CN111694150A

CN111694150A - 近眼显示装置

Info

Publication number: CN111694150A
Application number: CN201910191801.3A
Authority: CN
Inventors: 罗翊戬
Original assignee: Coretronic Corp
Current assignee: Coretronic Corp
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2020-09-22
Also published as: US20200292821A1; EP3709072A1; TWI690729B; TW202034019A

Abstract

一种近眼显示装置，包括光机、第一光波导及第二光波导。光机用于提供影像。第一光波导用于还原第一方向的视角范围的影像。第一光波导包括沿第一方向设置的多个第一分光片。第二光波导配置于第一光波导的一侧的入光区。第二光波导用于还原第二方向的视角范围的影像。第二光波导包括沿第二方向设置的多个第二分光片。第一方向及第二方向决定参考平面。光机的光圈的直径为P，第一分光片在参考平面上的投影宽度为d1，第二分光片在参考平面上的投影宽度为d2，且光圈的直径P、投影宽度d1、投影宽度d2符合条件P>1.5d2≧d1。本发明的近眼显示装置可提升影像的亮度均匀性。

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

在增强实境(Augmented Reality，AR)的近眼显示领域中，影像资讯如何导入人眼的机制主要有两种：自由曲面棱镜(freeform prism)及波导板(Waveguide)。利用自由曲面棱镜主要的问题是厚度及重量较大且引入严重的畸变(distortion)。相较之下，利用波导板的架构明显较为轻薄，且具有较大人眼移动范围(eye box)。然而，波导板的架构虽未引入畸变却引入了很多影像显示上的瑕疵，诸如叠影、镜射影像、均匀度下降、色差等。波导板现今亦有主要三种架构，主要分为全像式(Holographic type)、绕射结构式(Surfacerelief grating type)及几何分光式(Geometrical beam splitter type)。前两者在色差上的限制及对环境光的影响皆较几何分光式的波导板有着更大的挑战。

“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成所属技术领域中的技术人员所知道的已知技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，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所属技术领域中的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，可提升影像的亮度均匀性。

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。

为达上述的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。近眼显示装置包括光机、第一光波导及第二光波导。光机用于提供影像。第一光波导用于还原第一方向的视角范围的影像。第一光波导包括沿第一方向设置的多个第一分光片。第二光波导配置于第一光波导的一侧的入光区。第二光波导用于还原第二方向的视角范围的影像。第二光波导包括沿第二方向设置的多个第二分光片。第一方向及第二方向决定参考平面。光机的光圈的直径为P，第一分光片在参考平面上的投影宽度为d1，第二分光片在参考平面上的投影宽度为d2，且光圈的直径P、投影宽度d1、投影宽度d2符合条件P>1.5d2≧d1。

基于上述，本发明实施例的近眼显示装置具有二维几何式波导板架构，可用于提升影像亮度的均匀度。

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1绘示本发明一实施例的近眼显示装置的概要示意图。

图2绘示图1实施例的近眼显示装置的俯视示意图。

图3绘示图1实施例的光机及第二光波导的侧视示意图。

图4绘示本发明另一实施例的近眼显示装置的侧视示意图。

图5绘示图4实施例的输出影像的概要示意图。

图6绘示本发明一相关例的输出影像的概要示意图。

图7绘示本发明另一实施例的近眼显示装置的侧视示意图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的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1绘示本发明一实施例的近眼显示装置的概要示意图。图2绘示图1实施例的近眼显示装置的俯视示意图。图3绘示图1实施例的光机及第二光波导的侧视示意图。请参考图1至图3，本实施例的近眼显示装置100包括光机130、第一光波导110及第二光波导120。图1所绘示的是用于提升影像的亮度均匀性的二维波导板架构。在本实施例中，近眼显示装置100将影像600投射至一投影目标200，例如眼睛瞳孔(eye pupil)。

在本实施例中，光机130用于提供影像400。第一光波导110用于还原第一方向Y的视角范围的影像。第一光波导110包括沿第一方向Y设置的多个第一分光片BS1，该些第一分光片BS1彼此间隔配置于第一光波导110的两相对表面之间。第二光波导120配置于第一光波导110的一侧的入光区111。第二光波导120用于还原第二方向X的视角范围的影像。第二光波导120包括沿第二方向X设置的多个第二分光片BS2。第一方向Y及第二方向X决定参考平面，即XY平面。参考平面(XY平面)与第三方向Z垂直。光机130的光圈ST的直径为P，第一分光片BS1在XY平面上的投影宽度为d1，第二分光片BS2在XY平面上的投影宽度为d2，且光圈的直径P、投影宽度d1、投影宽度d2符合条件P>1.5d2≧d1。更详细的说明，第一光波导110的入光区111对应至少一第一分光片BS1(图示绘示一片)，且入光区111涵盖的第一分光片与其他第一分光片的倾斜方向相反，即被入光区111所涵盖的第一分光片的倾斜方向是配置用于将来自第二光波导120的影像导引向其他第一分光片BS1，而其他第一分光片BS1的倾斜方向是配置用于将接收到的影像导引至投影目标200。该些第二分光片BS2彼此平行且间隔配置于第二光波导120的两相对表面之间。光机130所提供的影像进入第二光波导120并经由第二分光片BS2导引至第一光波导110的入光区111，影像从入光区111进入第一光波导110并经由第一分光片BS1导引至投影目标200。

在本实施例中，光机130的光圈ST约位于第二光波导120的入光面，且第二光波导120对应光机130的光圈ST的区域设置有两个第二分光片122、124，即第二分光片122、124可同时接收来自光机130的影像400，如图3所示，沿第二方向X的相反方向上依序配置第二分光片122及第二分光片124。第二分光片122例如是反射率为100％的分光片，可将影像400全部反射至第二分光片124。于其他实施例中，反射率为100％的第二分光片122可替换成一反射镜，只要能将来自光机130的影像400全部反射至第二分光片124的光学元件皆可使用，本发明不局限于此。第二分光片124例如是反射率为50％且穿透率为50％的分光片。第二分光片124可接收来自第二分光片122的影像400，使影像400部分穿透且部分反射。第二分光片124也可直接接收来自光机130的影像400，使影像400部分穿透且部分反射。第二光波导120的出光有效区121不包括第二分光片122、124，如图3所示，即从第二分光片122、124穿透的该部分影像不会被第一光波导导引并进入眼睛瞳孔。依据图1至图3的实施例的二维波导板架构，近眼显示装置100可消除光场系统中当人眼飘移时在离轴处观测到的清楚叠影杂光，以提升影像的亮度均匀性。

图4绘示本发明另一实施例的近眼显示装置的侧视示意图。请参考图4，本实施例的近眼显示装置900还包括半波片140。半波片140设置在光机130(如图3所示)的光圈ST与第二光波导120之间。在本实施例中，光机130提供具有第一偏振态的影像400(400a_1、400a_2)。在本实施例中，第二光波导120对应光机130(如图3所示)的光圈ST的区域设置有两个第二分光片126、128，即第二分光片126、128可同时接收来自光机130(如图3所示)的影像400，如图4所示。其中，沿第二方向X的相反方向上依序配置第二分光片126及第二分光片128，且第二分光片128例如是偏振分光片。半波片140配置于第二分光片128(偏振分光片)及光机130(如图3所绘示)之间且没有对应至第二分光片126，而具有第一偏振态的影像400包括直接传递至第二分光片126的影像400a_1以及传递至半波片140的影像400a_2。半波片140将具有第一偏振态的影像400a_2转换为具有第二偏振态的影像400b_2，再传递至第二分光片128(偏振分光片)。在本实施例中，第一偏振态例如是p偏振态，第二偏振态例如是s偏振态。于其他实施例中，第一偏振态例如是s偏振态，第二偏振态例如是p偏振态。

在本实施例中，第二分光片126的第一反射率Ra为100％并且将具有第一偏振态的影像400a_1反射至第二分光片128。第一反射率Ra是指分光片针对具有第一偏振态的光束或影像的反射率。于其他实施例中，第一反射率Ra为100％的第二分光片126可替换成一反射镜，只要能将具有第一偏振态的影像400a_1全部反射至第二分光片128的光学元件皆可使用，本发明不局限于此。

在本实施例中，第二分光片128(偏振分光片)的第一反射率为Ra、第二反射率为Rb、第一穿透率为Ta及第二穿透率为Tb，且第一反射率Ra、第二反射率Rb、第一穿透率Ta及第二穿透率Tb符合条件Rb＝Ta及Tb＝Ra。第二反射率Rb是指分光片针对具有第二偏振态的光束或影像的反射率。第一穿透率Ta是指分光片针对具有第一偏振态的光束或影像的穿透率。第二穿透率Tb是指分光片针对具有第二偏振态的光束或影像的穿透率。因此，第二分光片128可接收来自第二分光片126的影像400a_1，使影像400a_1部分穿透且部分反射。第二分光片128也可接收来自半波片140的影像400b_2，使影像400b_2部分穿透且部分反射。第二光波导120的出光有效区121包括第二分光片128(偏振分光片)以及其他第二分光片BS2而不包括第二分光片126，如图4所示，即影像400a_1中被第二分光片128反射的部分以及影像400b_2中从第二分光片128穿透的部分会被第一光波导导引并进入眼睛瞳孔。

图5绘示图4实施例的输出影像的概要示意图。图6绘示本发明一相关例的输出影像的概要示意图。请参考图5至图6，图5绘示的输出影像600例如是如图2所示的从第一光波导110输出至投影目标200的影像600。

在图4的实施例中，近眼显示装置900还包括半波片140，且其第二分光片126、128的反射率、穿透率采用图4实施例所述的设计方式，因此，相较于图6的相关例的输出影像800的亮度，图5的输出影像600的整体亮度更加均匀。因此，依据图4的实施例的二维波导板架构，近眼显示装置900可消除光场系统中当人眼飘移时在离轴处观测到的清楚叠影杂光，以提升影像的亮度均匀性。

图7绘示本发明另一实施例的近眼显示装置的侧视示意图。请参考图7，在本实施例的近眼显示装置700中，光机130的光圈的直径P、第一分光片BS1在XY平面上的投影宽度为d1(如图2所示的第一光波导110)，第二分光片在XY平面上的投影宽度为d2，且光圈的直径P、投影宽度d1、投影宽度d2符合条件P＝d2≧1.5d1。另外，如图7所绘示，光机的光圈ST对应至第二光波导120中一片第二分光片BS2，即光圈ST的直径P等于第二分光片在XY平面上的投影宽度为d2，则第二光波导120对应具有较大的厚度t。因此，依据图7的实施例的二维波导板架构，近眼显示装置700可消除光场系统中当人眼飘移时在离轴处观测到的清楚叠影杂光，以提升影像的亮度均匀性。

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，近眼显示装置具有包括两个光波导的二维波导板架构，且光机的光圈直径、第一分光片在参考平面上的投影宽度及第二分光片在参考平面上的投影宽度符合预设的设计条件。因此，在本发明的实施例的架构中，影像亮度的均匀度可被提升。

惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即所有依本发明权利要求书及发明内容所作的简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。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的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的用途，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用于命名元件(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、700、900：近眼显示装置

110：第一光波导

111：入光区

120：第二光波导

121：出光有效区

122、124、126、128、BS2：第二分光片

130：光机

140：半波片

200：投影目标

400、400a_1、400a_2、400b_2、600、800：影像

BS1：第一分光片

d1、d2：投影宽度

P：直径

ST：光圈

t：厚度

X：第二方向

Y：第一方向

Z：第三方向。

Claims

1.一种近眼显示装置，其特征在于，包括光机、第一光波导以及第二光波导，其中：

所述光机用于提供影像；

所述第一光波导用于还原第一方向的视角范围的所述影像，并且包括沿所述第一方向设置的多个第一分光片；以及

所述第二光波导配置于所述第一光波导的一侧的入光区，用于还原第二方向的视角范围的所述影像，并且包括沿所述第二方向设置的多个第二分光片，所述第一方向及所述第二方向决定参考平面，

其中，所述光机的光圈的直径为P，各所述多个第一分光片在所述参考平面上的投影宽度为d1，各所述多个第二分光片在所述参考平面上的投影宽度为d2，且所述光圈的所述直径P、所述投影宽度d1、所述投影宽度d2符合条件P>1.5d2≧d1。

2.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第二光波导对应所述光机的所述光圈的区域设置有两个第二分光片，所述第二光波导的出光有效区不包括所述两个第二分光片。

3.根据权利要求2所述的近眼显示装置，其特征在于，所述两个第二分光片包括反射率为100％的一第二分光片以及反射率为50％且穿透率为50％的一第二分光片，其中传递至反射率为100％的所述第二分光片的所述影像被反射至反射率为50％且穿透率为50％的所述第二分光片。

4.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第二光波导对应所述光机的所述光圈的区域设置有两个第二分光片，且所述两个第二分光片中的一个第二分光片为偏振分光片，所述第二光波导的出光有效区包括所述偏振分光片且不包括所述两个第二分光片中的另一个第二分光片。

5.根据权利要求4所述的近眼显示装置，其特征在于，还包括：

半波片，设置在所述光机的所述光圈与所述第二光波导的所述偏振分光片之间，其中所述光机所提供的所述影像具有第一偏振态。

6.根据权利要求5所述的近眼显示装置，其特征在于，具有所述第一偏振态的所述影像不通过所述半波片而直接传递至所述两个第二分光片中的所述另一个第二分光片，且所述两个第二分光片中的所述另一个第二分光片的第一反射率为100％并且将具有所述第一偏振态的所述影像反射至所述偏振分光片。

7.根据权利要求6所述的近眼显示装置，其特征在于，具有所述第一偏振态的所述影像通过所述半波片且被转换为具有第二偏振态的所述影像，具有所述第二偏振态的所述影像再传递至所述偏振分光片，且所述偏振分光片的第一反射率为Ra、第二反射率为Rb、第一穿透率为Ta及第二穿透率为Tb，其中第一反射率Ra、第二反射率Rb、第一穿透率Ta及第二穿透率Tb符合条件Rb＝Ta及Tb＝Ra。

8.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述光机所提供的所述影像进入所述第二光波导并经由所述多个第二分光片导引至所述第一光波导的所述入光区，所述影像从所述入光区进入所述第一光波导并经由所述多个第一分光片导引至投影目标。