CN111045210A - 近眼显示装置 - Google Patents

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Abstract

一种近眼显示装置，用于配置在使用者的至少一眼睛前方。近眼显示装置包括照明系统、显示元件以及微透镜阵列。照明系统用于提供照明光束，其中照明光束包括多个子照明光束。显示元件位于照明光束的传递路径上。多个子照明光束于显示元件上形成对应的多个子照明区域，且显示元件用于将照射于显示元件上且对应多个子照明区域的多个子照明光束分别转换为多个子影像光束。从显示元件发出的各多个子影像光束的出射角度范围不大于20度。微透镜阵列位于多个子影像光束的传递路径上，用于将多个子影像光束传递至使用者的至少一眼睛，以显示至少一虚像。本发明提供的近眼显示装置能消除杂光而具有良好的影像品质。

Description

近眼显示装置
技术领域
本发明是有关于一种显示装置，且特别是有关于一种近眼显示装置。
背景技术
随着显示技术的进步及人们对于高科技的渴望，虚拟实境(virtual reality)与扩充实境(augmented reality)的技术已渐趋成熟，其中光场近眼显示器(Light fieldnear eye display,LFNED)由于具有当下的光场资讯(即为空间中来自四面八方的光线，通过空间当中一点的向量描述的资讯)，因此能够达成事后对焦的效果，并能借此提供有深度的影像资讯，而为目前可用以解决聚散度调节作用冲突(vergence conflict regulation,VAC)的显示技术之一，正逐渐受到重视。
一般而言，光场显示器可分成空间多工式及时间多工式两种架构。时间多工式的光场显示器采用微机电元件改变虚像位置，以调整前后景清晰程度；而空间多工式的光场显示器使用微发光二极管显示器(Micro‐LED)、微有机发光二极管显示器(Micro‐OLED)及液晶显示器(LCD)等显示元件，将光场子影像透过光学元件，如：微透镜阵列(Miro‐LensArray)，而将视差影像堆叠于视网膜上，以令使用者可观看到有深度的光场影像。
然而，由于空间多工式的光场显示器所采用的微发光二极管显示器、微有机发光二极管显示器及液晶显示器的发光源特性为朗伯体(Lambertian)，且具有大发光角，因此容易产生杂光现象。
“背景技术”部分只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”部分所揭露的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的已知技术。在“背景技术”部分所揭露的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被本领域技术人员所知晓或认知。
发明内容
本发明提供一种近眼显示装置，能消除杂光而具有良好的影像品质。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种近眼显示装置，用于配置在一使用者的至少一眼睛前方。近眼显示装置包括一照明系统、一显示元件以及一微透镜阵列。照明系统用于提供一照明光束，其中照明光束包括多个子照明光束。显示元件位于照明光束的传递路径上。多个子照明光束于显示元件上形成对应的多个子照明区域，且显示元件用于将照射于显示元件上且对应多个子照明区域的多个子照明光束分别转换为多个子影像光束。从显示元件发出的各多个子影像光束的出射角度范围不大于20度。微透镜阵列位于多个子影像光束的传递路径上，用于将多个子影像光束传递至使用者的至少一眼睛，以显示至少一虚像。
基于上述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的实施例中，近眼显示装置借由照明系统的多个子照明光束的配置来满足显示元件上的不同子照明区域的照明需求，而得以控制多个子影像光束的光形分布。借此，近眼显示装置能控制不同子影像光束的主出射角度以及出射角度范围，进而得以消除杂光现象，而具有良好的影像品质。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1A是本发明一实施例的一种近眼显示装置的架构示意图。
图1B是图1A的照明系统的一种光源的架构示意图。
图2A是图1的照明系统的不同子照明光束的发光曲线分布示意图。
图2B是图1的不同子照明光束于所述显示元件上形成对应的多个子照明区域的示意图。
图3A是图1的照明系统的不同子影像光束的发光曲线分布示意图。
图3B是图1的显示元件的不同子影像光束的成像光路示意图。
图4A与图4B是使用者的眼睛偏离图1的近眼显示装置的光轴时的不同成像光路示意图。
图5是本发明一实施例的另一种近眼显示装置的架构示意图。
图6A与图6B是使用者的眼睛偏离图1的近眼显示装置的光轴时经由光转折元件后的成像光路示意图。
图7是本发明一实施例的另一种近眼显示装置的架构示意图。
具体实施方式
有关本发明之前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图之一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
图1A是本发明一实施例的一种近眼显示装置的架构示意图。图1B是图1A的一种照明系统的架构示意图。请参照图1A与图1B，在本实施例中，近眼显示装置100用于配置在一使用者的至少一眼睛EY前方，且近眼显示器100可例如为一光场显示器。近眼显示装置100包括一照明系统110、一显示元件120以及一微透镜阵列130。举例而言，在本实施例中，显示元件120可为光场显示器，但本发明不局限于此。如此，显示元件120所提供的影像光束具有当下的光场资讯(即为空间中来自四面八方的光线，通过空间当中一点的向量描述的资讯)，能够达成事后对焦的效果，并能借此提供有深度的影像资讯。
具体而言，如图1A与图1B所示，在本实施例中，照明系统110适于提供一照明光束IL，其中照明光束IL包括多个子照明光束ILS。进一步而言，如图1A所示，在本实施例中，照明系统110包括光源111、一主透镜112以及一透镜阵列113。举例而言，在本实施例中，光源111可包括多个发光元件，所述多个发光元件适于对应发出多个光束L，主透镜112可为菲涅耳透镜、液晶透镜或液态透镜，透镜阵列113可为透镜元件阵列或菲涅耳透镜阵列，但本发明不局限于此。光源111适于分别提供多个光束L。举例而言，如图1B所示，在本实施例中，照明系统110的光源111可包括多个发光元件LU、一导光板LG以及一逆棱镜PS。如图1B所示，绘示一个发光元件LU的截面图作为示例，光束L自发光元件LU发出后，可在导光板LG中行进并传递至逆棱镜PS。具体而言，如图1B所示，在本实施例中，逆棱镜PS上具有多个微结构MS，此种微结构MS设计会允许光束L以具有较小的出射角度从逆棱镜PS射出，以达到光线准直化的效果。举例而言，如图1A与图1B所示，在本实施例中，照明系统110的光源111为一准直光源，各发光元件LU所发出的各光束L的发光角度范围介于10度至20度之间。
如此，如图1A所示，在本实施例中，照明系统110的主透镜112与透镜阵列113位于光束L的传递路径上，而主透镜112位于光源111与透镜阵列113之间。借此，如图1A所示，在本实施例中，多个光束L在通过透镜阵列113后形成多个子照明光束ILS，以形成照明光束IL。并且，如图1A所示，在本实施例中，显示元件120位于照明光束IL的传递路径上且位于照明系统110及微透镜阵列130之间，如此，照射于显示元件120上的多个子照明光束ILS将会于显示元件120上形成对应的多个子照明区域IR。以下将搭配图2A与图2B进行进一步地说明。
图2A是图1的照明系统的不同子照明光束的发光曲线分布示意图。图2B是图1的不同子照明光束于所述显示元件上形成对应的多个子照明区域的示意图。具体而言，如图2A与图2B所示，在本实施例中，多个子照明区域IR包括一中央子照明区域IRC与多个边缘子照明区域IRE，多个边缘子照明区域IRE共同环绕中央子照明区域IRC。进一步而言，在本实施例中，照射于中央子照明区域IRC的子照明光束ILSC的入射角度范围与照射于多个边缘子照明区域IRE的多个子照明光束ILSE的入射角度范围相同。举例而言，如图2A所示，在本实施例中，照射于中央子照明区域IRC的子照明光束ILSC的入射角度范围以及照射于多个边缘子照明区域IRE的多个子照明光束ILSE的入射角度范围介于0度±10度之间。此外，在本实施例中，位于多个边缘子照明区域IRE的子照明光束ILSE的主入射角度相对于显示元件120的法线约为10度左右。应注意的是，此处的数值范围皆仅是作为例示说明之用，其并非用以限定本发明。
接着，请再参照图1A，在本实施例中，显示元件120适于将照射于显示元件120上且对应多个子照明区域IR的多个子照明光束ILS分别转换为多个子影像光束IBS，即多个子照明光束ILS照射于显示元件120的一侧的表面，而对应转换出的多个子影像光束IBS从显示元件120的相对侧的表面出射。进一步而言，在本实施例中，多个子照明光束ILS与多个子影像光束IBS分别具有一对一的对应关系，借此，多个子影像光束IBS的光形分布亦可分别借由调整多个子照明光束ILS来满足不同子照明区域IR的照明需求而得到控制，并能借此控制不同子影像光束IBS的主出射角度，以消除杂光。以下将搭配图3A与图3B进行进一步地说明。
图3A是图1的照明系统的不同子影像光束的发光曲线分布示意图。图3B是图1的显示元件的不同子影像光束的成像光路示意图。具体而言，如图3A与图3B所示，在本实施例中，位于中央子照明区域IRC的子影像光束IBSC的出射角度范围与位于多个边缘子照明区域IRE的子影像光束IBSE的出射角度范围相同。进一步而言，如图3A所示，在本实施例中，从显示元件120发出的各所述多个子影像光束IBS的出射角度范围不大于20度。详细而言，在本实施例中，位于中央子照明区域IRC的子影像光束IBSC的出射角度范围以及位于多个边缘子照明区域IRE的子影像光束IBSE的出射角度范围介于0度±10度之间。此外，在本实施例中，位于多个边缘子照明区域IRE的子影像光束IBSE的主出射角度相对于显示元件120的法线介于12～15度之间。应注意的是，此处的数值范围皆仅是作为例示说明之用，其并非用以限定本发明。
如此，如图3B所示，在本实施例中，微透镜阵列130位于多个子影像光束IBS的传递路径上，适于将多个子影像光束IBS传递至使用者的至少一眼睛EY。举例而言，在本实施例中，上述的微透镜阵列130包括多个微透镜ML，各微透镜ML分别与至少一子影像光束IBS相对应，且至少一子影像光束IBS会经由相对应的微透镜ML传递至至少一眼睛EY，以显示至少一虚像。
进一步而言，如图1A、图2B与图3B所示，在本实施例中，由各子照明区域IR所出射的子影像光束IBS为了经由相对应的微透镜ML传递至至少一眼睛EY，其所需的照明需求以及主出射角度会有些微差异。因此，在本实施例中，多个子影像光束IBS的光形分布亦可分别借由调整多个子照明光束ILS来满足不同子照明区域IR的照明需求而得到控制，并能借此控制不同子影像光束IBS的主出射角度以及出射角度范围。此外，如图3A与图3B所示，在本实施例中，由于从显示元件120发出的各多个子影像光束IBS的出射角度范围皆不大于20度，因此各子影像光束IBS在通过对应的微透镜ML时不易传递至相邻的微透镜ML而导致漏光，因而各子影像光束IBS所形成相应的光场子影像(即，使用者的眼睛EY中所显示的虚像)也不致具有可察觉的杂光现象，而具有良好的影像品质。
如此一来，在本实施例中，近眼显示装置100借由照明系统110的多个子照明光束ILS的配置来满足显示元件120上的不同子照明区域IR的照明需求，而得以控制多个子影像光束IBS的光形分布。借此，近眼显示装置100能控制不同子影像光束IBS的主出射角度以及出射角度范围，进而得以消除杂光现象，具有良好的影像品质。
图4A与图4B是使用者的眼睛偏离图1的近眼显示装置的光轴时的不同成像光路示意图。举例而言，如图4A所示，由于使用者的眼睛EY的眼瞳可能不会总是准确地位于显示元件120的光轴O上，也有可能会偏离显示元件120的光轴O，此时就可能会有部分的子影像光束IBS无法进入使用者的眼睛EY，而因此使所形成的虚像具有暗纹。因此，在本实施例中，可以透过手动或自动调整照明系统110的主透镜112的位置的方式，以改变成像的位置，使子影像光束IBS得以进入使用者的眼睛EY，并消除暗纹现象。
具体而言，如图4B所示，在本实施例中，近眼显示装置100还具有一眼球检测装置(未绘示)，适于检测使用者的至少一眼睛EY的眼瞳位置，并且，主透镜112适于相对于透镜阵列113移动。举例而言，如图4B所示，在本实施例中，由于使用者的眼睛EY的眼瞳位置是在垂直于显示元件120的光轴O的方向上往上偏移，因此，在本实施例中，主透镜112亦可沿着垂直于光轴O的方向而向上移动。如此，子影像光束IBS得以进入使用者的眼睛EY，并能借此消除暗纹现象，以使近眼显示装置100具有良好的影像品质。
在前述的实施例中，近眼显示装置100虽是借由调整照明系统110的主透镜112位置的方式来调整成像位置为例示，但本发明不局限于此。在其他的实施例中，亦可借由其他类型的光学元件的配置来调整成像位置，而亦能达到类似的效果。以下将搭配图5至图6B来进行进一步地解说。
在前述实施例中，借由调整照明系统110的主透镜112的位置，而对子影像光束与显示元件的夹角进行调整。然而，在已知的准直背光源架构中，将LED等光源放置于具有弧形逆棱镜的导光板的圆心处或焦点处，使光源所发出的光束具有一准直的出光角度。同样的，可以借由调整光源的位置，或切换不同位置的光源，以改变或偏折准直光束的出光角度，即改变出射光束与照明系统的夹角。因此，可借由调整照明系统中光源的位置，使光源所发出的光束的出射角度产生偏折，亦能达到消除杂光的效果。
图5是本发明一实施例的另一种近眼显示装置的架构示意图。图6A与图6B是使用者的眼睛偏离图1的近眼显示装置的光轴时经由光转折元件后的成像光路示意图。请参照图5，本实施例的近眼显示装置500与图1A的近眼显示装置100类似，而两者的差异如下所述。在本实施例中，近眼显示装置500还包括一光转折元件540，位于多个子影像光束IBS的传递路径上，且位于微透镜阵列130与至少一眼睛EY之间。举例而言，在本实施例中，光转折元件540可为液态透镜，但本发明不局限于此。在其他的实施例中，光转折元件540亦可为液晶透镜。
具体而言，如图5所示，在本实施例中，光转折元件540包括一第一液体LD1与一第二液体LD2，第一液体LD1的折射率与第二液体LD2的折射率不同，且来自显示元件120的所述多个子影像光束IBS入射至光转折元件540后，各所述多个子影像光束IBS依序通过第一液体LD1与第二液体LD2且被折射至至少一眼睛EY。另一方面，如图6A与图6B所示，在本实施例中，当使用者的至少一眼睛EY的眼瞳位置有所偏移时，可借由近眼显示装置的眼球检测装置检测使用者的至少一眼睛EY的眼瞳位置而自动调整成像位置、或借由使用者依据其眼睛EY的眼瞳位置而手动调整成像位置，其中可透过改变光转折元件540的第一液体LD1以及第二液体LD2之间的交界面与多个子影像光束IBS的入射方向之间的夹角来调整子影像光束IBS的成像位置。举例而言，在本实施例中，可透过于光转折元件540的不同位置施加不同的电压的方式来达到调变第一液体LD1以及第二液体LD2之间的交界面与多个子影像光束IBS的入射方向之间的夹角的效果。
具体而言，如图6A所示，在本实施例中，光转折元件540包括相邻配置的一第一光转折单元541与一第二光转折单元542，且第一液体LD1位于第一光转折单元541中，第二液体LD2位于第二光转折单元542中。换言之，在本实施例中，光转折元件540为一片式的液态透镜。如此，在本实施例中，可在光转折元件540的两侧的边缘处施加不同的电压的方式来达到调变第一液体LD1以及第二液体LD2之间的交界面与多个子影像光束IBS的入射方向之间的夹角。借此，子影像光束IBS得以经由第一液体LD1与第二液体LD2及其介面的折射，而顺利进入使用者的至少一眼睛EY，并能借此消除暗纹现象，以使近眼显示装置500具有良好的影像品质。
另一方面，如图6B所示，在本实施例中，光转折元件540则是包括多个光转折单元543，各光转折单元543皆具有第一液体LD1与第二液体LD2，且多个光转折单元543呈阵列排列。换言之，在本实施例中，光转折元件540为阵列式的液态透镜。如此，在本实施例中，可在光转折元件540的各光转折单元543的两侧的边缘处施加不同的电压的方式来达到调变第一液体LD1以及第二液体LD2之间的交界面与多个子影像光束IBS的入射方向之间的夹角。借此，子影像光束IBS得以经由各光转折单元543的第一液体LD1与第二液体LD2及其介面的折射，而顺利进入使用者的至少一眼睛EY，并能借此消除暗纹现象，以使近眼显示装置500具有良好的影像品质。
此外，在另一光转折元件540为液晶透镜的实施例中，亦可在光转折元件540的不同区域的液晶分子的边缘处施加不同的电压的方式来达到调变光转折元件540的不同区域处的折射率。借此，子影像光束IBS得以经由光转折元件540的不同区域的折射而调整行进方向，而顺利进入使用者的至少一眼睛EY，并能借此消除暗纹现象，以使近眼显示装置500具有良好的影像品质。
图7是本发明一实施例的另一种近眼显示装置的架构示意图。请参照图7，本实施例的近眼显示装置700与图1A的近眼显示装置100类似，而两者的差异如下所述。在本实施例中，照明系统710中的主透镜712的焦距可为无穷大。换言之，在本实施例中，主透镜712光学特性等效于一平板，因此照明系统710中的光源111所提供的光束L主要会经由透镜阵列113进行折射至显示元件120上，而可实现远心照明，并对应地形成各子照明区域IR。
具体而言，如图7所示，在本实施例中，近眼显示装置700仍可借由照明系统710的多个子照明光束ILS的配置来满足显示元件120上的不同子照明区域IR的照明需求，而得以控制多个子影像光束IBS的光形分布。借此，近眼显示装置700能控制不同子影像光束IBS的主出射角度以及出射角度范围，进而得以消除杂光现象，而具有良好的影像品质，而亦能达到前述的近眼显示装置100的类似效果与优点，在此就不再赘述。另外，如图7所示，近眼显示装置700还包括一透镜(未标号)，配置于微透镜阵列130及眼睛EY之间，所述透镜可用以修正来自显示元件120及微透镜阵列130的边缘子影像光束IBS的大角度像差，借此提升影像边缘的成像品质。
综上所述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的实施例中，近眼显示装置借由照明系统的多个子照明光束的配置来满足显示元件上的不同子照明区域的照明需求，而得以控制多个子影像光束的光形分布。借此，近眼显示装置能控制不同子影像光束的主出射角度以及出射角度范围，进而得以消除杂光现象，而具有良好的影像品质。
惟以上所述者，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施之范围，即所有依本发明权利要求书及发明内容所作之简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖之范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露之全部目的或优点或特点。此外，摘要和发明名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明之权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。
附图标记说明：
100、500、700：近眼显示装置
110、710：照明系统
111：光源
112、712：主透镜
113：透镜阵列
120：显示元件
130：微透镜阵列
540：光转折元件
541：第一光转折单元
542：第二光转折单元
543：光转折单元
EY：眼睛
IBS、IBSC、IBSE：子影像光束
IL：照明光束
ILS、ILSC、IBSE：子照明光束
IR：子照明区域
IRC：中央子照明区域
IRE：边缘子照明区域
L：光束
LD1：第一液体
LD2：第二液体
LG：导光板
LU：发光元件
ML：微透镜
MS：微结构
O：光轴
PS：逆棱镜。

Claims (16)

1.一种近眼显示装置，用于配置在使用者的至少一眼睛前方，其特征在于，包括：照明系统、显示元件以及微透镜阵列，其中：
所述照明系统用于提供照明光束，其中所述照明光束包括多个子照明光束；
所述显示元件位于所述照明光束的传递路径上，其中所述多个子照明光束于所述显示元件上形成对应的多个子照明区域，且所述显示元件用于将照射于所述显示元件上且对应所述多个子照明区域的所述多个子照明光束分别转换为多个子影像光束，且从所述显示元件发出的各所述多个子影像光束的出射角度范围不大于20度；以及
所述微透镜阵列位于所述多个子影像光束的传递路径上，用于将所述多个子影像光束传递至所述使用者的所述至少一眼睛，以显示至少一虚像。
2.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述照明系统包括：光源、主透镜以及透镜阵列，其中：
所述光源适于提供多个光束；以及
所述主透镜与所述透镜阵列位于所述光束的传递路径上，所述主透镜位于所述光源与所述透镜阵列之间，且所述多个光束在通过所述透镜阵列后形成所述多个子照明光束。
3.如权利要求2所述的近眼显示装置，其特征在于，各所述光束的发光角度范围介于10度至20度之间。
4.如权利要求2所述的近眼显示装置，其特征在于，所述主透镜用于相对于所述透镜阵列移动。
5.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，还包括：
光转折元件，位于所述多个子影像光束的传递路径上，且位于所述微透镜阵列与所述至少一眼睛之间。
6.如权利要求5所述的近眼显示装置，其特征在于，所述光转折元件为液态透镜或液晶透镜。
7.如权利要求5所述的近眼显示装置，其特征在于，所述光转折元件包括第一液体与第二液体，所述第一液体的折射率与所述第二液体的折射率不同，且各所述多个子影像光束依序通过所述第一液体与所述第二液体后，被折射至所述至少一眼睛。
8.如权利要求7所述的近眼显示装置，其特征在于，所述光转折元件包括多个光转折单元，各所述光转折单元皆具有所述第一液体与所述第二液体，且所述多个光转折单元呈阵列排列。
9.如权利要求7所述的近眼显示装置，其特征在于，所述光转折元件包括第一光转折单元与第二光转折单元，且所述第一液体位于所述第一光转折单元中，所述第二液体位于所述第二光转折单元中。
10.如权利要求7所述的近眼显示装置，其特征在于，透过施加电压于所述光转折元件而改变所述光转折元件的所述第一液体以及所述第二液体之间的交界面与所述多个子影像光束的入射方向之间的夹角。
11.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述微透镜阵列包括多个微透镜，各所述微透镜分别与至少一所述子影像光束相对应，且所述至少一子影像光束经由相对应的所述微透镜传递至所述至少一眼睛。
12.如权利要求2所述的近眼显示装置，其特征在于，所述主透镜可为菲涅耳透镜、液晶透镜或液态透镜。
13.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述多个子照明区域包括中央子照明区域与多个边缘子照明区域，所述多个边缘子照明区域共同环绕所述中央子照明区域。
14.如权利要求13所述的近眼显示装置，其特征在于，照射于所述中央子照明区域的所述子照明光束的入射角度范围与照射于所述多个边缘子照明区域的所述多个子照明光束的入射角度范围相同。
15.如权利要求13所述的近眼显示装置，其特征在于，位于所述中央子照明区域的所述子影像光束的出射角度范围与位于所述多个边缘子照明区域的所述子影像光束的出射角度范围相同。
16.如权利要求13所述的近眼显示装置，其特征在于，位于所述中央子照明区域的所述子影像光束的出射角度范围以及位于所述多个边缘子照明区域的所述子影像光束的出射角度范围介于0度±10度之间。
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