多焦平面抬头显示设备的制作方法

1.本发明与显示器有关，特别是指一种可提供多焦平面的抬头显示设备。


背景技术：

2.现今驾驶人对车辆的要求除了车辆本身性能以外，也开始着重车辆内装及安全配备的要求。而这些科技产品的辅助，如车内语音导航系统、语音碰撞警示系统等，确实改善了驾驶人在长时间疲劳驾驶、注意力不集中等情况下所引起的意外事故发生率。但与此同时，由于驾驶人必须使用的仪表板是属于非语音的装置，并且通常是设置在驾驶人平视方向的下方，因此驾驶人时常需要将其视线向下移到仪表板上，才能看到仪表板上提供的信息。此外，导航系统的显示设备也通常是安装于仪表板侧边，因此当驾驶人想观看此显示设备上的道路信息时，也必须转移时线才能看到。在这样的情况下，很容易影响行车安全。
3.对此，就发展出一种可以让用户不用转移视线即可观看到需要的信息的抬头显示器。现有的抬头显示器一般由投影器和叠像镜两个主要组件组成。投影器是由讯号光源、投影镜和其他光学组件组成。投影器的讯号光源可由液晶显示器或阴极射线管显示器提供，或者由多个发光二极管或雷射搭配微振镜或数字光源处理(digital light processing，dlp)组件来提供。投影器会将讯号光源发出的光线投射到玻璃上的叠像镜(或特制的透明屏幕)上，使叠像镜显示出文字或图像。
4.如图1所示的车用抬头显示器，其使用一或多面反射镜来对投影器所投射出的光线进行光路调整、影像放大或变形校正，最后由挡风玻璃反射至驾驶人的眼睛，使驾驶人可以看到位于挡风玻璃前方且由上述投影光线所形成的虚拟图像。此即为单焦平面抬头显示器。然而，这样的车用抬头显示器用于导航指引驾驶人切换到正确的车道或警示前方车距时，由于所形成的指引符号的影像无法贴合于驾驶人在视觉上看到的道路，使得驾驶人仍须把注意力从道路上转移到抬头显示器所投射的影像上。
5.因此，又发展出另一种可提供双焦的车用抬头显示器，如图2所示。此抬头显示器利用多个反射镜来分别对两台投影器所投射出的光线进行光路调整、影像放大或变形校正等，最后由挡风玻璃反射至驾驶人的眼睛，使驾驶人可以看到位于挡风玻璃前方的两个不同焦平面的虚拟图像，其中一个焦平面显示距离拉长直并贴合在路面上，以解决驾驶人的焦点须在道路与导航指引符号之间切换的问题。然而，使用两个投影器，不仅需要更多反射镜来与其搭配，也会增加制造成本及空间的占用。
6.如图3所示，另一现有技术使用单投影机的双焦平面车用抬头显示器，其投影机投射出的影像光经过反射式偏光片分光后，会再以凹面反射镜反射，然后射向挡风玻璃，反射进入驾驶眼中，形成位于挡风玻璃前方的两个不同焦平面的虚拟图像，然而此光路设计中，反射式偏光片容易遮蔽出光口，造成出光口的不足；若要设计足够大的出光口，则势必要加大整个光机的尺寸。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种可提供多种焦平面虚拟图像的抬头显示设备。
8.本发明一实施例所提供的一种多焦平面抬头显示设备包含主体、投影器、第一反射元件、第二反射元件、偏光元件和第三反射元件。主体包含出光口和容置空间，出光口朝向挡风玻璃。投影器、第一反射元件、第二反射元件、偏光元件和第三反射元件位于容置空间内。投影器用以投射含有投影画面的光线，此投影画面包含第一区域和第二区域，所述的光线包含对应第一区域的第一影像光以及对应第二区域的第二影像光，且第一影像光与第二影像光的偏振方向互相垂直。偏光元件具有第一侧和相对于第一侧的第二侧，第一反射元件和第二反射元件设置于偏光元件的第一侧。偏光元件可让第一影像光和第二影像光的其中之一穿透，并让第一影像光和第二影像光的其中之另一反射。第三反射元件位于偏光元件的第二侧。投影器的第一区域、第一反射元件、偏光元件和挡风玻璃依序设置于第一光路上，第一影像光经过第一光路而入射至人眼，以形成第一虚拟影像。投影器的第二区域、第二反射元件、偏光元件、第三反射元件和挡风玻璃依序设置于第二光路上，第二影像光经过第二光路而入射至人眼，以形成第二虚拟影像。
9.在其他实施例中，偏光元件与第三反射元件的角度大于0度。
10.在其他实施例中，偏光元件为偏振分光镜或偏振分光膜。
11.在其他实施例中，投影器投射的第一影像光和第二影像光为线性偏振光，抬头显示设备更包含相位延迟组件，相位延迟组件设置于第一区域或者第二区域。第一影像光和第二影像光的其中之一经过相位延迟组件后，形成延迟影像光，延迟影像光的偏振方向垂直于第影像光和第二影像光的其中之另一的偏振方向。
12.在其他实施例中，投影器投射的第一影像光和第二影像光为线性偏振光，抬头显示设备更包含第一相位延迟元件与第二相位延迟元件，所述第一相位延迟元件设置于第一区域，所述第二相位延迟元件设置于第二区域，所述第一影像光和所述第二影像光分别经过个别的相位延迟组件后，形成二延迟影像光，所述第一影像光的延迟影像光的偏振方向与所述第二影像光的延迟影像光的偏振方向互相垂直。
13.在其他实施例中，投影器投射的第一影像光和第二影像光无特定偏振性，抬头显示设备更包含第一线性偏振片与第二线性偏光片，所述第一线性偏光片设置于第一区域，所述第二线性偏光片设置于第二区域，第一影像光和第二影像光经过个别的线性偏光片后，形成偏振方向互相垂直的线性偏振光。
14.在其他实施例中，第一反射元件、第二反射元件、偏光元件和第三反射元件中至少其中之一为曲面镜。
15.在其他实施例中，其中所述第一相位延迟元件与第二相位延迟元件为半波片。
16.在其他实施例中，第一影像光经第一反射元件反射至偏光元件后，又被偏光元件反射至挡风玻璃；以及第二影像光经第二反射元件反射至偏光元件时，穿过偏光元件，并在行进至第三反射元件后，被第三反射元件反射至偏光元件，然后再次穿过偏光元件后，行进至挡风玻璃。
17.由此，本发明所提供的多焦平面抬头显示设备可由让投影器的第一区域和第二区域投射出偏振方向不同的两个影像光，并由配置数个反射组件与偏光元件来设计影像光行经的光路，使得这两个影像光能形成两个具有不同焦平面的虚拟图像，并且还可缩小抬头
显示设备占用的体积。
附图说明
18.图1是现有单焦平面抬头显示设备的示意图；
19.图2是现有双投影机双焦平面抬头显示设备的示意图；
20.图3是现有单投影机双焦平面抬头显示设备的示意图；
21.图4a是本发明一实施例所提供的抬头显示设备的示意图；
22.图4b是本发明一实施例所提供的抬头显示设备的部分示意图；
23.图5a是本发明一实施例所提供的抬头显示设备的两个不同焦平面的虚像示意图；
24.图5b是本发明一实施例所提供的抬头显示设备的两个不同焦平面的虚像示意图；
25.图6是本发明一实施例所提供的抬头显示设备的示意图；
26.图7是本发明一实施例所提供的抬头显示设备的示意图；
27.图8是本发明一实施例所提供的抬头显示设备的示意图；
28.图9是本发明一实施例所提供的抬头显示设备的示意图；
29.图10是本发明一实施例所提供的抬头显示设备的示意图；
30.图11是本发明一实施例所提供的抬头显示设备的示意图；以及
31.图12是本发明一实施例所提供的抬头显示设备的示意图，用以表示眼盒内不同可视点位置对应镜面组件的不同区域。
32.附图中符号标记说明：
33.1:主体
34.11:壳体
35.12:出光口
36.13:容置空间
37.2:投影器
38.21:第一相位延迟元件
39.22:第二相位延迟元件
40.23:第一线性偏振片
41.24:第二线性偏振片
42.3,3’:第一反射元件
43.4,4’:第二反射元件
44.5,5’:偏光元件
45.6,6’:第三反射元件
46.7:反射膜
47.a:角度
48.e,e1,e2,e3:可视点
49.er:眼盒
50.g:挡风玻璃
51.g11:第一侧
52.g12:第二侧
53.l1:第一影像光
54.l2:第二影像光
55.r1:第一区域
56.r2:第二区域
57.v1:第一虚拟影像
58.v2:第二虚拟影像
具体实施方式
59.下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
60.如图4a至图5b所示，本发明一实施例所提供一种多焦平面抬头显示设备是适用于设置在运输设备上，例如汽车、飞机等。具体来说，本发明的抬头显示器可例如但不限于装设于运输设备上的挡风玻璃g的第一侧g11。第一侧g11朝向使用者，而挡风玻璃g的第二侧g12则相对于第一侧g11且朝向运输设备的外部。
61.所述多焦平面抬头显示设备可包含主体1，且主体1包含壳体11和出光口12。主体1设置于挡风玻璃g的第一侧g11，使出光口12朝向挡风玻璃g。又主体1设置有容置空间13来容纳抬头显示设备的至少部分的组件。以下将分别对抬头显示设备中的至少部分组件进行示范性说明。
62.所述多焦平面抬头显示设备可包含投影器2、第一反射元件3、第二反射元件4、偏光元件5和第三反射元件6。投影器2、第一反射元件3、第二反射元件4、偏光元件5和第三反射元件6设置于主体1的容置空间13中。
63.投影器2包含第一区域r1和第二区域r2。详细来说，投影器2用以投射含有投影画面的光线，此投影画面包含第一区域r1和第二区域r2，且此光线包含对应于第一区域r1的第一影像光l1以及对应于第二区域r2的第二影像光l2。第一影像光l1与第二影像光l2的偏振方向不同。换句话说，投影器2可例如由一个讯号光源投射出带有影像的光线，此影像可区分成分别对应第一区域r1和第二区域r2的两个部分影像，使投影器2投射出的光线可区分成位于第一区域r1且带有其中一个部分影像的第一影像光以及位于第二区域r2且带有另一个部份影像的第二影像光。
64.第一反射元件3可例如为反射镜，用以反射光线。具体来说，第一反射元件3可例如为曲面镜。
65.第二反射元件4可例如为反射镜，用以反射光线。具体来说，第二反射元件4可例如为曲面镜。
66.偏光元件5具有第一侧51和相对于第一侧51的第二侧52。第一反射元件3和第二反射元件4皆设置于偏光元件5的第一侧51。偏光元件5可例如为反射式偏光片，用以将符合第一偏振方向的光线反射以及让符合不同于第一偏振方向的第二偏振方向的光线穿透。由此，可将来自第一反射元件3且符合第一偏振方向的第一影像光l1和来自第二反射元件4且符合第二偏振方向的第二影像光l2分离。更具体来说，偏光元件5可例如为偏振分光镜或偏振分光膜。偏光元件5可例如为曲面镜。
67.第三反射元件6设置于偏光元件5的第二侧52。第三反射元件6可例如为反射镜，用以反射光线。具体来说，第三反射元件6可例如为曲面镜。
68.在本实施例或其他实施例中，投影器2的第一区域r1、第一反射元件3、偏光元件5和挡风玻璃g依序设置于第一光路上，第一光路更从挡风玻璃g延伸至使用者的眼睛(即可视点e)。第一影像光l1经过第一光路并射向可视点e而形成第一虚拟影像v1。具体来说，在一范例中，投影器2的第一区域r1朝第一反射元件3投射出第一影像光l1，第一影像光l1被第一反射元件3反射至偏光元件5，又被偏光元件5反射至出光口12并射向挡风玻璃g，然后再射向可视点e。此时，用户便可看到由第一影像光l1所带来的第一虚拟影像v1，例如图5a所示作为道路标示的第一虚拟影像v1。
69.又，投影器2的第二区域r2、第二反射元件4、偏光元件5、第三反射元件6和挡风玻璃g依序设置于第二光路上，第二光路更从挡风玻璃g延伸至使用者的眼睛(即可视点e)。第二影像光l2经过第二光路并射向可视点e而形成第二虚拟影像v2。具体来说，在一范例中，投影器2的第二区域r2朝第二反射元件4投射第二影像光l2，第二影像光l2被第二反射元件4反射至偏光元件5，并在穿过偏光元件5后，射向第三反射元件6，再被第三反射元件6反射至偏光元件5，接着再次穿过偏光元件5后，射向出光口12并行进至挡风玻璃g，然后再射向可视点e。此时，用户便可看到由第二影像光l2所带来的第二虚拟影像，例如图5a所示作为功能提示的第二虚拟影像v2。
70.此外，在本实施例中，投影器2所投射出的两影像光的偏振方向不同。举例来说，以液晶显示器作为光源实现的投影器2所投射的两个影像光皆为线性偏振光，并且投影器2于第一区域r1内设置有一第一相位延迟元件21，例如半波片。在此情况下，当第一影像光l1的偏振角度与半波片的光轴夹角设定为约45度时，第一影像光l1经过此第一相位延迟元件21后，形成偏振角偏转90度的延迟影像光，延迟影像光的偏振方向将大致垂直于第二影像光l2的偏振方向。同理，可将第二相位延迟元件22改设置于投影器2的第二区域r2内，如图4a所示的第二相位延迟元件22。在此情况下，当第二影像光l2的偏振角度与第二相位延迟元件22的光轴夹角设定为约45度时，第二影像光l2经过此第二相位延迟元件22后，形成偏振角偏转90度的延迟影像光，延迟影像光的偏振方向将大致垂直于第一影像光l1的偏振方向。
71.或者，例如，以液晶显示器实现的投影器2所投射的两个影像光皆为线性偏振光，投影器2于第一区域r1内设置有第一相位延迟元件21，例如半波片，也在第二区域r2内设置有第二相位延迟元件22，例如半波片。半波片有光轴，当光线的偏振角度与半波片的光轴间夹角为θ，则输出的光线偏振角度与输入光线偏振角度的夹角将会是2θ。如图7～11所示的相位延迟组件21和22。在此情况下，当第一影像光l1的偏振角度与第一相位延迟元件21的光轴之间的夹角α设定为约22.5度，且第二影像光l2的偏振角度与第二相位延迟元件22的光轴之间的夹角β设定为约-22.5度时，第一影像光l1的偏振角度旋转45度，第二影像光l2的偏振角度旋转-45度，于是第一影像光与第二影像光的偏振方向夹角为90度。实际上，角度α和角度β可根据需求而设计成同值或不同值，只要符合∣2α∣ ∣2β∣＝90即可。
72.又或者，如图6所示的范例中，以数字光源处理(digital light processing，dlp)实现的投影器2所投射的两影像光为非线性偏振光，投影器2于第一区域r1内设置有第一线性偏振片23，也在第二区域r2内设置有第二线性偏振片24，在此情况下，当第一线性偏振片
23与第二线性偏振片24的偏振角度相差约90度时，第一影像光l1经过第一线性偏振片23后所形成的第一偏振影像光的偏振方向会大致垂直于第二影像光l2经过第二线性偏振片24后所形成的第二偏振影像光的偏振方向。
73.然而，本发明并不限于上述所列举关于利用相位延迟组件与线性偏振片使投影器2所投射的影像光得到特定偏振的范例，相关偏振角度的设计、相位延迟组件与线性偏振片的类型、数量和设置位置，可根据实际应用来设计与选用。
74.在本实施例或其他实施例中，为了让射向挡风玻璃g的影像光像能折向可视点e，抬头显示设备可更包含反射膜7，反射膜7附贴于挡风玻璃g的第一侧g11。反射膜7可例如为可透光材质，例如半透明半反射的反射贴膜，因此可提升影像光的反射率，且不会影响使用者观看位于挡风玻璃g的第二侧g12的风景或路况。并且，两个影像光经由挡风玻璃g反射至可视点e时，使用者可看到位于在挡风玻璃g的第二侧g12的两个焦平面虚像。
75.在本实施例或其他实施例中，偏光元件5与第三反射元件6的角度a大于0度，如图4b所示。由此，可使主体1的容置空间13的利用率提高，从而缩小主体1的尺寸。并且，不仅不会遮蔽到出光口12，还可进一步加大出光口12的尺寸，提高抬头显示设备的出光量。
76.在本实施例或其他实施例中，偏光元件5和第三反射元件6的相对位置可根据实际需求来设计。例如，如图4a、7所示，第三反射元件6或6’可位于靠近偏光元件5或5’上方处(图面上偏光元件5或5’的上方)。或者例如，如图6所示，第三反射元件6’可位于靠近偏光元件5’下方处(图面上偏光元件5’的下方)。或者例如，第三反射元件可位于靠近偏光元件左侧处或右侧处或中间处等。因此，本发明的偏光元件和第三反射元件的相对位置的设计只要能使上述的第一光路和第二光路交错，尽量避免光路平行，即可减少光路间的串音干扰(crosstalk)。
77.在本实施例或其他实施例中，第一虚拟影像v1和第二虚拟影像v2的相对位置可根据主体1内的各组件的位置、尺寸的设计来调整。例如，图5a中，第一虚拟影像v1和第二虚拟影像v2具有上下或前后的相对位置关系，v1在v2上方，或v2在v1上方。或者，如图5b所示，第一虚拟影像v1和第二虚拟影像v2具有左右的相对位置关系，v1在v2左方，v2在v1左方。
78.在本实施例或其他实施例中，第一虚拟影像v1和第二虚拟影像v2的影像平面的倾斜角度(即影像平面与地平线的角度)可根据实际应用的需求来设计。由此，让影像显示的标线、指示或警告等图形或文字可以尽可能地贴合实际路面或景物，进而增加立体视觉的感受。
79.虽然上述实施例是以第一反射元件3、第二反射元件4、偏光元件5和第三反射元件6皆为曲面镜为范例来说明，然而本发明并不限于此。在其他实施例中，如图8所示，第一反射元件3’可为平面镜。在其他实施例中，如图8、9、11所示，第二反射元件4’亦可为平面镜。在其他实施例中，如图6、7所示，偏光元件5’可为平面镜。在其他实施例中，如图6、7所示，第三反射元件6亦可为平面镜。因此，本发明中的第一反射元件、第二反射元件、偏光元件和第三反射元件的形状、类型可根据实际应用来进行设计与搭配。
80.另一方面，每个用户的视线高度都不尽相同，而且行车过程中，头部与身体并非固定不动，因此眼盒er的大小必须能涵盖这样的变动，当眼睛位置变动，光路也会跟着变动，所以会使用到镜面的不同区域。如图12的可视点e1、e2和e3所示。而光学镜面的尺寸，会影响眼盒er的设计范围。本发明的抬头显示设备有空间利用上的优势，可使用足够尺寸的镜
面组件，还有较大的出光口12，因此能够将眼盒范围最大化，即使眼睛位置变动，也能让影像画面持续完整呈现给使用者。
81.在本发明中，虚拟图像的内容可根据实际应用时的需求对投影器2的影像源进行设计。第一虚拟影像v1可例如但不限于用来显示导航指示、驾驶辅助、车道线或安全警示等。第二虚拟影像v2可例如但不限于用来显示车速、速限、挡位、油量、路名等。并且，本发明并不限制虚拟图像中呈现的内容为文字或图形。
82.综上所述，本发明所提供的抬头显示设备可由让投影器的第一区域和第二区域投射出偏振方向不同的两个影像光，并由配置数个反射组件与反射式偏光元件来设计影像光行经的光路，使得这两个影像光能形成两个具有不同焦平面的虚拟图像，并且可缩小抬头显示设备所占的体积，降低制造成本。此外，在射向挡风玻璃的最后光路上，才由反射式偏光元件分光，加上配置第三反射元件与反射式偏光元件的相对位置，使抬头显示设备所占的体积更小，不会遮蔽出光口，还能增加出光口大小，扩大眼盒可视区。综上所述，上述各实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，皆应包含在本发明的保护范围内。