TWI790800B - 投影裝置及投影方法 - Google Patents

Abstract

一種投影裝置包括顯示器、複數個光學組件及半透明介質。顯示器具有出光凸弧面，且顯示器產生畫面並經由出光凸弧面投射對應於畫面的第一光線。複數個光學組件用於依序反射第一光線進而產生第二光線。第二光線被投射至半透明介質以產生對應於畫面的成像。

Description

投影裝置及投影方法

本發明涉及一種投影裝置和投影方法，特別是一種用於抬頭式顯示(head-up display)系統的投影裝置和投影方法。

擴增實境對應虛擬實境(Virtual Reality, VR)一詞的翻譯稱為實擬虛境或擴張現實，是指透過攝影機影像的位置及角度精算並加上圖像分析技術，讓螢幕上的虛擬世界能夠與現實世界場景進行結合與互動的技術。這種技術於1990年提出。隨著隨身電子產品運算能力的提升，擴增實境的用途也越來越廣。

擴增實境與硬體、軟體、以及應用層面息息相關。在硬體方面，結合處理器、顯示器、傳感器以及輸入裝置的載具，方能適合成為擴增實境平台。在軟體方面，擴增實境系統的主要關鍵是如何將擴增的物件與現實世界結合。在應用層面，最早用於軍事，而後擴及日常生活。

然而在實際應用時，圖像投影可能會受到現實世界的空間所限制。此外，圖像也可能受到投影的位置和背投影物，使得圖像產生不必要的變形，進而導致圖像難以識別。

因此，為數眾多的民營企業或相關學研單位已經投注大量資金、人力和時間對投影裝置進行研究，並亟欲改善目前投影裝置仍待解決的相關問題。

有鑑於此，本發明之一目的在於提出一種可有解決上述問題的投影裝置包括顯示器、複數個光學組件及半透明介質。顯示器具有出光凸弧面，且顯示器產生畫面並經由出光凸弧面投射對應於畫面的第一光線。複數個光學組件用於依序反射第一光線進而產生第二光線。第二光線被投射至半透明介質以產生對應於畫面的成像。

在本發明的一個或多個實施方式中，顯示器包括凸透鏡，出光凸弧面係凸透鏡的凸面。

在本發明的一個或多個實施方式中，顯示器為曲面顯示器，出光凸弧面係曲面顯示器的出光面。

在本發明的一個或多個實施方式中，出光凸弧面具有介於1500 R至4000 R之間的曲率。

在本發明的一個或多個實施方式中，複數個光學組件包括第一光學組件及第二光學組件，第一光學組件包括反射凸面，第二光學組件包括反射凹面，第一光線被投射至反射凸面再被反射至反射凹面。

在本發明的一個或多個實施方式中，複數個光學組件包括第一光學組件及第二光學組件，第一光學組件包括反射凹面，第二光學組件包括反射凸面，第一光線被投射至反射凹面再被反射至反射凸面。

在本發明的一個或多個實施方式中，第二光線係經由第一光學組件及第二光學組件的二次反射所產生。

本發明的另一個面向在於提供解決上述問題的投影方法，其包括:使顯示器產生畫面並經由顯示器的出光凸弧面投射對應於畫面的第一光線；使複數個光學組件依序反射第一光線進而產生第二光線；以及使第二光線被投射至半透明介質，進而產生對應於畫面的成像。

在本發明的一個或多個實施方式中，其中顯示器包括凸透鏡，出光凸弧面係凸透鏡的凸面。

在本發明的一個或多個實施方式中，其中顯示器為曲面顯示器，出光凸弧面係曲面顯示器的出光面。

在本發明的一個或多個實施方式中，其中出光凸弧面具有介於1500 R至4000 R之間的曲率。

在本發明的一個或多個實施方式中，複數個光學組件包括第一光學組件及第二光學組件，第一光學組件包括反射凸面，第二光學組件包括反射凹面，第一光線被投射至反射凸面並被反射至反射凹面。

在本發明的一個或多個實施方式中，複數個光學組件包括第一光學組件及第二光學組件，第一光學組件包括反射凹面，第二光學組件包括反射凸面，第一光線被投射至反射凹面並被反射至反射凸面。

在本發明的一個或多個實施方式中，第二光線係經由凸面鏡及凹面鏡的二次反射所產生。

綜上所述，本發明的投影裝置利用出光凸弧面的設計讓半透明介質產生品質優異的虛擬成像，其中虛擬成像的畸變量會小於或等於4.2%，由此可知本案的投影裝置具有優異的投影功能。除此之外，本發明的投影裝置包括用於反射第一光線的反射凹面及反射凸面，且反射凹面及反射凸面經由二次反射來產生成像，由於反射次數低，所需要的光學反射元件少，投影裝置的體積小並適合放置在狹小的空間(例如是汽車的駕駛座區域內)。

以上所述僅係用以闡述本發明所欲解決的問題、解決問題的技術手段、及其產生的功效等等，本發明之具體細節將在下文的實施方式及相關圖式中詳細介紹。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。除此之外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

虛擬實境抬頭顯示(AR-HUD)系統可用來提供用於提供AR-HUD使用者安全性及便利性的各種資訊。在運輸過程中，可例如將與交通工具(例如為燃油汽車或電動汽車)操作有關的資訊諸如交通工具表計或導航影像投影虛像至駕駛員前方擋風玻璃的目視區域。據信，隨著交通工具的功能變得更加複雜，此等AR-HUD系統的使用及相關應用必然將逐年增加。

請參考第1圖。第1圖繪示為投影裝置100的示意圖。投影裝置100包括顯示器110、複數個光學組件120及半透明介質130。顯示器110具有出光凸弧面112，且顯示器110產生畫面I並經由出光凸弧面112投射發散的第一光線L1，其中第一光線L1是對應於畫面I所產生。接著，複數個光學組件120用於依序反射第一光線L1並產生第二光線L2，第二光線L2被投射至半透明介質130，進而產生虛擬成像M。其中，第一光線L1是由顯示器110顯示畫面I所產生的顯示光，而第一光線L1經數次反射產生第二光線L2的反射光。投影裝置100利用出光凸弧面112的設計能讓半透明介質130產生畸變量小且真實度高的虛擬成像M，以便於使用者P查看與周遭環境融合度高的虛擬成像M。

具體而言，本發明的投影裝置100可以是一種虛擬實境抬頭顯示裝置，其中投影裝置100可以被裝配於使用者P所駕駛的交通工具(例如為燃油汽車或電動汽車)中，半透明介質130例如是裝配在交通工具上的擋風玻璃，藉此使用者P可以在半透明介質130上查看所產生的虛擬成像M。在本發明的一些實施方式中，半透明介質130包括兩層強化玻璃及塑膠夾層，其中塑膠夾層是夾設於兩層強化玻璃之間，可以依照實際使用需求在強化玻璃表面貼上薄膜，因此半透明介質130的反射率高並適合產生虛擬成像M。此外，虛擬成像M可包括圖像資訊或文字資訊，例如為載具速度資訊、燃料資訊、氣候資訊、娛樂新聞資訊、轉彎導航指示資訊、時間資訊、交通資訊或警報資訊。虛擬成像M可被呈現為文字、符號、圖像、影像，且虛擬成像M可以是由一或多個顏色所呈現，本發明並不以此為限。

此外，顯示器110可包括陰極射線管(cathode ray tube, CTR)顯示器、發光二極體(light-emitting diode, LED)顯示器、有機發光二極體(organic light-emitting diode, OLED)顯示器、液晶顯示器(liquid crystal display, LCD)、雷射投影系統或熟習此項技術者已知的其他類型的顯示器，本發明並不以此為限。

在本發明的一個或多個實施方式中，顯示器110包括凸透鏡111，出光凸弧面112係凸透鏡111的凸面。具體而言，凸透鏡111為單面凸透鏡並具有對應的凸面及平坦面的，凸透鏡111的平坦面設置於顯示器110的出光面上。例如，凸透鏡111的平坦面是被固定在顯示器110的顯示面板的出光面上，而凸透鏡111的凸面相較於凸透鏡111的平坦面較遠離顯示器110的出光面。藉此，凸透鏡111能影響從顯示器110發射出來的第一光線L1，使得第一光線L1具有較為發散的行進路徑，藉此有效地減低虛擬成像M的畸變量，進而得到品質優良的虛擬成像M，但本發明並不以此為限。

在本發明的一個或多個實施方式中，顯示器110為曲面顯示器，出光凸弧面112係曲面顯示器的出光面，藉此顯示器110所產生的第一光線L1具有較為發散的行進路徑，藉此改善虛擬成像M的畸變量。具體而言，顯示器110的出光凸弧面112具有介於1500 R至4000 R之間的曲率。在本發明的一些實施方式中，出光凸弧面112的曲率是介於1800R至3000R之間，例如出光凸弧面112的曲率是1800R或3000R，但本發明並不以此為限。

在本發明的一個或多個實施方式中，顯示器110的複數個光學組件120包括第一光學組件120a及第二光學組件120b，第一光學組件120a及第二光學組件120b可以包括反射凸面、反射凹面或反射平面，因此第一光學組件120a及第二光學組件120b可以是凸面鏡、凹面鏡或平面鏡，但本發明並不以此為限。例如，第一光學組件120a及第二光學組件120b可以包括凸面結構、凹面結構或平面結構，其表面上有反射率高的金屬膜或合金膜。第1圖中所繪示的第一光學組件120a及第二光學組件120b僅用以例示性地介紹，第1圖並不用以限制第一光學組件120a及第二光學組件120b的形式、種類或兩者之間的相對關係。

請同時參考第1圖及第2圖，第2圖繪示投影裝置100的側視示意圖。在本發明的一個或多個實施方式中，投影裝置100的第一光學組件120a包括反射凸面，而投影裝置100的第二光學組件120b包括反射凹面，由顯示器110所產生的第一光線L1被投射至第一光學組件120a而被反射至第二光學組件120b，進而產生第二光線L2的反射光。在本實施方式中，第一光線L1先被投射至反射凸面並反射至反射凹面，接著再由反射凹面反射產生第二光線L2，藉此第二光線L2被投射至半透明介質130並產生畸變量小且成像品質優異的虛擬成像M供使用者P操作交通工具時查看。

請同時參考第1圖及第3圖，第3圖繪示投影裝置100的側視示意圖。在本發明的一個或多個實施方式中，投影裝置100的第一光學組件120a包括反射凹面，而投影裝置100的第二光學組件120b包括反射凸面，顯示器110的畫面I所對應產生的第一光線L1被投射至第一光學組件120a並被反射至第二光學組件120b，進而產生第二光線L2的反射光。在本實施方式中，第一光線L1是先被投射至反射凹面後再被反射至反射凸面，接著再由反射凸面反射產生第二光線L2，藉此第二光線L2被投射至半透明介質130並產生畸變量小且成像品質優良的虛擬成像M供使用者P操作交通工具時查看。

在本發明的一個或多個實施方式中，第二光線L2係經由第一光學組件120a及第二光學組件120b的二次反射所產生。換言之，在複數個光學組件120依序反射的第一光線L1並產生第二光線L2的過程中，除了第一光學組件120a及第二光學組件120b以外並沒有搭配其他的光學反射元件來調整第一光線L1的行進路徑及反射方向，因此僅需要第一光學組件120a及第二光學組件120b便能產生虛擬成像M，故投影裝置100所需佔用的體積小而能被裝設在空間狹小的交通工具駕駛座中。

請參考第4圖，第4圖顯示本發明一個或多個實施方式中投影裝置100所產生的虛擬成像M的視域(field of view, FOV)圖。其中，第4圖的水平軸代表為水平視域(horizontal field of view, horizontal FOV)，第4圖的垂直軸代表為垂直視域(vertical field of view, vertical FOV)。由第4圖可知，虛擬成像M的畸變量相當小，其中虛擬成像M的畸變量小於或等於4.2%。在較佳狀況下，虛擬成像M的畸變量大於或等於0小於或等於4.12%。由此可知，投影裝置100可以產生品質優良的虛擬成像M供使用者P查看。

請參考第5圖，第5圖繪示為本發明一個或多個實施方式中投影方法200的方法步驟流程圖。投影方法200是起始於步驟210，步驟210包括使顯示器產生畫面並經由顯示器的出光凸弧面投射對應於畫面的第一光線。接著，投影方法200進行到步驟230，步驟230包括使複數個光學組件依序反射第一光線並產生第二光線。接著，投影方法200進行到步驟250，步驟250包括使第二光線被投射至半透明介質，進而產生對應於畫面的成像。具體而言，投影方法200可以協同投影裝置100來實施，因此有關於投影裝置100及投影方法200相通的某些細節已經揭露於本發明的先前段落，而本領域中具有通常技藝者自當能根據本發明所揭露的內容進行修飾或替換，故在此不再贅述關於投影裝置100的重複內容。

請同時參考第1圖及第5圖，在步驟210中，使顯示器110產生畫面I並經由顯示器110的出光凸弧面112投射對應於畫面I的第一光線L1，其中顯示器110包括凸透鏡111，而出光凸弧面112則係凸透鏡111的凸弧面。經由凸透鏡111的設置，顯示器110可以利用出光凸弧面112產生發散的第一光線L1，但本發明並不以此為限。

在本發明的另外一些實施方式中，顯示器110為曲面顯示器，出光凸弧面112則係曲面顯示器的出光面，以產生發散的第一光線L1。具體而言，曲面顯示器的出光凸弧面112具有介於1500 R至4000 R之間的曲率。出光凸弧面112的曲率也可以是介於1800R至3000R之間，例如出光凸弧面112的曲率是1800R或3000R，本發明並不以此為限。

在步驟230中，使複數個光學組件120依序反射第一光線L1並產生第二光線L2，其中複數個光學組件120包括第一光學組件120a及第二光學組件120b，第一光學組件120a包括反射凸面，而第二光學組件120b包括凹面。因此，第一光線L1被投射至反射凸面並被反射至反射凹面，再經由反射凹面反射產生第二光線L2，但本發明並不以此為限。

在本發明的另一些實施方式中，第一光學組件120a包括反射凹面，第二光學組件120b包括反射凸面。因此，第一光線L1被投射至反射凹面，並經由反射凹面反射至反射凸面，接著經由反射凸面進一步產生第二光線L2，但本發明並不以此為限。

在本發明的另一些實施方式中，第二光線L2是由二次反射所產生，因此第二光線L2係經由第一光學組件120a及第二光學組件120b依序反射所產生，亦即第二光線L2僅經由第一光學組件120a及第二光學組件120b產生，而沒有進一步搭配其他的光學反射組件。由此可知，利用投影裝置100實施投影方法200並搭配二次反射來產生反射光所需佔用的空間小，因此投影方法200能被實施在空間狹小的駕駛座。

在步驟250中，第二光線L2被投射至半透明介質130，進而產生對應於畫面I的虛擬成像M供使用者P查看。在本發明的一個或多個實施方式中，虛擬成像M的畸變量小於或等於4.2%。在較佳狀況下，虛擬成像M的畸變量大於或等於0且小於或等於4.12%。除此之外，半透明介質130可以為擋風玻璃，其包括兩層強化玻璃及塑膠夾層，其中塑膠夾層是夾設於兩層強化玻璃之間，並且依照實際使用需求在強化玻璃表面貼上薄膜，因此半透明介質130的反射率高並適合產生成像品質優異的虛擬成像M。

綜上所述，本發明的投影裝置利用出光凸弧面的設計讓半透明介質產生品質優異的虛擬成像，其中虛擬成像的畸變量會小於或等於4.2%，由此可知本案的投影裝置具有優異的投影功能。除此之外，本發明的投影裝置包括用於反射第一光線的反射凹面及反射凸面，且反射凹面及反射凸面經由二次反射來產生成像，由於反射次數低，所需要的光學反射元件少，投影裝置的體積小並適合放置在狹小的空間(例如是汽車的駕駛座區域內)。

本發明不同實施方式已描述如上，應可理解的是不同實施方式僅作為實例來呈現，而不作為限定。在不脫離本發明的精神和範圍下，可根據本文的揭露對本揭露的實施方式做許多更動。因此，本發明的廣度和範圍不應受上述描述的實施例所限制。

100:投影裝置 110:顯示器 111:凸透鏡 112:出光凸弧面 120:光學組件 120a:第一光學組件 120b:第二光學組件 130:半透明介質 200:投影方法 210, 230, 250:步驟 I:畫面 L1:第一光線 L2:第二光線 M:虛擬成像 P:使用者

為達成上述的優點和特徵，將參考實施方式對上述簡要描述的原理進行更具體的闡釋，而具體實施方式被展現在附圖中。這些附圖僅例示性地描述本發明，因此不限制發明的範圍。通過附圖，將清楚解釋本發明的原理，且附加的特徵和細節將被完整描述，其中： 第1圖根據本發明一個或多個實施方式繪示投影裝置的示意圖； 第2圖根據本發明一個或多個實施方式繪示投影裝置的側視示意圖； 第3圖根據本發明一個或多個實施方式繪示投影裝置的側視示意圖； 第4圖顯示本發明一個或多個實施方式中投影裝置所產生虛擬成像的視域圖；以及 第5圖根據本發明一個或多個實施方式繪示投影方法的方法步驟流程圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

100:投影裝置

110:顯示器

111:凸透鏡

112:出光凸弧面

120:光學組件

120a:第一光學組件

120b:第二光學組件

130:半透明介質

I:畫面

L1:第一光線

L2:第二光線

M:成像

P:使用者

Claims (10)

1. 一種投影裝置，包括：顯示器，具有出光凸弧面，該顯示器產生畫面並經由該出光凸弧面投射對應於該畫面的第一光線；複數個光學組件，用於依序反射該第一光線進而產生第二光線，其中該些光學組件包括第一光學組件及第二光學組件，該第一光學組件包括反射凹面，該第二光學組件包括反射凸面，該第一光線被投射至該反射凹面再被反射至該反射凸面；以及半透明介質，該第二光線被投射至該半透明介質以產生對應於該畫面的成像。
2. 如請求項1所述之投影裝置，其中該顯示器包括一凸透鏡，該出光凸弧面係該凸透鏡的凸面。
3. 如請求項1所述之投影裝置，其中該顯示器係一曲面顯示器，該出光凸弧面係該曲面顯示器的出光面。
4. 如請求項3所述之投影裝置，其中該出光凸弧面具有介於1500R至4000R之間的曲率。
5. 如請求項1所述之投影裝置，其中該第二光線係經由該第一光學組件及該第二光學組件的二次反射所 產生。
6. 一種投影方法，包括：使顯示器產生畫面並經由該顯示器的出光凸弧面投射對應於該畫面的第一光線；使複數個光學組件依序反射該第一光線進而產生第二光線，其中該些光學組件包括第一光學組件及第二光學組件，該第一光學組件包括反射凹面，該第二光學組件包括反射凸面鏡，該第一光線被投射至該反射凹面並被反射至該反射凸面；以及使該第二光線被投射至半透明介質，進而產生對應於該畫面的成像。
7. 如請求項6所述之投影方法，其中該顯示器包括凸透鏡，該出光凸弧面係該凸透鏡的凸面。
8. 如請求項6所述之投影方法，其中該顯示器為曲面顯示器，該出光凸弧面係該曲面顯示器的出光面。
9. 如請求項7所述之投影方法，其中該出光凸弧面具有介於1500R至4000R之間的曲率。
10. 如請求項6所述之投影方法，其中該第二光線係經由該第一光學組件及該第二光學組件的二次反射所 產生。

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