CN108333750A - 近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

一种近眼显示装置，包含影像输出模块、编码孔径模块以及导光组件。影像输出模块用以提供至少一影像。编码孔径模块用以编码来自影像输出模块至少一影像的光线，而产生至少一左眼影像与至少一右眼影像。导光组件用以将左眼影像与右眼影像分别往不同方向传送。

Description

近眼显示装置

技术领域

本发明涉及一种近眼显示装置。

背景技术

我们生活在三维的世界，然而传统的显示技术仅仅提供缺少深度信息的二维显示。二维显示大大限制了人们对丰富多彩世界获取认知的信息量。电子技术、光学技术和光电子技术等的快速发展促进了三维显示技术发展。三维显示技术提供显示物体的深度信息，契合现代人对于信息获取的需求。所以三维技术在学术界和商业界得到广泛的关注。

光场近眼显示技术是实现三维显示的一种最简便的方法。在近眼显示中引入了光场重构的概念，对于任一三维重构点至少有二根光线进入瞳孔，从而人眼可以方便地对不同深度的图像进行自由调焦，使得观看更加接近真实和自然。现有的光场近眼显示技术采用空间多工(spatial-multiplex)方法，其利用透镜阵列产生多个视角的影像来达到光场效果，但此方法也降低了影像的解析度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种近眼显示装置，采用时间多工(time-multiplex)显示方法与并配合多个不同的反射图案对影像进行编码，利用视觉暂留重叠多个经编码图案的光线，可达到光场效果。于此，同时提供带有左右眼信息的影像图案，并通过导光组件分别取出左右眼信息，可避免因左右眼的时间多工而造成亮度下降。

为了实现上述目的，本发明提供了一种近眼显示装置，包含影像输出模块、编码孔径模块以及导光组件。影像输出模块用以提供至少一影像。编码孔径模块用以编码来自影像输出模块的至少一影像的光线而产生至少一左眼影像与至少一右眼影像。导光组件用以将左眼影像与右眼影像分别往不同方向传送。

于本发明的部分实施方式中，导光组件用以将左眼影像与右眼影像往实质上相反的两方向传送。

于本发明的部分实施方式中，导光组件包含至少一分光镜。

于本发明的部分实施方式中，导光组件包含第一分光界面以及第二分光界面。第一分光界面对应编码孔径模块的第一区域。第二分光界面对应编码孔径模块的第二区域，其中第一分光界面不平行于第二分光界面。

于本发明的部分实施方式中，影像输出模块包含多个微型发光二极管。

于本发明的部分实施方式中，编码孔径模块为硅基液晶(Liquid Crystal OnSilicon；LCOS)。

于本发明的部分实施方式中，近眼显示装置还包含至少一透镜群以及至少一偏振分光镜。透镜群光学耦合导光组件的至少一出光路径。偏振分光镜光学耦合透镜群的出光路径。

于本发明的部分实施方式中，近眼显示装置还包含至少一反射镜以及至少一目镜组，偏振分光镜位于反射镜与目镜组之间。

于本发明的部分实施方式中，反射镜为凹面镜。

于本发明的部分实施方式中，二个该些透镜群分别设置于该导光组件的相对两侧。

于本发明的部分实施方式中，近眼显示装置还包含偏振片，用以将影像的光线转换为偏振光后传送至编码孔径模块。

于本发明的部分实施方式中，导光组件包含第一分光镜以及第二分光镜，其中该第一分光镜与该第二分光镜结构相连。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明的部分实施方式的近眼显示装置的上视示意图；

图2为图1的近眼显示装置的光路示意图；

图3为图1的近眼显示装置的部分元件的立体示意图；

图4为本发明的部分实施方式的近眼显示装置的部分元件的上视示意图。

其中，附图标记

100：近眼显示装置 154a：棱镜

110：影像输出模块 154b：棱镜

120：物镜组 160：偏振片

122：第一透镜群 170：四分之一波板

124：第二透镜群 182：偏振分光镜

126：第三透镜群 184：偏振分光镜

130：编码孔径模块 186：四分之一波板

142：第一目镜组 188：四分之一波板

144：第二目镜组 192：反射镜

150：导光组件 194：反射镜

150a：第一分光镜 R1：第一区域

150b：第二分光镜 R2：第二区域

152：第一分光界面 P1：第一位置

152a：棱镜 P2：第二位置

152b：棱镜

154：第二分光界面

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

图1为本发明的部分实施方式的近眼显示装置100的上视示意图。图2为图1的近眼显示装置100的光路示意图。同时参照图1与图2。近眼显示装置100包含影像输出模块110、物镜组120、编码孔径(coded aperture)模块130、第一目镜组142、第二目镜组144与导光组件150。影像输出模块110用以提供至少一影像。物镜组120用以接收影像的光线，其中物镜组120包含第一透镜群122、第二透镜群124以及第三透镜群126。编码孔径模块130用以编码来自第一透镜群122的影像的光线而产生一左眼影像以及一右眼影像。导光组件150用以将左眼影像与右眼影像分别往不同方向传送。举例来说，导光组件150可将左眼影像与右眼影像往实质上相反的两方向传送。

进一步来说，编码孔径模块130包含相邻的第一区域R1以及第二区域R2，第一区域R1能够将其所接收的影像的光线转换为左眼影像，第二区域R2能够将其所接收的影像的光线转换为右眼影像。导光组件150用以将左眼影像传送至第二透镜群124、第一目镜组142，而第一目镜组142用以将左眼影像传送至第一位置P1。导光组件150用以将右眼影像传送至第三透镜群126、第二目镜组144，而第二目镜组144用以将右眼影像传送至第二位置P2。

于本发明的部分实施方式中，近眼显示装置100还包含偏振片160，用以将影像的光线转换为偏振光后传送至编码孔径模块130。于部分实施方式中，偏振片160可以是吸收型的偏振片，举例而言，偏振片160可以吸收s偏振光，让p偏振光穿过。于部分实施方式中，近眼显示装置100还包含四分之一波板170，其接收来自影像输出模块110的影像的光线并将该影像的光线传送至该偏振片160。在此偏振光系统中，四分之一波板170的运用可以消除经编码孔径模块130后不要的光。举例而言，偏振片160让p偏振光穿过后，p偏振光经编码孔径模块130选择性地转换为s偏振光或保留原本的偏振状态。于部分实施方式中，经编码孔径模块130后的p偏振光在第一分光界面152或第二分光界面反射到目镜，最后到瞳孔。经编码孔径模块130后的p偏振光，穿过第一分光界面152或第二分光界面，回到并穿过偏振片160后，被透镜界面或影像输出模块110吸收或反射，再回到偏振片160，因为经两次穿过四分之一波板170，转换为s偏振光而被偏振片160吸收滤掉。至此，四分之一波板170可以降低界面反射等因素所造成的干扰。应了解到，于此s偏振光与s偏振光仅表示偏振方向互相垂直的两种线偏振光，不应以此范例限制偏振片160与编码孔径模块130的设计关系。

应理解到，图2中，由于光路(光线前进的方向)繁杂，部分的光路并未完整绘出，例如输送至编码孔径模块130后被反射至第一分光界面152以及第二分光界面154的光路，但此部分并不影响本领域技术人员理解本案的设计规则，因此不应以光路绘示的完整或准确与否而限制本发明的范围。

图3为图1的近眼显示装置100的编码孔径模块130的立体示意图。同时参照图1至图3。编码孔径模块130可以包含基板132以及多个像素134，像素134控制光线的特性，从而决定对影像的光线进行编码。于本发明的部分实施方式中，编码孔径模块130可为硅基液晶(Liquid Crystal On Silicon；LCOS)。LCOS中，在硅基板132上，每个像素134包含主动元件(未绘示)、反射层(未绘示)、液晶层(未绘示)以及上电极层，液晶层夹设于反射层与上电极层之间，并使液晶层的配向方向搭配偏振片160的方向，如此一来，各个像素134可决定是否转换光线的偏振态。光线被反射后，偏振态经转换的光线将会受到导光组件150的反射，偏振态未经转换的光线将会穿透导光组件150，而不反射至第二透镜群124与第三透镜群126。

于本发明的部分实施方式中，导光组件150包含第一分光界面152以及第二分光界面154。第一分光界面152以及第二分光界面154为偏振分光界面。在此，第一分光界面152以及第二分光界面154的偏振分光性质相同。第一分光界面152以及第二分光界面154的分光性质可以与偏振片160搭配，而使来自偏振片160的光线穿透。举例而言，第一分光界面152以及第二分光界面154可反射s偏振光，并使p偏振光穿透，此时偏振片160可设计为使p偏振光穿透。或者，第一分光界面152以及第二分光界面154可反射p偏振光，并使s偏振光穿透，此时偏振片160可设计为使s偏振光穿透。

于部分实施方式中，第一分光界面152以及第二分光界面154的配置将编码孔径模块130划分为第一区域R1以及第二区域R2，具体而言，第一分光界面152用以使来自第一透镜群122的第一部分的影像的光线穿过而抵达第一区域R1，且当第一区域R1反射此第一部分的影像的光线后，第一分光界面152可将来自第一区域R1的第一部份的影像的光线反射至第二透镜群124。第二分光界面154用以使来自第一透镜群122的第二部分的影像的光线穿过而抵达第二区域R2，且当第二区域R2反射此第二部分的影像的光线后，第二分光界面154可将来自第二区域R2的第二部份的影像的光线反射至第三透镜群126。在此，以此第一区域R1以及第二区域R2大略地划分传送至编码孔径模块130影像的光线为第一部份以及第二部分。

于部分实施方式中，第一分光界面152以及第二分光界面154可以是相连的。第一分光界面152以及第二分光界面154的连接处可以是一直线，而使第一区域R1以及第二区域R2的连接处可以是一直线，如图3所示。于其他实施方式中，第一分光界面152以及第二分光界面154的连接处可能并非为直线，可以是曲线(未绘示)，也可以是周期性的锯齿状或弦波(未绘示)，第一区域R1以及第二区域R2的连接处可以有对应的形状。于部分实施方式中，第一分光界面152以及第二分光界面154可以是不相连的，而使第一区域R1以及第二区域R2不相连。

于此，第一区域R1以及第二区域R2位于同一编码孔径模块130(例如：LCOS)上。于其他实施方式中，第一区域R1以及第二区域R2可分别位于不同编码孔径模块130(例如：两个LCOS)上，此时第一区域R1以及第二区域R2自然不结构相连。于本发明的多个实施方式中，第一区域R1以及第二区域R2可不相连分别有各自的反射图案，两者不必然有设计上的对应关系。

于部分实施方式中，导光组件150是立方体型的分光镜。第一分光界面152以及第二分光界面154可由两个晶体所组合而成，其中一个晶体具有V型凹槽，另一个棱镜具有V型凸块，V型凹槽与V型凸块相接而有两个互不平行的界面，在界面上镀有多层透明介质薄膜(未绘示)，而形成第一分光界面152以及第二分光界面154。于本发明的多个实施方式中，第一分光界面152的分光界面与第二分光界面154互不平行。于部分实施方式中，第一分光界面152与第二分光界面154分别与系统光轴夹-45、+45度。当然不应此以角度限制本发明的范围，于其他实施方式中，可以设计第一分光界面152与第二分光界面154可以有其他角度，但仍能将光线传送至后续的光学元件。

导光组件150还可以有其他配置方式。举例而言，参考图4，图4为本发明的部分实施方式的近眼显示装置100的部分元件的上视示意图。本实施方式与图1的实施方式的差别在于：导光组件150可以包含第一分光镜150a与第二分光镜150b。于本发明的多个实施方式中，第一分光镜150a与第二分光镜150b可以是立方体型。第一分光镜150a可能由两个棱镜152a、152b所组合而成，在棱镜152a、152b相邻的界面上镀有多层透明介质薄膜(未绘示)，而形成第一分光界面152。第二分光镜150b可能由另两个棱镜154a、154b所组合而成，在棱镜154a、154b相邻的界面上镀有多层透明介质薄膜(未绘示)，而形成第二分光界面154。

于部分实施方式中，第一分光镜150a的棱镜与第二分光镜150b的棱镜相连。于部分实施方式中，第一分光镜150a以及第二分光镜150b之间可以填入透明粘着胶(未绘示)，以固定第一分光镜150a以及第二分光镜150b。于其他实施方式中，第一分光镜150a以及第二分光镜150b可以有适当的间隙，亦即两者是不相连的。

于其他实施方式中，虽然在此并未绘示，第一分光镜150a以及第二分光镜150b可以是平面型的偏振分光镜，在透明基板或薄膜透镜上镀多层透明介质薄膜(未绘示)，而形成第一分光界面152以及第二分光界面154。

再回到图1与图2，于其他实施方式中，编码孔径模块130可以不是LCOS。具体而言，编码孔径模块130中，基板132可以是透明的，像素134可包含主动元件(未绘示)、至少一电极层(未绘示)以及液晶层(未绘示)，还可以设计其他偏振片与像素134搭配，进而以决定各个像素134的穿透与否。换句话说，编码孔径模块130可以控制光线穿透的图案，其他的光线将被偏振片吸收。此时，编码孔径模块130位于导光组件150与第一透镜群122之间，导光组件150可以包含两个反射镜，而将来自第一区域R1的第一部份的影像的光线反射至第二透镜群124，且将来自第二区域R2的第二部份的影像的光线反射至第三透镜群126，至此，也可以达到导光组件150分别取出左右眼信息的功效。

于本发明的部分实施方式中，近眼显示装置100还包含偏振分光镜182、184、四分之一波板186、188以及反射镜192、194。反射镜192、194用以接收来自物镜组120的光线。于此，反射镜192、194可为凹面镜，物镜组120适用于将来自第一区域R1、第二区域R2的影像的光线分别聚集至反射镜192、194上，并在反射镜192、194上形成左眼影像、右眼影像。偏振分光镜182、184分别光学耦合物镜组120的第二透镜群124、第三透镜群126的出光路径。于此，偏振分光镜182与四分之一波板186位于反射镜192的光轴上，且偏振分光镜182还位于第一目镜组142的光轴与第二透镜群124的光轴上。于部分实施方式中，偏振分光镜182位于反射镜192与第一目镜组142之间。相似地，偏振分光镜184与四分之一波板188位于反射镜194的光轴上，且偏振分光镜184还位于第二目镜组144的光轴与第三透镜群126的光轴上。于部分实施方式中，偏振分光镜184位于反射镜194与第二目镜组144之间。

于此，图1与图2中，偏振分光镜182、184采用平面型的偏振分光镜，而导光组件150采用立方体型的偏振分光镜，当然不应以此限制本发明的范围。于其他实施方式中，亦可以配置偏振分光镜182、184采用立方体型的偏振分光镜。

于本发明的部分实施方式中，第二透镜群124与第三透镜群126分别设置于导光组件150的相对两侧，使得偏振分光镜182、184、四分之一波板186、188、反射镜192、194以及第一目镜组142与第二目镜组144亦分别设置于导光组件150的相对两侧。在配戴近眼显示装置100时，使用者的眼睛对应于第一位置P1与第二位置P2，而使影像输出模块110、物镜组120、编码孔径模块130与导光组件150在大约位于两眼中央上方的区域，例如前额至头顶。如此一来，近眼显示装置100的重量可以大致位于使用者两眼中央上方的区域，例如前额至头顶，使用者的配戴可以较为稳定。

实际操作上，影像输出模块110以时序提供N个影像，编码孔径模块130的第一区域R1以相同的时序提供N个第一编码图案，编码孔径模块130的第二区域R2以相同的时序提供N个第二编码图案。如此一来，在反射镜192上依序形成N个左眼影像，且在反射镜194上依序形成N个右眼影像。N为正整数，理想上至少为2。由于人眼视觉暂留的因素，N个左眼影像将经第一目镜组142形成一个光场，提供左眼观察，N个右眼影像经第二目镜组144将形成另一个光场，提供右眼观察。至此，可以使左右两眼分别观察到不同光场，而能有较佳景深的立体视觉效果。

于此，影像输出模块110所提供的N个影像事实上为一总影像的N个子影像，通过此N个子影像与编码孔径模块130搭配，可将此总影像转换为光场，以能有较佳景深的立体视觉效果。多个总影像可以依序提供而达成动态显示的效果，其中多个总影像可以以每秒60个的速度输出，而N个影像可以以每秒60*N个的速度输出，以达到视觉暂留的效果。

于本发明的部分实施方式中，影像输出模块110包含多个阵列排列的微型发光二极管，可通过直接操控微型发光二极管的开关而达成提供影像的目的，其效果如同以背光模块搭配显示控制面板(例如液晶面板)而提供影像。于部分实施方式中，影像输出模块110亦可以包含多个阵列排列的微型有机发光二极管。于部分实施方式中，影像输出模块110可以包含背光模块以及另一个硅基液晶，硅基液晶可以控制反射图案，进而形成影像。当然，于部分实施方式中，影像输出模块110亦可以包含背光模块以及显示控制面板(例如液晶面板)而提供影像。

于本发明的部分实施方式中，影像输出模块110可以同时提供带有左右眼信息的影像。于其他实施方式中，亦可以设计两个的影像输出模块相邻并同时分别提供左右眼信息的影像，亦可以达到相同的效果。

本发明的多个实施方式中，提供一种近眼显示装置，采用时间多工(time-multiplex)显示方法与并配合多个不同的反射图案对影像进行编码，利用视觉暂留重叠多个经编码图案的光线，可达到光场效果。于此，同时提供带有左右眼信息的影像图案，并通过导光组件分别取出左右眼信息，可避免因左右眼的时间多工而造成亮度下降。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (12)

1.一种近眼显示装置，其特征在于，包含：

一影像输出模块，用以提供至少一影像；

一编码孔径模块，用以编码来自该影像输出模块的该至少一影像的光线而产生至少一左眼影像与至少一右眼影像；以及

一导光组件，用以将该左眼影像与该右眼影像分别往不同方向传送。

2.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，该导光组件用以将该左眼影像与该右眼影像往相反的两方向传送。

3.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，该导光组件包含至少一分光镜。

4.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，该导光组件包含：

一第一分光界面，对应该编码孔径模块的一第一区域；

一第二分光界面，对应该编码孔径模块的一第二区域，其中该第一分光界面不平行于该第二分光界面。

5.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，该影像输出模块包含多个微型发光二极管。

6.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，该编码孔径模块为硅基液晶。

7.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，还包含：

至少一透镜群，光学耦合该导光组件的至少一出光路径；以及

至少一偏振分光镜，光学耦合该透镜群的一出光路径。

8.如权利要求7所述的近眼显示装置，其特征在于，还包含：

至少一反射镜；以及

至少一目镜组，其中该偏振分光镜位于该反射镜与该目镜组之间。

9.如权利要求8所述的近眼显示装置，其特征在于，该反射镜为凹面镜。

10.如权利要求7所述的近眼显示装置，其特征在于，二个该些透镜群分别设置于该导光组件的相对两侧。

11.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，还包含一偏振片，用以将该影像的光线转换为偏振光后传送至该编码孔径模块。

12.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，该导光组件包含：

一第一分光镜；以及

一第二分光镜，其中该第一分光镜与该第二分光镜结构相连。