高效能及視覺人因改良車用抬頭顯示器之研究

Research of Vehicle Head-Up Display with High Efficiency and Improved Visual Human Factor

邵怡宣

指導教授 ： 陳政寰

國立清華大學/工學院/動力機械工程學系/碩士(2014年)

摘要

本研究提出兩種新型車用抬頭顯示器(Head-Up Display, HUD)，第一種為HUD結合視覺人因的架構。由於現今車用抬頭顯示器，所顯示的影像距離 (從擋風玻璃算起)，備受爭議；目前市面上，許多搭配原廠嵌入的車用HUD裝置(Original Equipment, OE)系統，其影像投射距離固定，且大多位於車頭前。而且，又在有限的車體空間內(儀表板上方)嵌入體積龐大的光路架構。不但只能限定某幾款車使用，也使得儀表板上方所使用的空間被限制住，而且難以維修；因此，架構出顯示影像距離可隨車子速度調變，並且使用車體內空間小，又能以平實價格符合汽車售後零件市場(After-Market)，進而應用於更多車款。
開發的重點是針對不同行駛速度下提供駕駛不同觀測距離的影像；分別利用7吋與4.5吋的HUD架構於車速快慢不同的情形，並且將4.5吋HUD架置在駕駛遮陽板的位置、而7吋HUD則架置於駕駛前儀表板上，造成兩者HUD的光路長短有別。此外，還於7吋HUD面板上放置了反射偏光片(Combiner)，可使兩HUD的影像分別穿透與反射。
所以，當駕駛車速過快時，因人眼會聚焦在遠方，所需資訊不多且視線如同集中在一點，而使用顯示影像於擋風玻璃外70公分的4.5吋HUD(光路距離長)；但當車速慢時，駕駛的目光不集中於遠方，可以獲取較多資訊，則使用顯示影像於擋風玻璃外20公分的7吋HUD(光路距離短)。
第二種抬頭顯示器則為上述7吋HUD改良版，同樣為背光源高指向性，但使用背光區域調節技術(Local Dimming)與去掉彩色濾光片(Color-Filter)之7吋液晶面板(Liquid Crystal Display, LCD)，並增加LED使用顆數以縮小HUD體積的架構，並以高效率大畫面的優勢取勝，以便使用於OE系統中。
基本架構為使用38顆四色LED，以陣列方式排列，整合了陣列透鏡以一顆透鏡一顆LED的方式對應，光源經由陣列透鏡(Lens Array)收斂發散光後，通過兩片正交的柱狀透鏡(Lenticular Array) 使光源均勻化，投射至影像源─液晶面板後，達到駕駛眼睛位置。
設計過程中使用ZEMAX優化非球面透鏡，並分析光收斂程度後，將數據導入ASAP、LightTools中建立出整體架構，可得整體光源均勻性、指向性、出光源使用效率，再使用SolidWorks將陣列透鏡模型繪製出予以加工。
目前已完成兩者的抬頭顯示器架構原形，可有效展示出不同顯示距離的畫面外，OE系統的抬頭顯示器其均勻度達81%，整體光源使用效率達61%，體積1.2升(含散熱系統)，未來可再整合人機互動介面，使得駕駛於操作抬頭顯示器時能更加直觀便利。

關鍵字

車用抬頭顯示器 ； 液晶面板 ； 雙模式顯示距離切換 ； 人因視覺 ； 高指向性 ； 背光區域調節技術

參考文獻

[53] 黃宣宜，LCOS 投影顯示器產業發展課，PIDA 光連雙月刊第39期，2002。

[4] M. Ablameier, T. Poitschke, F. Wallhoff, K. Bengler and G. Rigoll, “Eye Gaze Studies Comparing Head-up and Head-down Displays in Vehicles,” IEEE, pp. 2250-2252, 2007.

[5] Y. C. Liu, M. H. Wen, “Comparison of Head-up display(HUD) vs. head-down display(HDD): driving performance of commercial vehicle operators in Taiwan,” International Journal of Human-Computer Studies, vol.61, 2004.

[7] R. L. Newman, “Head Up Displays: Designing the Way Ahead,” pp. 30-41, 1995.

[8] MyCockpit, “Head Up Displays in Fighters,” 2011.