【毕业学位论文】车用抬头显示系统之研发-光电工程

國雲科技大學 光電工程研究所碩士班 碩士文 用抬頭顯示系統之研發 究生：陳正宏 指導教授：陳建宇 博士 共同指導教授：蘇威佳 博士 中華民國 98 6 月 用抬頭顯示系統之研發 究生：陳正宏 指導教授：陳建宇 博士 共同指導教授：蘇威佳 博士 國雲科技大學 光電工程研究所碩士班 碩士文 A of 009 華民國 98 6 月 學生：陳正宏 指導教授：陳建宇 博士 共同指導教授：蘇威佳 博士 國雲科技大學光電工程碩士班 摘 要 本文設計種同的用抬頭顯示器，達到投影距遠、成像面積大且兼具高成像品質的目標。本產品研發針對大眾款與 款之售後安裝市場為設計原則，以提升用抬頭顯示器之市場發展與價值。系統設計以現有商業化光電元件進整合與組裝，其架構內之透鏡成像系統則用 體進模擬分析。我們從透鏡成像系統之 、放大、成像距，決定透鏡的選擇，以達成產品需求。 為解決用抬頭顯示器成像系統之畸變像差(的問題，本文另一重點是提出一新技術，可用少市售單一球面鏡，搭配光學擴散片(微透鏡陣(，設計出一套成像系統，即可達成密成像鏡組所呈現之品質。本技術於該成像系統的中繼成像 (位置處放置一片光學擴散片或微透鏡陣，以改善原系統之像差問題。經過軟體模擬與實驗分析後，證實此設計對於成像系統的畸變有明顯的改善。 關鍵字： 用抬頭顯示器，光學擴散片，微透鏡陣，中繼成像，畸變像差 r. u n we of in of at of MW be in we of by TF of is to a to in is by an or a on of in of be s up 在這研究所的日子，經由無人的指導與幫忙，使學生正宏能夠順完成學業。首先，感謝指導教授陳建宇博士與蘇威佳博士在研究方向及觀上的啟發與引導，給予無的指點與協助，使得學生在為學、研究態、待人處事方面皆受多。另外，感謝中央大學光電科學與工程 學系的孫文信師與雲科技大學光電工程研究所的慶煌師，在口試時對於本文足的地方提出建議及指正，使本文的內容可以加完善及充實。 研究所求學期間得到許多人的幫助，也獲得到少寶貴的經驗，要感謝的人真的非常多，讓我克服少難關，包括厭其煩常常為實驗室學弟們耐心地解憂博士班的明達學長，以及已畢業的信衡、漢強、婷婷及宗諺學長姐們和司玉的協助翻譯。在這研究所中，同窗一起奮鬥的忠欣、溫振、彥慶、旻穎、安、致豪、嘉豪、御維及偉程，彼此互相協助與鼓。在此也特別感謝彰師光資訊處實驗室的閩璋、振宇、昆芳、國瑞、蕙娟同學學弟妹們，無私地協助與指導實驗室之技術與提供設備器材，讓我克服少難關。而實驗室的清、一帆、志勝和錦榮，辛苦你們這一，為實驗室的事務及研究上給與我很大的幫助，你們的努與團結讓我印象深刻。 最後，謹將此文獻給我摯愛的雙親及家人，在我求學時因為有您們的辛勤付出，從旁給與我的鼓及支援，讓我可以努的將此碩士學業生涯完成。 中文摘要 緒 究動機與目的頭顯示器之史與發展文架構二、 用抬頭顯示器文獻回顧 用抬頭顯示器對駕駛者的影響用抬頭顯示器先前技術用抬頭顯示器 4三、 光學設計原 像原63號定義63折射面高斯成像公式73透鏡造鏡者成像公式計算差計算眼特性3四、 用抬頭顯示器系統設計 眾款用抬頭顯示器透鏡設計74鏡設計概要74鏡之選取74成透鏡模擬與分析84階透鏡模擬與分析04像品質分析1 款用抬頭顯示器透鏡設計64鏡設計原則64擬結果片透鏡之成像系統優化用抬頭顯示器之設計結果14眾款之用抬頭顯示器14款之用抬頭顯示器34機構元件成果眾款之用抬頭顯示器成像結果款之用抬頭顯示器成像結果 4五、 結果與討用抬頭顯示器之畸變探討學擴散片之改善成像系統之畸變學擴散片模組建構學擴散片改善成像投影品質實驗架構學擴散片之模擬與實驗透鏡陣之模擬與實驗1、 結與未展望 展望7考文獻8 表 1道交通事故統計表 1國 97 1 道交通事故肇事原因表 1國 97 1 道交通事故肇事種表 1表 2 系款 規格表 1表 2入式與外加式之用抬頭顯示器之比較4表 3眼與相機之比4表 3細胞與桿細胞之特性5表 4大皆為 4倍( 投影成像面積 2007表 4距皆為 2508表 4合系統規格之最佳設計8表 4成透鏡焦距為 303透鏡資 9表 4成透鏡焦距為 401透鏡資 9表 4成透鏡焦距為 503透鏡資 0表 4成複合透鏡之透鏡資7表 4化指9表 44表 4示元件規格描述5表 4光源系統之 格描述6表 4光源系統之散熱座規格描述7表 48表 4影透鏡組之凸透鏡規格描述9表 4影透鏡組之凹透鏡規格描述9表 4影透鏡組之透鏡開模製作之規格描述0表 5像面在虛像同成像距之值結果4表 5加光學擴散片之成像系統模擬結果6表 5上光學擴散片之成像系統模擬結果7表 5上微透鏡陣之成像系統模擬結果2表 5同透鏡陣尺寸之場曲與畸變值4 圖 1(的影響4圖 2決抬頭顯示器之雙重影像之方法4圖 3面折射面成像系統示意圖7圖 3透鏡近軸光線追跡圖9圖 3曲示意圖2圖 3變示意圖3圖 3眼與相機之比4圖 3眼相對頻響應6圖 4成透鏡焦距為 303光追跡圖 9圖 4成透鏡焦距為 401光追跡圖 9圖 4成透鏡焦距為 503光追跡圖 0圖 4階透鏡設計 to 寫程式1圖 4階透鏡設計 to 式計算結果1圖 4一維的畫素分佈2圖 4-7(a) 現成透鏡焦距為 303 3圖 4-7(b) 初階設計透鏡焦距為 300 3圖 4-8(a) 現成透鏡焦距為 401 3 -8(a) 初階設計透鏡焦距為 400 3圖 4-9(a) 現成透鏡焦距為 503 3圖 4-9(b) 初階設計透鏡焦距為 500 3圖 4始輸入圖像4圖 4a) 現成透鏡焦距為 3034圖 4b) 初階設計透鏡焦距為 3004圖 4a) 現成透鏡焦距為 4014圖 4b) 初階設計透鏡焦距為 4004圖 4a) 現成透鏡焦距為 5035圖 4b) 初階設計透鏡焦距為 5005圖 4 系 機構擺放示意圖6圖 4成複合透鏡之光追跡圖7圖 4成複合透鏡之 7圖 4成複合透鏡之場曲畸變圖7圖 4a) 現成複合透鏡之原始圖8圖 4b) 現成複合透鏡之影像模擬圖8圖 4片式現成透鏡之 9圖 4片式透鏡優化後之 9圖 4片式透鏡優化後之光追跡圖9圖 4a) 二片式現成透鏡之 0圖 4b) 二片式透鏡優化後之 0圖 4a) 二片式現成透鏡之場曲畸變圖0圖 4b) 二片式透鏡優化後之場曲畸變圖0圖 4a) 二片式現成透鏡之影像模擬圖0圖 4b) 二片式透鏡優化後之影像模擬圖1圖 4眾款之 構上視圖2圖 4眾款之 構側視圖2圖 4加上 3圖 4上 3圖 4款之 構側視示意圖4 款之 構上視示意圖4圖 4示元件架構上視示意圖 5圖 4示元件架構正視示意圖 5圖 4格圖6圖 4觀圖6圖 4光源系統散熱座正視示意圖7圖 4光源系統散熱座側視示意圖7圖 4格圖8圖 4透鏡規格標示圖9圖 4透鏡規格標示圖9圖 4仔距增反射片 30 公分處之成像結果1圖 4仔距增反射片 100 公分處之成像結果2圖 4仔距增反射片 200 公分處之成像結果2圖 4眾款 虛像成像面積結果3圖 4眾款 設計與面紙盒比較圖3圖 4仔距增反射片 100 公分處之成像結果5圖 4仔距增反射片 210 公分處之成像結果5圖 4仔距增反射片 400 公分處之成像結果5圖 4款 虛像成像面積結果6圖 5眾款用抬頭顯示器之系統架構7圖 57圖 5鏡陣之中繼成像光追跡圖8圖 5散片之光線追跡1圖 5-5(a) 未加 照分佈1圖 5-5(b) 加上 照分佈1圖 5-6(a) 使用光學擴散片校正成像畸變1圖 5-6(b) 未使用光學擴散片之虛像放大成像1圖 5學擴散片改善成像投影品質實驗架構圖3圖 5像面在虛像成像距 600 公分處之影像模擬4圖 5像面在虛像成像距 690 公分處之影像模擬4 像面在虛像成像距 900 公分處之影像模擬5圖 5像面在虛像成像距 600、 690、 900 公分處之影像模擬5圖 5像面在虛像同成像距之影像模擬5圖 5a) 加光學擴散片之畸變網格9圖 5b) 未加上光學擴散片之畸變網格9圖 5a) 加光學擴散片之畸變與場曲9圖 5b) 未加光學擴散片之畸變與場9圖 5始輸入圖像0圖 5加上光學擴散片之影像模擬0圖 5上光學擴散片之影像模擬0圖 5加光學擴散片之實驗拍攝1圖 5上光學擴散片之實驗拍攝1圖 5a) 輸入原始圖形3圖 5b) 未加上微透鏡陣之影像模擬3圖 5c) 加上微透鏡陣之影像模擬3圖 5a) 加未上微透鏡陣之畸變網格4圖 5b) 加上微透鏡陣之畸變網格4圖 5透鏡陣之改善畸變之實驗拍攝4 第一章、緒 目前社會大眾對輛的需求已逐漸地從輛的性能轉至對輛內安全裝備的要求，這些高科技產品的輛配備已經再是高級款擁有的專。如，內的資訊顯示介面也漸漸地成為普及款的基本配備。而人性化科技，其實就是探討如何將還在研發階段的產品，以人性需求與使用習慣為主要的設計考因素，其主要概在於以人為主、產品為輔。也就是，產品的功能或形必須遷就使用者在使用時的情境，而是讓使用者去習慣產品的外形及使用方式。人性化科技所探討的範圍其實是非常廣泛的。而一個設計好的資訊介面系統，但能夠將正確、完整且即時的資訊傳達給使用者，而且還要讓使用者能正確且快速的完成他的工作。 究動機與目的 根據政院內政部統計處通報資1 顯示，民國 97 國內因交通事故所造成的人員傷亡總計 13 萬 5,199 件，如表 示。再進一步的深入探討後發現交通事故之肇事原因分析肇事主要原因以汽( 機、慢) 駕駛人過失 1,713 件占總計之 高。其中，駕駛人過失中，又以酒醉( 後) 駕駛失控發生事故達 399件最多，而未注意前況以致發生事故為 326 件其次，如表 示。此外，交通事故肇事種別，以機踏占 多，自用小客占 之，大小貨占 第三，如表 示。另一項交通安全報告2 ，美國高速公交通安全局(c 008 的調查報告指出，交通意外事故統計共 2,045,577 件，而其中因駕駛者個人疏失所造成的意外，如: 駕駛者未注意前況或駕駛者分心導致交通事故的發生，高達843,804 件，佔總事故百分之 如表 示。無在國內外的統計指出，駕駛者在駛的過程中，因未注意況或分心而造成意外發生的比非常高。 1 表 道交通事故統計 道交通事故(2) 別 發生件(件) 死傷人(人) 死亡 受傷 肇事 (件/ 萬輛) 民國 90 64,264 3,142 61,122 83,956 3,344 80,612 國 91 86,259 2,725 83,534 112,455 2,861 109,594 國 92 120,223 2,572 177,651 159,021 2,718 156,303 國 93 137,221 2,502 134,719 181,742 2,634 179,108 國 94 155,814 2,767 153,047 205,981 2,849 203,087 國 95 160,897 2,999 157,898 214,316 3,140 211,167 國 96 163,971 2,463 161,508 219,500 2,573 216,927 國 97 1 135,199 1,773 133,426 180,985 1,827 179,158 源 :內政部統計處 表 國 97 1 道交通事故肇事原因 肇事原因 民國 97 1(件) 結構比% 民國 96 1(件) 結構比% 汽(機、慢)駕駛人過失 1,713 ,960 99 43 86 23 05 5 9 5 6 8 4 4 9 5 2 4 2 醉(後)駕駛失控 未注意前態 未依規定讓 違反號制管制或指揮 超速失控 違反特定標誌標線禁制 未保持安全間距 逆向駛 左轉彎未依規定 搶越人穿越道 其他駕駛人過失 379 01 件故障 12 0 人過乘客過失 46 2 通管制(設施)缺陷 1 他 1 - 總計 1,773 ,035 源 :內政部統計處 明:是指造成人員當場或 24 小時內死亡之交通事故 :是指造成人員受傷或超過 24 小時死亡之交通事故 2 表 國 97 1 道交通事故肇事種 肇事原因 民國 97 1(件) 結構比% 民國 96 1(件) 結構比%機踏 774 41 用小客 483 49 貨 172 24 貨 171 95 客 31 9 業小客 13 5 種 3 他 126 68 源 :內政部統計處 表 43,804 427,507 20,9 215,917 75,607 73,059 1,717 84,133 10,197 45,844 62,132 ,045,577 100% 資源 : 鑑於此，現今民眾對輛的要求除原本的輛性能外，亦開始著重輛內裝安全配備的要求。現今這些科技產品的輔助( 如內語音導航系統、語音碰撞警示系統、多媒體系統等) 確實改善駕駛在長時間疲駕駛、注意集中等情況下所引起的意外事故發生。而用抬頭顯示器，將駕駛者所需資訊呈現於駕駛者前方，駕駛者用分心低頭、轉頭或作眼睛聚焦的調節，確實可以有助安全，因此本文，將針對用抬頭顯示器進研發。 3 頭顯示器之史與發展 抬頭顯示器(最重要關鍵是比電腦開始運用在飛機上。因為顯示在抬頭顯示器上的文字或者是圖形需要經過處之後產生，傳統儀表產生的訊號無法直接使用在抬頭顯示器的顯示需求上，必須透過 電腦處轉換之後，將需要的資傳遞給抬頭顯示器的顯示單元，再將影像投射到前方的玻璃上。第一架使用飛機是 美國海軍的 1968的 圖 1. 006 所發表之F/鬥機抬頭顯示器3 。 圖 1 F/鬥機之 頭顯示器 圖 1 頭盔顯示器 抬頭顯示器後所衍生產品，無是在顯