抬頭顯示器之虛像系統光學設計

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張智凱(Chih-Kai Chang) 查詢紙本館藏

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光電科學與工程學系

論文名稱

抬頭顯示器之虛像系統光學設計

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摘要(中)

本論文主要是設計抬頭顯示器虛像系統的光學設計，可分為三個部分，分別為虛像系統、非成像系統、攝影機系統。虛像系統的功能是將顯示面板的影像經過目鏡後投影到人眼，本研究將在設計時將顯示面板置於虛像系統的物焦平面內所以可得到正立放大虛像，此外為了讓人眼不用一直在面板影像與現實世界不斷調焦，設計虛像會在人眼前 7 公尺;非成像系統包含 RGB LED光源、準直鏡、x-cube、透鏡陣列、延續透鏡、TIR稜鏡，非成像系統的目的為提供顯示面板均勻且有效率的照明，x-cube 的功能為將光源合光，TIR稜鏡的功能為結合虛像系統與非成像系統;攝影機系統是一個三倍變焦的 800萬畫素攝影鏡頭，其功能為與虛像系統互相搭配，可以記錄外界的影像。如果在駕駛過程中有在遠處看不清楚的影像，可以藉由攝影機系統將人眼看不
清楚的影像撥放。

摘要(英)

This paper focuses on the optical design of the virtual image system of the head up display, which is divided into three
parts, the virtual image system, the illumination system, and the camera system. The function of the virtual image system is to project the image of the display panel to the human eye through the eyepiece. In this study, the display panel will be placed in the object focal plane of the virtual image system so that an upright magnified virtual image can be
obtained. In addition, in order for the human eye to not always between the panel image and the real world constantly adjust the focus, the design virtual image will be 7 meters in front of human eye; The illumination system includes RGB LED light sources, collimator, x-cube, lens array, relay
lens, and TIR prism. The function of the illumination system
is to achieve uniform and efficient illumination on the DMD panel. The function of x-cube is to combine the light source, and the function of TIR prism is to combine the imaging system and the illumination system; The camera system is a three times zoom 8 million pixel camera lens, its function is to work with the virtual image system, can record the image of the outside world. If there are images that cannot be seen clearly from a distance during the driving, the camera system can be used to play back the images that cannot be seen clearly by human eyes.

關鍵字(中)

★ 抬頭顯示器
★ 虛像系統
★ 非成像系統
★ 光展量
★ 可視穿

關鍵字(英)

★ Head Up display
★ Virtual image system
★ Illumination system
★ Etendue
★ See-through

論文目次

摘要 i
ABSTRACT ii
誌謝 iii
目錄 iv
圖目錄 x
表目錄 xiv
第一章緒論 1
1-1 文獻回顧 1
1-2 研究動機 4
1-3 章節概要 5
第二章原理介紹 6
2-1 人眼特性介紹 6
2-1-1 人眼架構 6
2-1-2 人眼系統介紹 7
2-2 光展量(Étendue)原理介紹 8
2-3 不同立體角的光展量 9
2-3-1 圓形立體角光展量計算 10
2-3-2 矩形立體角光展量計算 11
2-4 均勻度介紹 12
2-4-1 ANSI(+/-) 12
2-4-2 JBMA 13
2-4-3 平均差(Average Deviation) 13
2-5 虛像系統原理 13
2-6 非成像系統原理 15
2-7 抬頭顯示器工作原理 16
第三章虛像系統設計 17
3-1 DMD系統 17
3-1-1 DMD規格 18
3-2 虛像系統初階規格制定 19
3-2-1 物高 19
3-2-2 適眼距(eye relief) 19
3-2-3 人眼到虛像的距離 19
3-2-4 虛像尺寸 20
3-2-5 出瞳尺寸 20
3-2-6 橫向放大率 20
3-2-7 有效焦距 20
3-2-8 Object NA 21
3-2-9 對人眼而言的影像解析度 21
3-3 制定設計目標 22
3-3-1 MTF 22
3-3-2 |SMTF-TMTF| 23
3-3-3 橫向色差(Lateral color) 23
3-3-4 光學畸變 23
3-3-5 電視畸變[27] 24
3-3-6 相對照度(Relative illumination) 25
3-4 鏡頭的設計與優化 26
3-4-1 初始架構選取 26
3-4-2 設計過程 27
3-4-3 玻璃非球面鏡片的使用 27
3-5 設計結果 28
3-5-1 MTF設計結果 30
3-5-2 橫向色差(Lateral color)設計結果 32
3-5-3 畸變(Distortion)設計結果 33
3-5-4 相對照度(Relative illumination)設計結果 34
3-5-5 設計結果整理 34
3-6 公差分析 35
第四章非成像系統設計 37
4-1 LED規格 37
4-2 準直鏡初階設計 40
4-3 x-cube 42
4-4 透鏡陣列 43
4-4-1 單格透鏡入光面初階設計 44
4-4-2 單格透鏡出光面初階設計 45
4-4-3 單格透鏡設計 46
4-4-4 單格透鏡直徑、垂直方向與水平方向NA值與出射角 46
4-4-5 透鏡陣列尺寸設計 48
4-5 延續透鏡 49
4-5-1 延續透鏡水平方向初階規格 49
4-5-2 延續透鏡垂直方向初階規格 50
4-6 TIR稜鏡 51
4-6-1 TIR稜鏡規格 52
4-6-2 TIR稜鏡θin計算 52
4-6-3 TIR稜鏡與DMD工作原理 54
第五章抬頭顯示器非成像系統效率與均勻度 56
5-1 系統整體layout 56
5-2 光展量計算 57
5-2-1 LED光展量計算 57
5-2-2 準直鏡物方光展量計算 58
5-2-3 透鏡陣列入光面光展量計算(以綠光為例) 59
5-2-4 透鏡陣列出光面光展量計算(以綠光為例) 59
5-2-5 DMD照明區光展量計算 60
5-2-6 DMD有效區光展量計算 60
5-2-7 投影鏡組光展量 60
5-2-8 進入出瞳的光展量 61
5-3 抬頭顯示器光展量表與效率分析 61
5-4 抬頭顯示器系統效率模擬 62
5-5 人眼觀測亮度分析 63
5-6 抬頭顯示器系統均勻度分析 63
第六章攝影機系統設計 68
6-1 感測器規格 68
6-2 攝影機系統初階規格制定 68
6-2-1 變倍比 68
6-2-2 像高、半視角、有效焦距 69
6-2-3 F/# 69
6-3 制定設計目標 69
6-3-1 MTF 69
6-3-2 |SMTF-TMTF| 70
6-3-3 橫向色差(Lateral color) 70
6-3-4 光學畸變 70
6-3-5 電視畸變 70
6-3-6 相對照度(Relative illumination) 71
6-4 設計結果 71
6-4-1 MTF設計結果 73
6-4-2 橫向色差(Lateral color)設計結果 77
6-4-3 畸變設計結果 80
6-4-4 相對照度設計結果 82
6-4-5 設計結果整理 82
6-5 公差分析 83
第七章結論與未來展望 87
7-1 結論 87
7-2 未來展望 88
參考文獻 89

參考文獻

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指導教授

孫文信(Wen-Shing Sun)

審核日期

2021-8-19

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