CN106033160A - 微型投影光学装置、投影光学方法及头戴显示器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微型投影光学装置、投影光学方法及头戴显示器。本发明的投影光学装置包含一成像模组、一照明模组以及一图像/数据处理模组。上述成像模组包含一镜片组单元，可将液晶显示单元上的图像投影进入人眼，让使用者可以直接观察到显示单元上的图像而不需屏幕。上述照明模组，包含一三色发光二极管为光源，一准直镜单元、一微透镜阵列单元以及一集光镜单元以均匀化该光源的光线，且提供照明至液晶显示单元。上述图像/数据处理模组，包含一输入单元接收外界图像/数据并利用一图像/数据处理单元进行辩识，以提供使用者即时信息。本发明因使用三色发光二极管为光源，可免除使用色彩滤光片，达到轻量化的功效。
Description
技术领域
本发明是关于一种投影光学装置、投影光学方法及头戴显示器，且特别有关于一种轻量化微型投影光学装置、投影光学方法及头戴显示器。
背景技术
头戴式显示器可分为光学式透视显示器以及视频式透视显示器。光学式透视显示器乃将一分光镜摆在使用者眼前的正确方位，使电脑显示器的图像反射进入使用者的视线，又仍然能让周遭环境的光线穿透进来。而视频式透视显示器则相反，它使用原本为电视特效而开发的视频混合技术，把头戴式摄像机(head－mounted camera)传来的图像与合成的图像结合，而合并后的图像通常会呈现在一个不透明的头戴式显示器上。通过精细的设计使图像处理机定位，让它的光路非常接近使用者眼睛的视线，因此能模拟使用者通常会看到的图像。
现有光学式透视头戴式显示器是采用液晶显示单元，例如笔记本电脑常见的显示单元，液晶显示单元乃经由灯管自背部照射。由于传统式照明模组乃是利用色彩滤光片及辅助式白色背光源将会增加重量及制造成本，具有轻量以及低成本的光学式透视头戴式显示器存在需求。
发明内容
有鉴于上列所述，轻量化微型投影光学装置、投影光学方法及头戴显示器存在需求，本发明乃提供一轻量化的微型投影光学装置、投影光学方法，且特别有关于一种光学式透视的头戴式显示器(head-mounted display；HMD)。
根据本发明的目的，提出一微型投影光学装置，包含：一成像模组，包含一液晶显示单元，接收一电子信号，并基于该电子信号，形成一电子信号图像并投射至使用者的眼睛；一照明模组，包含一三色发光二极管，为该照明模组的光源；以及，一微透镜阵列单元，均匀化该光源的光线，且提供照明至液晶显示单元。
根据本发明的目的，再提出一种光学透视头戴显示器，包含前述微型投影光学装置及其所有模组。
根据本发明的目的，又提出一微型投影光学方法，包含：以一液晶显示单元接收电子信号；基于该电子信号，形成一电子信号图像并投射至使用者的眼睛；提供一三色发光二极管为照明模组的光源；以及以一微透镜阵列单元均匀化该光源的光线，且提供照明至液晶显示单元。
根据本发明的目的，又提出另一种光学透视头戴显示器，包含利用一微型投影光学方法，该微型投影光学方法包含前述微型投影光学方法。
本发明因使用三色发光二极管为光源，可大幅提升照度，可利用色序法来达到不同颜色的混光，可利用色序法来达到不同颜色的混光，并可免除使用色彩滤光片，达到轻量化的功效。
本发明前述各方面及其它方面依据下述的非限制性具体实施例详细说明以及参照附随的图式将更趋于明了。
附图说明
图1是微型投影光学装置的方块图。
图2是光学透视头戴显示器的方块图。
图3是微型投影光学装置的示意图。
图4是微型投影光学方法的流程图。
图5是光学透视头戴显示器的侧视图。
图6是光学透视头戴显示器的俯视图。
图7是光学透视头戴显示器的A-A剖面图。
符号说明：
100 微型投影光学装置
20 成像模组
201 镜片组单元
202 液晶显示单元
203 分光镜单元
204 极化分光镜单元
205 电子信号图像
30 照明模组
301 三色发光二极管
302 准直镜单元
303 微透镜阵列单元
304 集光镜单元
40 图像/数据处理模组
401 图像/数据输入单元
402 图像/数据处理单元
403 信号输出单元
404 电子信号
51 眼睛
52 物体
53 外界图像
200 光学透视头戴显示器
400 微型投影光学方法
S01 照明方法
S02 图像/数据处理方法
S03 成像方法
500 光学透视头戴显示器
502 主机
503 眼镜
504 夹片
505 枢轴
具体实施方式
请参照图1，图1为本发明实施例的一微型投影光学装置100的方块图。本实施例所揭露的微型投影光学装置100，其中包含一成像模组20、一照明模组30以及一图像/数据处理模组40。该照明模组30为成像模组20提供照明，该图像/数据处理模40组接收外界图像/数据并进行辩识与处理，且经处理后的图像/数据传送至成像模组20。
请参照图2，图2为本发明实施例的一光学透视头戴显示器(head-mounted display；HMD)200的方块图。本实施例所揭露的光学透视头戴显示器200，其中包含一微型投影光学装置100及其中任一项的模组。
请参照图3，图3为本发明实施例的一微型投影光学装置100的示意图。本实施例所揭露的微型投影光学装置100可应用于光学透视头戴式显示器200，其中包含一成像模组20、一照明模组30以及一图像/数据处理模组40。
其中成像模组20包含一镜片组单元201，可将液晶显示单元202上的电子信号图像205投影进入人眼，使得使用者可以直接观察到液晶显示单元202上的电子信号图像205而不需要屏幕，再利用分光镜(beam splitter)单元203结合外界图像53与电子信号图像205，以达可视穿的效果。其中，该成像模组中的极化分光镜(polarized beamsplitter；PBS)单元204，偏振来自照明模组30的均匀光线并提供照明至液晶显示单元202。
其中照明模组30，包含一三色发光二极管(RGB LED)301为该照明模组的光源，并利用一准直镜(collimator)单元302以及一微透镜阵列(micro lens array)单元303以及一集光镜(condenser)单元304均匀化该光源的光线，并提供均匀照明至硅基液晶显示单元202。且因使用三色发光二极管为光源，可利用色序法来达到不同颜色的混光，并可免除使用色彩滤光片，以达轻量化的功效。
其中图像/数据处理模组40，该图像处理模组包含一图像/数据输入单元401，一图像/数据处理单元402，以及一信号输出单元403，该图像/数据输入单元401接收外界图像/数据并利用图像/数据处理单元402进行辩识与处理，该信号输出单元403可将经图像/数据处理单元402处理后的图像/数据以电子信号404传送至液晶显示单元202上，以提供使用者即时信息。
当使用者(如眼睛51所示的位置)通过应用轻量化的微型投影光学装置100的光学透视头戴显示器200而观看位于使用者前方的物体52时，外界图像53经由分光镜单元203穿透至使用者的眼睛51，还有一部份的图像通过成像模组20，将液晶显示单元202上的电子信号图像205投影进入使用者的眼睛51，使得使用者可以直接观察到液晶显示单元202上的图像而不需要屏幕。
在一较佳的实施例中，本发明的一微型投影光学装置100，其中该液晶显示单元是一硅基液晶显示面板，其中该三色发光二极管是一阵列式三色发光二极管，其中该微透镜阵列单元是一单片式微透镜阵列。
当在晴空的室外使用头戴式显示器时，光学系统中光源强度的调整格外重要，本发明的轻量化的微型投影光学装置中照明模组，因以阵列式三色发光二极管为光源，可大幅提升照度，且利用一准直镜单元以及一单片式微透镜阵列单元以及一集光镜单元均匀化该光源的光线并提供照明至液晶显示单元，因此在晴空的室外使用头戴式显示器时，使用者仍可清楚辨识来自此轻量化的微型投影光学装置100的图像，解决现有头戴式显示器在晴空的室外无法清楚辨识来自投影机光学系统的图像的问题。
请参照图4，图4为本发明实施例的一微型投影光学方法400的流程图。本实施例所揭露的微型投影光学方法400可应用于光学透视头戴式显示器200，其中包含一照明方法S01、一图像/数据处理方法S02以及一成像方法S03。
其中照明方法S01是通过一三色发光二极管做为光源，提供液晶显示单元照明。并利用一准直镜单元、一微透镜阵列单元以及一集光镜单元以达光线均匀化。还利用色序法来达到不同颜色的混光，以在显示单元上达到均匀的照明，并可免除使用色彩滤光片，以达轻量化的功效。
其中图像/数据处理方法S02是通过一图像/数据输入单元接收外界图像/数据，并利用一图像/数据处理单元进行图像/数据处理，还利用一信号输出单元将经图像/数据处理后的图像/数据以电子信号形式传送至液晶显示单元上以供使用者观察。
其中成像方法S03是通过一液晶显示单元接收电子信号，并投射一依据该电子信号所形成的电子信号图像至使用者的眼睛。并利用一镜片组单元通过一分光镜单元结合外界影像与面板影像，将液晶显示单元上的图像投影进入人眼。更进一步包含利用一极化分光镜单元，该极化分光镜单元偏振来自照明模组的均匀光线并提供照明至液晶显示单元。
在一较佳的实施例中，本发明的一微型投影光学方法400，其中该液晶显示单元是一硅基液晶显示面板，其中该三色发光二极管是一阵列式三色发光二极管，其中该微透镜阵列单元是一单片式微透镜阵列。
请参照图5，图5为本发明实施例的一光学透视头戴显示器500的侧视图。光学透视头戴显示器500包含本发明的微型投影光学装置100及光学透视头戴显示器的主机502，主机502包括电路板、触控板、按键、LED、感测器、电池、喇叭及麦克风等元件，光学透视头戴显示器500可配合市售任一眼镜503使用。
请参照图6，图6为本发明实施例的一光学透视头戴显示器500的俯视图。光学透视头戴显示器500可通过一外挂装置如夹片504及枢轴505与眼镜503的镜脚结合，并利用微型投影光学装置100接收外界图像/数据并将处理后的图像/数据供使用者观察，其中光学透视头戴显示器500还包括主机502，主机502可用来接收使用者利用触控板、按键、麦克风等输入装置所输入的指令，并利用感测器感测外界温度、湿度、气压、加速度等环境信息，经电路板上的电路与芯片处理来自输入装置与感测器的数据后，输出至喇叭及微型投影光学装置100的成像模组以供使用者聆听与观看。
请参照图7，图7为本发明实施例的一光学透视头戴显示器500的A-A剖面图。光学透视头戴显示器500的主机502可通过一外挂装置包含夹片504及枢轴505与眼镜503的镜脚结合，由图7可知夹片504以枢轴505为支点将眼镜503的镜脚夹持于主机502与夹片504之间。
现有市面上头戴式眼镜显示器其投影机光学系统与眼镜本体一体成型，无法与消费者原有习惯使用的眼镜搭配，因此当消费者有使用头戴式眼镜显示器的需求时，必须舍弃原有已习惯使用的眼镜另外购买无度数或客制化订制度数的头戴式眼镜显示器。
本实施例揭露的微型投影光学装置可借由一外挂装置应用于现有市面上任何眼镜，因此消费者可配戴原有已习惯使用的眼镜搭配本发明的光学透视头戴显示器500，便可将原有的眼镜升级为头戴式眼镜显示器。
所属领域的技术人员当可了解，在不违背本发明精神下，依据本案实施态样所能进行的各种变化。因此，显见所列的实施态样并非用以限制本发明，而是企图在所附权利要求的定义下，涵盖于本发明的精神与范畴中所做的修改。
Claims (22)
1.一微型投影光学装置，其特征在于，包含：
一成像模组，包含
一液晶显示单元，接收一电子信号，并基于该电子信号，形成一电子信号图像并投射至使用者的眼睛；
一照明模组，包含
一三色发光二极管，为该照明模组的光源；以及，
一微透镜阵列单元，均匀化该光源的光线，且提供照明至该液晶显示单元。
2.如权利要求1所述的微型投影光学装置，其特征在于，该液晶显示单元是一硅基液晶显示面板，其中该三色发光二极管是一阵列式三色发光二极管，其中该微透镜阵列单元是一单片式微透镜阵列。
3.如权利要求1所述的微型投影光学装置，其特征在于，该成像模组还包含一镜片组单元以及一分光镜单元，该镜片组单元通过该分光镜单元结合一外界图像与该电子信号图像，将该液晶显示单元上的电子信号图像投影进入人眼。
4.如权利要求1所述的微型投影光学装置，其特征在于，该成像模组还包含一极化分光镜单元，该极化分光镜单元偏振来自该照明模组的均匀光线并提供照明至该液晶显示单元。
5.如权利要求1所述的微型投影光学装置，其特征在于，该照明模组是通过该微透镜阵列单元、一准直镜单元以及一集光镜单元均匀化该光源的光线。
6.如权利要求1所述的微型投影光学装置，其特征在于，该照明模组，是利用色序法来达到不同颜色的混光，以提供均匀照明至该液晶显示单元。
7.如权利要求1所述的微型投影光学装置，其特征在于，还包括一图像/数据处理模组，该图像/数据处理模组包含一图像/数据输入单元、一图像/数据处理单元以及一信号输出单元，该图像/数据输入单元接收外界图像/数据，并通过该图像/数据处理单元进行图像/数据处理，该信号输出单元将经图像/数据处理后的图像/数据以电子信号形式传送至该液晶显示单元上以供使用者观察。
8.一种光学透视头戴显示器，包含一微型投影光学装置，其特征在于，该微型投影光学装置具有如权利要求1至7任一项所述的模组。
9.如权利要求8所述的光学透视头戴显示器，其特征在于，该光学透视头戴显示器还包含一主机，其中该主机具有至少一电路板、多个输入/输出单元、多个感测单元及至少一电池。
10.如权利要求9所述的光学透视头戴显示器，其特征在于，该光学透视头戴显示器是通过一外挂装置结合一眼镜。
11.如权利要求10所述的光学透视头戴显示器，其特征在于，该外挂装置包含一枢轴及一夹片，该外挂装置通过该枢轴与该主机连接，并利用该夹片夹持一眼镜的一镜脚。
12.一微型投影光学方法，其特征在于，包含：
以一液晶显示单元接收电子信号；
基于该电子信号，形成一电子信号图像并投射至使用者的眼睛；
提供一三色发光二极管为照明模组的光源；以及
以一微透镜阵列单元均匀化该光源的光线，且提供照明至液晶显示单元。
13.如权利要求12所述的微型投影光学方法，其特征在于，该液晶显示单元是一硅基液晶显示面板，其中该三色发光二极管是一阵列式三色发光二极管，其中该微透镜阵列单元是一单片式微透镜阵列。
14.如权利要求12所述的微型投影光学方法，其特征在于，还包含：
利用一镜片组单元通过一分光镜单元结合一外界图像与该电子信号图像，将液晶显示单元上的电子信号图像投影进入人眼。
15.如权利要求12所述的微型投影光学方法，其特征在于，还包含：
利用一极化分光镜单元偏振来自照明模组的均匀光线并提供照明至液晶显示单元。
16.如权利要求12所述的微型投影光学方法，其特征在于，还包含：
通过该微透镜阵列单元、一准直镜单元以及一集光镜单元均匀化该光源的光线。
17.如权利要求12所述的微型投影光学方法，其特征在于，是利用色序法来达到不同颜色的混光，以提供均匀照明至液晶显示单元。
18.如权利要求12所述的微型投影光学方法，其特征在于，还包括通过一图像/数据输入单元接收外界图像/数据，并利用一图像/数据处理单元进行图像/数据处理，还利用一信号输出单元将经图像/数据处理后的图像/数据以电子信号形式传送至液晶显示单元上以供使用者观察。
19.一种光学透视头戴显示器，包含利用一微型投影光学方法，其特征在于，该微型投影光学方法具有如权利要求12至18任一项所述的方法。
20.如权利要求19所述的光学透视头戴显示器，其特征在于，该光学透视头戴显示器还包含一主机，其中该主机具有至少一电路板、多个输入/输出单元、多个感测单元及至少一电池。
21.如权利要求20所述的光学透视头戴显示器，其特征在于，该光学透视头戴显示器是通过一外挂装置结合一眼镜。
22.如权利要求21所述的光学透视头戴显示器，其特征在于，该外挂装置包含一枢轴及一夹片，该外挂装置通过该枢轴与该主机连接，并利用该夹片夹持一眼镜的一镜脚。
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Application publication date: 20161019 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |