夹角θ₂。为了使该抬头显示装置2具有最小的高度，可通过调整该第一夹角θ₁与该第二夹角θ₂的比值关系，从而缩小该抬头显示装置2的体积，且调整该第一夹角θ₁与该第二夹角θ₂的比值关系的同时，还能使其成像具有最小化的影像像差。较佳地，本发明该抬头显示装置2的该第一夹角θ₁与第二夹角θ₂的比值介于0.43～1.25。

此外，当该抬头显示装置2欲将影像反射于该挡风玻璃100，该图像产生单元21的影像(以第一图案A表示)需先以倒立方式呈现(如图5所示)，而经由该第三光路(图5以OP₃₂代表反射于该挡风玻璃100的光路径)反射于该挡风玻璃100，于该挡风玻璃100后产生的虚像才会呈现正立的第一图案A；而当该抬头显示装置欲将影像反射于该外装平面屏幕200，该图像产生单元21的影像(以第二图案A’表示)则以正立方式呈现(如图5所示)，而经由该第三光路(图5以OP₃₁代表反射于该外装平面屏幕200的光路径)反射于该外装平面屏幕200，于该外装平面屏幕200后产生的虚像便会呈现正立的第二图案A’。

为了更清楚说明，将同一个该抬头显示装置2以仅需旋转180度的方式便可将影像反射于该挡风玻璃100或反射于该外装平面屏幕200时的一较佳实验数据分别整理于下表1与表2中。

表1：抬头显示装置2影像反射于该挡风玻璃100的光学路径参数

表2：抬头显示装置2影像反射于外装平面屏幕200的光学路径参数

由表1与表2的光学路径参数来看，其距离(mm)分别代表该抬头显示装置2中的各元件、该使用者U与虚像I的相对距离关系，正负值为方向的差异。在本实施例中，该图像产生单元21至该曲面镜22的距离为120mm(见表1第3栏与表2第3栏所示)，该曲面镜22至该凹面镜23的距离则为80mm(见表1第3栏与表2第3栏所示)。

此外，表1与表2所载的倾斜角度表示该第二光路OP₂，及该第三光路OP₃分别与该曲面镜22的法线夹角、与该凹面镜23的法线夹角，及与该挡风玻璃100或该外装平面屏幕200的法线夹角。具体地说，该第二光路OP₂与该曲面镜22的法线的夹角为10.5°(该第一夹角θ₁)，该第二光路OP₂与该凹面镜22的法线的夹角为19°(该第二夹角θ₂)，而该第三光路OP₃与该挡风玻璃100及该外装平面屏幕200的法线的夹角则分别为66°与30°，由此可知，本实施例该第一夹角θ₁与第二夹角θ₂的比值为0.552。

参阅图6，此处值得一提的是，当该抬头显示装置2反射在该挡风玻璃100上时，该凹面镜23可依不同使用者U的视角转动，以改变该第三光路OP₃的方向，使其反射于该挡风玻璃100的不同位置，而可更适用于不同的使用者。

参阅图7，相同地，当该抬头显示装置2反射在该外装平面屏幕200上时，也可通过转动该凹面镜23，改变该第三光路OP₃的方向，而反射于该外装平面屏幕200的不同位置。此外，由于该外装平面屏幕200除了可固定地安装于该仪表板平台101上之外，也可转动且可移动地设置于该仪表板平台101上。因此，当该外装平面屏幕200为可转动地设置于该仪表板平台101上时，则可仅须依该使用者U的视角而转动该外装平面屏幕200，不需转动该凹面镜23便可达成调整成像位置的功效。

综上所述，本发明抬头显示装置2，通过让该图像产生单元21与该曲面镜22至该水平视角线的垂直距离小于该凹面镜23至该水平视角线的垂直距离，并且当该第二反射影像光线反射于该挡风玻璃100时，该曲面镜相较该图像产生单元21与该凹面镜23是最邻近于该使用者U设置，当该第二反射影像光线反射于该外装平面屏幕200时，该曲面镜22相较该图像产生单元21与该凹面镜23是最远离该使用者U设置，并可让该凹面镜23设置于该图像产生单元21的两相反侧的其中一者，从而让该第二反射影像光线沿与该第二光路OP₂成角度且与该第一光路OP₁交错的该第三光路OP₃行进，且能在让该图像产生单元21、该曲面镜22，及该凹面镜23三者的相对位置固定的情形下，将抬头显示器装置2旋转180度，便能达成不需改变该抬头显示装置2的内部结构，而可同时运用在该挡风玻璃100及该外装平面屏幕200的其中一者上，并且进一步地再搭配调整该第一夹角θ₁与该第二夹角θ₂的比值关系，可从而缩小该抬头显示装置2的整体体积，所以确实能达成本发明的目的。

Claims (8)

1.一种抬头显示装置，适用于反射在一车辆的一挡风玻璃及一外装平面屏幕的其中一者，并供一使用者观看，该抬头显示装置包含：一图像产生单元，一曲面镜，以及一凹面镜；其特征在于：

该图像产生单元能产生一沿一第一光路行进的影像光线，该曲面镜位于该第一光路上，用于反射该图像单元产生的该影像光线，而形成一第一反射影像光线，该第一反射影像光线沿一与该第一光路成角度的第二光路行进，该凹面镜位于该第二光路上，该凹面镜用于反射该第一反射影像光线，而形成一第二反射影像光线，该第二反射影像光线沿一与该第二光路成角度且与该第一光路交错的第三光路行进，而反射于该挡风玻璃及该外装平面屏幕的其中一者。

2.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于：定义一由该使用者观看的水平视角线，该图像产生单元与该曲面镜至该水平视角线的垂直距离小于该凹面镜至该水平视角线的垂直距离，该凹面镜设置于该图像产生单元的两相反侧的其中一者，当该第二反射影像光线反射于该挡风玻璃时，该曲面镜相较该图像产生单元与该凹面镜是最邻近于该使用者设置，当该第二反射影像光线反射于该外装平面屏幕时，该曲面镜相较该图像产生单元与该凹面镜是最远离该使用者设置。

3.根据权利要求2所述的抬头显示装置，其特征在于：该凹面镜设置于该图像产生单元与该曲面镜之间。

4.根据权利要求1所述的抬头显示装置，其特征在于：该第二光路具有一与该曲面镜的一法线成角度的第一夹角θ₁，及一与该凹面镜的一法线成角度的第二夹角θ₂，且该第一夹角θ₁与第二夹角θ₂的比值介于0.43～1.25。

5.根据权利要求2所述的抬头显示装置，其特征在于：当该第二反射影像光线反射于该挡风玻璃时，该凹面镜位于该图像产生单元与该使用者之间，当该第二反射影像光线反射于该外装平面屏幕时，该图像产生单元位于该凹面镜与该使用者之间。

6.根据权利要求5所述的抬头显示装置，其特征在于：该图像产生单元、该曲面镜，及该凹面镜三者的相对位置固定，定义一垂直该第一光路而位于该图像产生单元与该曲面镜之间的第一假想线，当该第二反射影像光线反射于该挡风玻璃相较于该第二反射影像光线反射于该外装平面屏幕时，该图像产生单元、该曲面镜，及该凹面镜分别以该第一假想线呈镜像设置。

7.根据权利要求6所述的抬头显示装置，其特征在于：当该第二反射影像光线反射于该挡风玻璃时，该凹面镜可依该使用者的视角转动。

8.根据权利要求6所述的抬头显示装置，其特征在于：当该第二反射影像光线反射于该外装平面屏幕时，该凹面镜或该外装平面屏幕可依使用者的视角转动。