折射投影装置的制作方法

专利名称：折射投影装置的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种投影装置，尤其是指一种适用于使行车信息显像更为清晰的折射投影装置。
背景技术：
机动车辆的行驶首重安全性，然而不论汽车或是机车的行车信息往往是设置于一仪表板上，当驾驶者欲撷取上述信息时，则必无法同时注意于行车的状况，因此则易于产生危险。
目前已有针对汽车驾驶者所设计的资料投影装置，若将其应用于机车上时，则是组设于机车帽上的一适当位置处，但由于机车驾驶者是处于一开放空间，除行驶间所产生的晃动性较高外，若遇上外界光线较强时，例如太阳光线，则投影装置所显像的行车信息便容易变为模糊，使得驾驶者无法清楚撷取。另外，汽车于高速行驶(例如竞速车辆)时，驾驶者也常配戴头罩或头盔以保护驾驶者安全，此时也需要资料投影装置以提供行车即时信息，并同时保护驾驶者的安全。而目前的头盔式显示装置，多为内置于头帽或头盔之中，若使用者有意使用，则需要额外购买新的设计有安置内置式投影装置的头帽或头盔，其材料较为浪费且成本较高。另外对于有些使用者嘴部附近没有下缘延伸壳体的帽体而言，内置式投影装置并不容易安装，亦即目前的内置式投影装置使用弹性低，亟需要加以改善。
目前针对汽车或机车驾驶者所设计的资料投影装置，多为直接投射的投影装置，占用空间大，组装不方便，且需要耗费大量的电力功率。而传统使用投射实像于眼球成像，其放大倍数若欲提升，则需要拉长投射镜组与眼球的距离，如此若欲加大影像放大倍率，则需要加大投影系统所占用的空间，于实际上并不实用。另外，该形成投影实像于眼中的显示装置，于使用者头部移动(例如驾驶交通用汽机车或模拟游戏的操作)时，会产生因为鬼影以及杜卜勒效应引起的影像模糊或严重晃动，所以显示品质不佳，应用领域不广。
请参见图1(A)至1(E)，此是公知的都卜勒效应于人眼作用的示意图。正如同时下许多人所使用的录影机或照相机一般，当使用者手持照相机在移动中尝试对焦时，会发现照相机的镜头一直在前后调整其焦距，这是因为照相机必须尝试去理清究竟哪些部分是所欲拍摄的主体、该主体距离相机的距离等等，才能正确地调焦而拍出清楚的影像。人类的眼睛正如相机的镜头一般，必须随时快速地调整水晶体的曲率、眼轴的长短以适应不同距离的景物。
如图1(A)所示，当眼睛所见物体影像为静止的实像6时，眼球5与水晶体51维持在正常的状态接着请参见图1(B)，当实像61与眼球501处在一相对移动中时，眼球501为抓住正确的影像因此必须快速调整眼轴的长度以及水晶体511的曲率，如在图1(C)中水晶体512曲率变小而变得较为扁平，并且眼球502的眼轴长为适应水晶体512的曲率而变短；或者如图1(D)中水晶体513的曲率变大而变得较为厚圆，并且眼球503的轴长为适应水晶体513的曲率而变长；最后，如图1(E)所示，水晶体514调整到一正确的曲率，眼轴也随之调整到504的状态。在调整的过程当中由于物体移动的速度高于眼球调整的速度，因此会有残像62的产生，亦即公知的都卜勒效应。并且，在快速调整焦距的过程中，眼球周围的微血管大量流通血液会给眼球造成压力，长时间、频繁地调整焦距之下所造成的眼压过高不仅会对人眼形成不舒适的感觉，严重者更恐有视网膜剥离的可能。
更有甚者，其投影光径中光散射损失高，所以光使用效率低，光量损失大。因此，目前市场上仍需要一种新的显示装置，可有效放大微显示器所提供的影像，并维持高解析度，其成像方法不会压迫眼球，可以近距离、长时间使用亦不会造成眼睛不适症状。

发明内容
本发明的主要目的是在提供一种折射投影装置，能简化机构及组装复杂度，以适用于各种头罩，并通过由绕射镜组的聚光特性以减少光源的散失，并相对提高显像清晰度。
本发明的另一目的是在提供一种折射投影装置，能减少占用空间，节省耗费的电力功率，降低影像随使用者运动的晃动。
本发明的又一目的是在提供一种影像显示装置，能有效放大微显示器所提供的影像，且占用空间小，可维持影像解析度，延长使用时间，材料成本低，放大倍率调整容易，影像亮度对比高，减少杜卜勒及鬼影效应，适合作为头盔型显示装置。
为实现上述的目的，本发明提供的一种折射投影装置，是配合一头罩，主要包括至少一显示单元；至少一光源，用以提供该显示单元光线；一折射镜组，用以偏折自该显示单元发出或反射自该显示单元的光线；一虚像成像镜组，用以反射或透射经穿透该折射镜组的光线，并使该反射的光线形成一虚像；一壳体，用以容置该显示单元，该光源以及该折射镜组；该显示单元，该光源，该折射镜组，该壳体以及该虚像成像镜组位于该头罩之外；该折射镜组与该显示单元形成一夹角Y；该夹角Y大于0度，小于90度；且该显示单元所显示的该影像，是经由该折射镜组偏折折射形成一与原影像倒立的实像，再经由该虚像成像镜组转换成与原影像倒立的虚像。
所述的折射投影装置，其更包含一绕射镜组，是位于该折射镜组与该虚像成像镜组之间，用以提高自该显示单元发出或反射自该显示单元的光线的半辉度角；且该壳体用以容置该显示单元，该光源，该绕射镜组以及该折射镜组；该显示单元，该光源，该绕射镜组，该折射镜组，该壳体以及该虚像成像镜组位于该头罩之外。
上述的显示装置可应用于任何影像、图片、符号及文字显示使用途或设备，较佳为连接并作为电视、计算机、打印机的信息显示装置、荧幕、运输载具(vehicle)，机车，汽车的信息显示装置、信号机器、通讯设备(例如无线手机，电话)的信息显示装置、电话的信息显示装罩、交谈式电子书、微显示器(microdisplay)、钓鱼(fishing)设备的显示、个人数字助理(personaldigital assistant)、虚拟游戏机(game)、虚拟飞行训练的信息显示装置、飞机(airplane)设备的显示及游戏眼罩的显示等。
详细说明本发明内容如下。
请先参见图2及图3(A)，图3(B)，图3(C)，此4图为眼睛成像的实像、虚像差别示意图。图2为公知的投影系统所投射为实像4的状况，在眼睛所视为实像的情况下，眼睛必须正确调焦以使影像成像在视网膜上，才能“看见”影像41，而如前段所述，调焦的过程会带给眼睛压力。图3(A)至图3(C)为本发明眼睛所视为虚像的情况。在此情况下，当该成像镜组(凹面镜)260为透明时，显示单元(图中未示)所投射的实像42含在该成像镜组260的后形成一虚像43，而由于人眼睛于观察反射面的虚像时，眼球是调整其焦点于该反射面，因此人眼睛于观看反射面的虚像时，眼睛无须另外调整焦距，仅需要对焦于反射面。而反射的物体或显示器中投射于反射面的影像若有运动时，因为眼睛所对焦者仅为反射面，亦即眼球无须因为反射的物体或显示器中影像运动而大幅调整焦距，只要反射的物体影像或显示器中运动的影像，于经过眼球中水晶体后投射于视网膜上的成像，可以为数层视网膜所辨识的景深，即可以让眼睛清楚地看见影像或分辨影像的运动，但是不必随着影像快速地调整眼球的长短以适应影像的运动，因此眼压不会升高。
而眼球内感觉非透明反射面虚像的远近，约略可以图3(B)及图3(C)来说明。因为眼球的视网膜为多层的结构，眼球可以以多层结构来感觉影像的远近。当虚像44经一反射面260进入眼球时，眼球会自动调整使非穿透反射面穿过水晶体的相对成像于视网膜，而该反射面上经反射形成的虚像44，于经过眼球水晶体后，会在眼球水晶体焦距调整固定于反射面的情形下，于视网膜多层结构上成像，眼睛通过视网膜“感觉”到影像412落于眼球视网膜之前，亦即“感觉”该影像存在于视网膜上反射面前，介于水晶体与视网膜之间，如图3(B)所示，再传至脑部后，看到该虚像于该反射面之前，但是眼球的焦距并无改变。而当实像是位于反射面260的表面，经水晶体折射后的影像413也将落于视网膜的表面。而结合图3(B)及图3(C)可以说明物体或影像及使有相对运动，由以上的说明可以知道、虚像运动时，眼球不需要调整焦距，因此没有眼压增高、影像重叠或残像的都卜勒效应的问题，此也为虚像投影成像的优点。
接着请参见图4、图5及图6，此三图为本发明中所使用的折射镜组相较于公知技艺的示意图。图4是公知使用凸透镜170直接投射，由于外来光源180的光径与显示单元190所欲投射成像的光径方向相同，因此外来光源将会对所投影的影像形成强烈干扰；图5则为公知使用凹面镜171反射成像的投影系统，在此图中外来光源180的光径与显示单元190所投射影像的光径亦相同，因此也会产生强烈干扰；图6则为本发明利用折射成像，在本图中该凸透镜(折射成像镜组)172与显示单元190之间有一夹角存在，当外来光源180经凸透镜172的折射后的光径与入显示单元190所投射影像的光径并不相同，不会互相干扰，因此能够形成良好的暗房效果，提高影像的对比以及清晰度。
本发明折射投影装置的显示单元可为公知的任一显示单元，较佳为一平面显示单元或一与该光源整合为一体的平面显示单元，最佳为真空荧光显示器(VFD)，液晶显示器，有机发光显示器，低温多晶硅微显示器，LCOS微显示器或DMD微显示器。本发明折射投影装置的绕射镜组可为公知的任一绕射镜组，较佳为一对绕射镜片或整合的阵列微绕射镜片。本发明折射投影装置的折射镜组可为任何公知的镜片，用以将入射光偏折，其可为任何平面镜，曲面镜或前述二者的组合，较佳为该折射镜组同时具聚光及放大影像的功能，用以偏折该显示单元的光线，并同时放大穿透该折射镜组的影像；该折射镜组至少具有一凸透镜，最佳为该折射镜组为一凸透镜。本发明折射投影装置的虚像成像镜组可为平面镜，或任何发散镜片组，较佳为凹面镜或凹透镜，以形成放大的虚像。本发明折射投影装置的虚像成像镜组可以视需要选择性地为头罩的挡风镜片或一平面镜片。本发明折射投影装置的折射镜组与该虚像成像镜组之间距无特殊限制，可以将影像转为于眼中形成虚像即可，较佳为该折射镜组与该虚像成像镜组之间距小于该虚像成像镜组的焦距或该折射镜组与该虚像成像镜组之间距大于该折射镜组的焦距，以改善虚像的成像以及放大虚像。本发明折射投影装置的显示单元与该折射镜组的距离无限制，较佳为影像光穿透折射镜组可形成一放大实像的距离，最佳为该显示单元与该折射镜组的距离小于该折射镜组的2倍焦距。本发明折射投影装置的折射镜组与该显示单元间的夹角Y介于0度及90度之间，并可以视影像放大，虚像位置高低，以及因对比，避免扭曲而调整，较佳为夹角Y介于0度及70度之间。本发明折射投影装置更包含一具有中空腔室的壳体，且该显示单元、该光源、该折射镜组以及该绕射镜组可固定容置于该壳体中，且以一结合单元以固定该壳体于该头罩的外部，该结合单元较佳螺丝与螺孔的组合。本发明折射投影装置的该显示单元可置于接近驾驶者的口部或接近驾驶者的眼部，较佳为该虚像成像镜组可介于该显示单元与该头罩罩顶之间，亦即该显示单元置于接近驾驶者的口部。本发明的影像显示装置的虚像成像镜组的反射率无限制，以让使用者可以透视虚像成像镜组后的环境影像以及可以看到虚像成像镜组反射形成的虚像即可，较佳为该虚像成像镜组的反射率介于30％至50％或该虚像成像镜组的穿透率介于70％至50％。
本发明的影像显示装置并可选择性地与一听觉设备相结合以形成整体音声的设备。例如本发明影像显示装置可再与一耳机相组装，形成一完整的视听设备。该视听设备可以连接其他现有计算机或虚拟实境的微处理器装置以加强功能，例如作为计算机的显示装置器，或连接训练机器(例如模拟机，太空人无重力训练)模拟训练，或连接视讯系统进行远距通信，教学，会议，监控使用，或作为驾驶交通载具的信息显示及环境显示，或作为虚拟游戏的显示装置。
前述可知，本发明的投影显示装置可以配合目前现有的任何形状的头罩或头盔使用，仅需要以结合单元配合固定于头罩或头盔即可，应用范围广泛且使用弹性大，加装时无须额外购置新的头罩或头盔，结构简单，组装容易，应用范围广泛。
本发明的投影显示装置的成像原理为虚像成像，主要是利用一折射镜组(凸透镜)形成一与原影像倒立的放大实像；之后再利用一虚像成像单元(凹面镜、凹透镜或平面镜)形成一与原影像倒立的放大虚像。此种应用虚像成像原理的眼镜型影像显示装置，不会造成眼球压迫，即使长时间使用，在数小时内也不会有晕眩的情形产生，为现今眼镜型或头盔型影像显示技术的一大突破。本发明是利用形成虚像于眼球，所以于使用者头部移动时，影像因杜卜勒效应及鬼影效应引发的影像模糊降低。另外，由于本发明是利用折射光线以形成虚像于使用者眼球，放大影像时仅需要调整虚像成像镜组镜片，或折射镜组(例如凸透镜)的距离，角度甚至曲率，便可以完成，调整方法简单，占用空间小。相对于该传统形成实像于使用者眼球，且需要占用空间大的投影显示装置，具有简化操作及空间使用弹性大的相对优点。再者，由于本发明是利用折射于使用者眼中形成虚像，有别于一般投影系统利用投射而于使用者眼中形成实像，所以无须如传统形成实像的投影系统需要占用大量的体积，本发明投影系统占用体积相较之下大幅减少，重量当然也大幅下降，符合轻薄短小的要求。另外，本发明是利用折射光线以形成虚像于使用者眼球，所以成像的反差对比较高，暗房效果大且较不受环境光的干扰，相对于传统形成实像于使用者眼球的投影显示装置，影像品质较佳。而使用者使用时，对周遭非使用者，由于影像是折射成像，所以透射虚像成像境组的光线折射角度大，并不会影响与使用者视线约略等高的周遭其他人，干扰相对较低。更而言之，本发明折射影像显示装置尚具有体积小的优点，材料成本低，且耗用电力小，易于携带，使用弹性大，同时可降低生产成本，相当符合市场需求。


图1(A)，图1(B)，图1(C)，图1(D)，图1(E)是人眼都卜勒效应的示意图；图2是人眼观看实像的示意图；图3(A)，图3(B)，图3(C)是人眼观看虚像的示意图；图4是公知以凸透镜直接放大投影的示意图；图5是公知以凹面镜反射投影的示意图；图6是本发明以折射投影的示意图；图7是本发明的实施状态图；图8是本发明的架构示意图之一；图9是本发明的架构示意图之二。
具体实施例方式
为能更清楚了解本发明的技术内容，特举一较佳具体实施例说明如下。
首先请参阅图7本发明的实施状态图，其中机车驾驶者31是处于一行驶状态，于行车过程中，驾驶者31常需撷取相关的行车信息，例如速度、油量等，此时便可通过由本发明的投影装置1而实现信息撷取的目的。然而，当行车过程中恰巧遇到外界光线32，例如太阳光或对向车道来车的大灯照射时，投影装置1的显像信息的清晰度则必须加以控制以使驾驶者31可清楚得知。本发明影像显示装置的虚像成像镜组的反射率一般介于30％至50％，视使用者需求而定，于本实例中虚像成像镜组的反射率为40％。
请参阅图8本发明的架构示意图之一，其中主要包括有一投影装置1，其是通过由一壳体10以螺丝(图未示)螺锁组设于一机车帽2的外部，于本实施例中，投影装置1是组设于机车帽2外部前端下方处。此外，上述的投影装置1内尚包括有一发光源12、一折射镜组13(于本实施例为一凸透镜)及一电路板14，而机车帽2则尚包括有一虚像成像镜组21(于本实施例为一凹透镜或可透视的平面镜)。
于本实施例中，上述发光源12是指一液晶显示器或真空荧光显示器(VFD)、折射镜组13(于本实施例为一凸透镜)是指一折射透镜、而机车帽2的虚像成像镜组21(于本实施例为一凹透镜或可透视的平面镜)则是附着于该机车帽罩盖。但上述的具发光源显示器12亦可使用非液晶显示器或真空荧光显示器(VFD)作为信息显像使用。
请注意于图8中，上述投影装置1内可更组设有一绕射镜组11，此绕射镜组11于本实施例中是指一对绕射镜片，当然此绕射镜组11亦可组设多数片以上以达到更佳的聚光效果。因此，当投影装置1开始运作后，其通过由电路扳14进行相关的电路控制，而真空荧光显示器(VFD)12即可开始显示如速度、油量等显像信息，此等显像信息经由上述折射镜组13(于本实施例为一凸透镜)的折射、上述绕射镜组11的聚焦形成一倒立的影像，之后便通过于机车帽2的虚像成像镜组21(于本实施例为一凹透镜或可透视的平面镜)转换成与原影像上下颠倒的虚像。其中该折射镜组13(于本实施例为一凸透镜)与该虚像成像镜组21(于本实施例为一凹透镜或可透视的平面镜)的距离大于该折射镜组13(于本实施例为一凸透镜)的焦距。且该折射镜组13(本实施例为一凸透镜)与该真空荧光显示器(VFD)形成一夹角约20度。该机车帽的挡风镜片与该折射镜组13(于本实施例为一凸透镜)的距离介于该折射镜组13(于本实施例为一凸透镜)焦距与该虚像成像镜组21(于本实施例为一凹透镜或可透视的平面镜)焦距之间。该影像光经该折射镜组13(于本实施例为一凸透镜)的折射及放大后，于该折射镜组13(于本实施例为一凸透镜)后，该机车帽的虚像成像镜组21(于本实施例为一凹透镜或可透视的平面镜)上形成一倒立放大实像。之后通过由该类似凹透镜的挡风镜面的反射，放大转换成一放大虚像。由于一般使用的虚像成像镜组21(于本实施例为一凹透镜或可透视的平面镜)的焦距甚大，所以该反射的发散光遂于驾驶者眼中形成一放大的虚像。请同时参阅图1、图2，由于本发明所使用的绕射镜组11具有聚焦特性，因此投影装置1发光源12的显像信息可通过由此绕射镜组11而加以聚焦，并因此可减少发光源12的光源散失，相对提高显像清晰度及于相同电力消耗功率下提高显像亮度，且驾驶者31的眼睛部位33即可清楚观察得知相关的行车信息。
请再参阅图9，是本发明的架构示意图之二，其结构与上述皆相同，但有差别在于将投影装置1’，以一壳体10’组设于机车帽2’的外部前端上方处，此组设方式亦可实现上述的各种目的。
应注意的是，上述诸多实施例仅是便于说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以根据权利要求所述为准，而非仅限于上述实施例。
权利要求
1.一种折射投影装置，其特征在于，是配合一头罩，主要包括至少一显示单元；至少一光源，用以提供该显示单元光线；一折射镜组，用以偏折自该显示单元发出或反射自该显示单元的光线；一虚像成像镜组，用以反射或透射经穿透该折射镜组的光线，并使该反射的光线形成一虚像；一壳体，用以容置该显示单元，该光源以及该折射镜组；该显示单元，该光源，该折射镜组，该壳体以及该虚像成像镜组位于该头罩之外；该折射镜组与该显示单元形成一夹角Y；该夹角Y大于0度，小于90度；且该显示单元所显示的该影像，是经由该折射镜组偏折折射形成一与原影像倒立的实像，再经由该虚像成像镜组转换成与原影像倒立的虚像。
2.根据权利要求1所述的折射投影装置，其特征在于，其更包含一绕射镜组，是位于该折射镜组与该虚像成像镜组之间，用以提高自该显示单元发出或反射自该显示单元的光线的半辉度角；且该壳体用以容置该显示单元，该光源，该绕射镜组以及该折射镜组；该显示单元，该光源，该绕射镜组，该折射镜组，该壳体以及该虚像成像镜组位于该头罩之外。
3.根据权利要求1所述的折射投影装置，其特征在于，其中该显示单元与该光源整合为一体。
4.根据权利要求2所述的折射投影装置，其特征在于，其中该显示单元为真空荧光显示器。
5.根据权利要求1所述的折射投影装置，其特征在于，其中该折射镜组同时具聚光及放大影像的功能。
6.根据权利要求1所述的折射投影装置，其特征在于，其中该折射镜组至少具有一凸透镜，用以偏折该显示单元的光线，并同时放大穿透该折射镜组的影像。
7.根据权利要求1所述的折谢投影装置，其特征在于，其中该虚像成像镜组为一凹面镜或凹透镜。
8.根据权利要求1所述的折射投影装置，其特征在于，其中该虚像成像镜组为一挡风凹面镜片或一平面镜片。
9.根据权利要求1所述的折射投影装置，其特征在于，其中经该折射镜组形成的实像与该虚像成像镜组之间距小于该虚像成像镜组的焦距。
10.根据权利要求1所述的折射投影装置，其特征在于，其中该折射镜组与该显示单元间的夹角Y介于0度及70度之间。
11.根据权利要求2所述的折射投影装置，其特征在于，其中该绕射镜组为一对绕射镜片。
12.根据权利要求1所述的折射投影装置，其特征在于，其中该显示单元是指一液晶显示器，有机发光显示器或微显示器。
13.根据权利要求1所述的折射投影装置，其特征在于，其中该显示单元为LCOS微显示器或DMD微显示器。
14.根据权利要求1所述的折射投影装置，其特征在于，其中该头罩为机车帽。
15.根据权利要求1所述的折射投影装置，其特征在于，其中该显示单元介于该虚像成像镜组与该头罩罩顶之间。
16.根据权利要求1所述的折射投影装置，其特征在于，其中该虚像成像镜组介于该显示单元与该头罩罩顶之间。
17.根据权利要求5所述的折射投影装置，其特征在于，其中该显示单元与该折射镜组的距离小于该折射镜组的2倍焦距。
18.根据权利要求5所述的折射投影装置，其特征在于，其中该折射镜组与该虚像成像镜组的间距大于该折射镜组的焦距。
19.根据权利要求1所述的折射投影装置，其特征在于，其更包含一结合单元，且该结合单元是结合固定该壳体与该头罩。
20.根据权利要求19所述的折射投影装置，其特征在于，其中该结合单元为螺丝与螺孔的组合。
21.根据权利要求1所述的折射投影装置，其特征在于，其中该虚像成像镜组的反射率介于30％至50％。
22.根据权利要求1所述的折射投影装置，其特征在于，其中该虚像成像镜组的穿透率介于70％至50％。
全文摘要
本发明是有关一种折射投影装置，主要是于一头帽的外部组设有一投影装置，当投影装置将显像信息加以投射时，其可通过由组设于投影装置内的绕射光学元件而将光源加以聚焦，之后再集中显示于头帽的一显像界面上。亦即投影装置发光源的显像信息可通过由绕射光学元件的聚焦特性而可减少光源的散失，并因此提高显像清晰度。
文档编号G02B27/01GK1570698SQ0314756
公开日2005年1月26日 申请日期2003年7月22日 优先权日2003年7月22日
发明者吕兴增, 胡锦标 申请人:吕兴增, 胡锦标