CN106526845B - 显示系统及其适用的头戴式显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明关于一种显示系统，包括光积分柱、固态发光元件、第一全内反射棱镜、反射镜、第二全内反射棱镜、数字微镜装置及目镜。固态发光元件设置于光积分柱的入口端。第一全内反射棱镜具有第一表面、第二表面及第三表面，且第一表面邻设于光积分柱的出口端。反射镜设置于第二表面。第二全内反射棱镜具有第四表面、第五表面及第六表面，且第四表面与第三表面相接触；数字微镜装置邻设于第五表面。目镜邻设于第六表面。光线沿照明光路径入射至数字微镜装置，再沿成像光路径投射至成像面。藉此，可使显示系统的体积有效地被缩减。

Description

显示系统及其适用的头戴式显示器
技术领域
本发明关于一种显示系统，尤指一种显示系统及其适用的头戴式显示器。
背景技术
近年来，头戴式显示器以及近眼显示器已成为科技产品的一种研发方向，期能为使用者带来更便利的生活，甚至进一步应用于物联网中。
一般而言，现行的头戴式显示器多以眼镜造型呈现。请参阅图1，其显示传统头戴式显示器的结构示意图。如图1所示，现行的传统头戴式显示器1通常将光学装置11设置在眼镜框架12上，并通过光路的设计使影像或光线能投射至使用者的眼睛E中，以令使用者得以看见影像。然而，此种传统头戴式显示器1因为受限于光学装置11及眼镜框架12的厚度，显得十分笨重，往往造成使用者体验不佳而不愿使用。
为改善此种使用者体验，另一形式的传统头戴式显示器遂被开发出来。请参阅图2，其显示另一传统头戴式显示器的结构示意图。如图2所示，此形式的传统头戴式显示器2将光学装置的一部份设置于眼镜框架20上，故相较于前述传统头戴式显示器1，可稍微地减低眼镜本体21的厚度。然而，由于眼镜本体21中仍须设置显示装置、目镜及反射镜等元件，故眼镜本体21实际上仍具有一定的厚度，无法真正达到类似眼镜的外观。
同时，由于前述的传统头戴式显示器一般采用有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode,OLED)面板。因为有机发光二极管面板的面积较大，且其面板的像素属于自发光的全向性照射，不仅会使头戴式显示器的体积无法有效地缩减，更会因为全向性发光的特性造成大量光的浪费，进而导致大量耗电。
故此，如何发展一种显示系统及其适用的头戴式显示器，以使头戴式显示器的体积能够有效地被缩减，同时大量提升光的利用率，实为目前尚待解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的为提供一种显示系统及其适用的头戴式显示器，俾解决前述现有技术存在的各项问题与缺点。
本发明的另一目的为提供一种显示系统及其适用的头戴式显示器，藉由设置第一全内反射棱镜及第二全内反射棱镜，并使第一全内反射棱镜的第三表面与第二全内反射棱镜的第四表面相接触，可使照明光路径与成像光路径共用第一全内反射棱镜及第二全内反射棱镜，进而使得显示系统的体积有效地被缩减。
本发明的另一目的为提供一种显示系统及其适用的头戴式显示器，通过选用多个发光二极管作为固态照明元件，用照明中继光路(Relay lens)以转换发光二极管端的出射角到进入微型面板的入射角，可使得发光二极管所发出的光完全地被应用，大幅提升发光效率以及光的利用率。
本发明的另一目的为提供一种显示系统及其适用的头戴式显示器，通过采用一波导棱镜元件，有效地保持成像光线的入射角度，且由于波导棱镜的薄板外观，可使得头戴式显示器的体积有效地被缩减。
为达上述目的，本发明的一较佳实施态样为提供一种显示系统，包括：一光积分柱；一固态发光元件，设置于该光积分柱的一入口端，用以发出一光线至该光积分柱；一第一全内反射棱镜，具有一第一表面、一第二表面及一第三表面，其中该第一表面邻设于该光积分柱的一出口端；一反射镜，设置于该第二表面；一第二全内反射棱镜，具有一第四表面、一第五表面及一第六表面，其中该第四表面与该第三表面相接触；一数字微镜装置，邻设于该第五表面；以及一目镜，邻设于该第六表面；其中，该光线沿一照明光路径依序穿透该光积分柱，自该第一表面入射至该第一全内反射棱镜，受该第三表面及该反射镜反射，而后穿透该第三表面、该第四表面及该第五表面，以入射至该数字微镜装置，再沿一成像光路径依序受该数字微镜装置反射，自该第五表面入射至该第二全内反射棱镜，再受该第四表面反射，而后穿透该第六表面以及该目镜，俾投射至一成像面。
为达上述目的，本发明的另一较佳实施态样为提供一种头戴式显示器，包括：一框体；一显示系统，包括：一光积分柱；一固态发光元件，设置于该光积分柱的一入口端，用以发出一光线至该光积分柱；一第一全内反射棱镜，具有一第一表面、一第二表面及一第三表面，其中该第一表面邻设于该光积分柱的一出口端；一反射镜，设置于该第二表面；一第二全内反射棱镜，具有一第四表面、一第五表面及一第六表面，其中该第四表面与该第三表面相接触；一数字微镜装置，邻设于该第五表面；以及一目镜，邻设于该第六表面；其中，该光线沿一照明光路径依序穿透该光积分柱，自该第一表面入射至该第一全内反射棱镜，受该第三表面及该反射镜反射，而后穿透该第三表面、该第四表面及该第五表面，以入射至该数字微镜装置，再沿一成像光路径依序受该数字微镜装置反射，自该第五表面入射至该第二全内反射棱镜，再受该第四表面反射，而后穿透该第六表面以及该目镜，俾投射至一成像面(对应于眼睛的瞳孔)；以及一波导元件，与该成像面重叠设置，以使成像光线的入射角度差异介于正15度角至负15度角之间(不同入射角度对应于数字微镜的不同位置，而波导元件传导不变的入射角度于眼睛的瞳孔)；其中，该框体、该固态发光元件、该光积分柱、该第一全内反射棱镜、该数字微镜装置、该第二全内反射棱镜、该目镜及该波导元件依序设置于一直线上。
附图说明
图1是显示传统头戴式显示器的结构示意图。
图2是显示另一传统头戴式显示器的结构示意图。
图3是显示本发明较佳实施例的显示系统的结构示意图。
图4是显示本发明较佳实施例的头戴式显示器的结构示意图。
其中，附图标记：
1：传统头戴式显示器
11：光学装置
12：眼镜框架
2：传统头戴式显示器
20：眼镜框架
21：眼镜本体
E：眼睛
3：显示系统
31：光积分柱
311：入口端
312：出口端
32：固态发光元件
33：第一全内反射棱镜
34：反射镜
35：第二全内反射棱镜
36：数字微镜装置
37：目镜
370：凹透镜
371：第一凸透镜
372：第二凸透镜
38：成像面
4：头戴式显示器
41：框体
42：波导元件
42U：上底面
A1：第一光轴
A2：第二光轴
L：直线
S1：第一表面
S2：第二表面
S3：第三表面
S4：第四表面
S5：第五表面
S6：第六表面
具体实施方式
体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非架构于限制本发明。
请参阅图3，其是显示本发明较佳实施例的显示系统的结构示意图。如图3所示，本发明的显示系统3包括光积分柱31、固态发光元件32、第一全内反射棱镜33、反射镜34、第二全内反射棱镜35、数字微镜装置(Digital Micromirror Device,DMD)36及目镜37。其中，固态发光元件32设置于光积分柱31的入口端311，用以发出一光线至光积分柱31。第一全内反射棱镜33具有第一表面S1、第二表面S2及第三表面S3，第一表面S1邻设于光积分柱31的出口端312。反射镜34设置于第一全内反射棱镜33的第二表面S2，且较佳形成于该第二表面S2，例如镀覆于第二表面S2，但不以此为限。第二全内反射棱镜35具有第四表面S4、第五表面S5及第六表面S6，该第四表面S4与第一全内反射棱镜33的第三表面S3相接触。数字微镜装置36邻设于第五表面S5，目镜37邻设于第六表面S6。
固态发光元件32发出的光线沿一照明光路径依序穿透光积分柱31，自第一表面S1入射至第一全内反射棱镜33，受第三表面S3及反射镜34反射，而后穿透第三表面S3、第四表面S4及第五表面S5，以入射至数字微镜装置36，再沿一成像光路径依序受数字微镜装置36反射，自第五表面S5入射至第二全内反射棱镜35，再受第四表面S4反射，而后穿透第六表面S6以及目镜37，俾投射至一成像面38，其中光积分柱31的出口端312及成像面38互为共轭面。换言之，本发明藉由设置第一全内反射棱镜33及第二全内反射棱镜35，并使第一全内反射棱镜33的第三表面S3与第二全内反射棱镜35的第四表面S4相接触，可使照明光路径与成像光路径共用第一全内反射棱镜33及第二全内反射棱镜35，进而使得显示系统3的体积有效地被缩减。
于此实施例中，第一全内反射棱镜33较佳为一三角柱体，且第一全内反射棱镜33的第一表面S1、第二表面S2及第三表面S3较佳以顺时针方向依序排列，但不以此为限。第二全内反射棱镜35较佳为一三角柱体，且第二全内反射棱镜35的第四表面S4、第五表面S5及第六表面S6较佳以逆时针方向依序排列，然亦不以此为限。此外，第一全内反射棱镜33与第二全内反射棱镜35共同设置于光积分柱31及目镜37之间。
于一些实施例中，固态发光元件32包括多个发光二极管，光积分柱31为一锥形柱体，且固态发光元件32与光积分柱31相连接，以使发光二极管发出的光线完全地被导入光积分柱31中，利用发光二极管的指向性照明(用照明中继光路以转换发光二极管端的出射角到进入微型面板的入射角)，可使发出的光线于照明光路径及成像光路径中完全地被应用，进而大幅提升发光效率以及光的利用率。
根据本发明的构想，固态发光元件32发出的光线沿一第一光轴A1自光积分柱31入射至第一全内反射棱镜33，且该光线沿一第二光轴A2自第二全内反射棱镜35入射至目镜37。其中，第一光轴A1的延伸及第二光轴A2的延伸的夹角小于或等于15度角。较佳地，第一光轴A1与第二光轴A2相互平行，但不以此为限。
于一些实施例中，固态发光元件32、光积分柱31、第一全内反射棱镜33、数字微镜装置36、第二全内反射棱镜35、目镜37及成像面38依序设置于一直线L上，应注意的是本发明的显示系统3的主要元件无须如现有技术迁就光路转折而设置于不同直线上，故可使得显示系统3的体积有效地被缩减。进一步地，为有效提升影像于成像面38的解析度，本发明的目镜37较佳包括凹透镜370、第一凸透镜371及第二凸透镜372，且凹透镜370、第一凸透镜371及第二凸透镜372沿成像光路径依序设置。简言之，凹透镜370、第一凸透镜371及第二凸透镜372亦依序设置于直线L上。
请参阅图4并配合图3，其中图4显示本发明较佳实施例的头戴式显示器的结构示意图。如图3及图4所示，本发明的显示系统3及头戴式显示器4可包括波导元件42，波导元件42为一梯形棱镜，且该梯形棱镜的一上底面42U及上底面42U的延伸与成像面38的延伸重叠设置，以使成像光线的入射角度差异介于正15度角至负15度角之间，但不以此为限。同时，由于梯形棱镜的薄板外观，可使得头戴式显示器4的体积有效地被缩减。
于较佳实施例中，本发明的头戴式显示器4包括框体41、显示系统3及波导元件42。其中，显示系统3包括光积分柱31、固态发光元件32、第一全内反射棱镜33、反射镜34、第二全内反射棱镜35、数字微镜装置36及目镜37，由于该等元件与前述实施例所述的光积分柱31、固态发光元件32、第一全内反射棱镜33、反射镜34、第二全内反射棱镜35、数字微镜装置36及目镜37相同，故于此不再赘述。于本发明头戴式显示器4中，波导元件42的上底面42U及其延伸与成像面38的延伸重叠设置，以使成像光线的入射角度差异介于正15度角至负15度角之间。同时，框体41、固态发光元件32、光积分柱31、第一全内反射棱镜33、数字微镜装置36、第二全内反射棱镜35、目镜37及波导元件42依序设置于一直线L上。应注意的是本发明将显示系统3的全部主要元件设置于同一直线上，可使得显示系统3及头戴式显示器4的体积有效地被缩减，且无须如现有技术迁就光路转折而使体积受限于主要元件的设置。
此外，本发明的显示系统3可进一步地整合设置于框体41内，亦即显示系统3被框体41完整包覆，进而形成例如眼镜镜架的外观，但不以此为限。换句话说，当本发明的头戴式显示器4制成如眼镜的外观时，眼镜镜体部分仅有波导元件，故可使镜体部分的体积与传统眼镜相仿，使得使用者体验大幅提升。
综上所述，本发明提供一种显示系统及其适用的头戴式显示器，藉由设置第一全内反射棱镜及第二全内反射棱镜，并使第一全内反射棱镜的第三表面与第二全内反射棱镜的第四表面相接触，可使照明光路径与成像光路径共用第一全内反射棱镜及第二全内反射棱镜，进而使得显示系统的体积有效地被缩减。此外，通过选用多个发光二极管作为固态发光元件，因发光二极管的指向性照明元件特性，可使得发光二极管所发出的光完全地被应用，大幅提升发光效率以及光的利用率。同时，通过采用一梯形棱镜作为波导元件，并使波导元件的一端与对应于以眼睛瞳孔的成像面重叠设置，可有效地保持成像光线的入射角度，且由于梯形棱镜的薄板外观，可使得头戴式显示器的体积有效地被缩减。
纵使本发明已由上述的实施例详细叙述而可由熟悉本技艺的人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附申请专利范围所欲保护者。

Claims (14)

1.一种显示系统，其特征在于，包括：
一光积分柱；
一固态发光元件，设置于该光积分柱的一入口端，用以发出一光线至该光积分柱；
一第一全内反射棱镜，具有一第一表面、一第二表面及一第三表面，其中该第一表面邻设于该光积分柱的一出口端；
一反射镜，设置于该第二表面；
一第二全内反射棱镜，具有一第四表面、一第五表面及一第六表面，其中该第四表面与该第三表面相接触；
一数字微镜装置，邻设于该第五表面；以及
一目镜，邻设于该第六表面；
其中，该光线沿一照明光路径依序穿透该光积分柱，自该第一表面入射至该第一全内反射棱镜，受该第三表面及该反射镜反射，而后穿透该第三表面、该第四表面及该第五表面，以入射至该数字微镜装置，再沿一成像光路径依序受该数字微镜装置反射，自该第五表面入射至该第二全内反射棱镜，再受该第四表面反射，而后穿透该第六表面以及该目镜，被投射至一成像面；
该固态发光元件、该光积分柱、该第一全内反射棱镜、该数字微镜装置、该第二全内反射棱镜、该目镜及该成像面依序设置于一直线上。
2.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，该固态发光元件与该光积分柱相连接。
3.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，该光线沿一第一光轴自该光积分柱入射至该第一全内反射棱镜，且该光线沿一第二光轴自该第二全内反射棱镜入射至该目镜。
4.根据权利要求3所述的显示系统，其特征在于，该第一光轴的延伸及该第二光轴的延伸的夹角小于或等于15度角。
5.根据权利要求3所述的显示系统，其特征在于，该第一光轴与该第二光轴相互平行。
6.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，该第一全内反射棱镜为一三角柱体，该第二全内反射棱镜为一三角柱体，且该第一全内反射棱镜与该第二全内反射棱镜共同设置于该光积分柱及该目镜之间。
7.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，该光积分柱的该出口端及该成像面互为共轭面。
8.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，更包括一波导元件，该波导元件为一梯形棱镜，且该梯形棱镜的一上底面及该上底面的延伸与该成像面的延伸重叠设置，以使成像光线的入射角度差异介于正15度角至负15度角之间。
9.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，该目镜包括一凹透镜、一第一凸透镜及一第二凸透镜，且该凹透镜、该第一凸透镜及该第二凸透镜沿该成像光路径依序设置。
10.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，该光积分柱为一锥形柱体。
11.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，该固态发光元件包括至少一个发光二极管。
12.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，该反射镜形成于该第二表面。
13.一种头戴式显示器，其特征在于，包括：
一框体；
一显示系统，包括：
一光积分柱；
一固态发光元件，设置于该光积分柱的一入口端，用以发出一光线至该光积分柱；
一第一全内反射棱镜，具有一第一表面、一第二表面及一第三表面，其中该第一表面邻设于该光积分柱的一出口端；
一反射镜，设置于该第二表面；
一第二全内反射棱镜，具有一第四表面、一第五表面及一第六表面，其中该第四表面与该第三表面相接触；
一数字微镜装置，邻设于该第五表面；以及
一目镜，邻设于该第六表面；
其中，该光线沿一照明光路径依序穿透该光积分柱，自该第一表面入射至该第一全内反射棱镜，受该第三表面及该反射镜反射，而后穿透该第三表面、该第四表面及该第五表面，以入射至该数字微镜装置，再沿一成像光路径依序受该数字微镜装置反射，自该第五表面入射至该第二全内反射棱镜，再受该第四表面反射，而后穿透该第六表面以及该目镜，被投射至一成像面；以及
一波导元件，与该成像面重叠设置，以使成像光线的入射角度差异介于正15度角至负15度角之间；
其中，该框体、该固态发光元件、该光积分柱、该第一全内反射棱镜、该数字微镜装置、该第二全内反射棱镜、该目镜及该波导元件依序设置于一直线上。
14.根据权利要求13所述的头戴式显示器，其特征在于，该显示系统整合设置于该框体内。
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