CN113009692B - 近眼光场显示装置 - Google Patents

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CN113009692B CN202010679341.1A CN202010679341A CN113009692B CN 113009692 B CN113009692 B CN 113009692B CN 202010679341 A CN202010679341 A CN 202010679341A CN 113009692 B CN113009692 B CN 113009692B
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Abstract

一种近眼光场显示装置。近眼光场显示装置包括显示元件、微透镜阵列、第一透镜以及第二透镜。显示元件用于提供影像光束。微透镜阵列位于影像光束的传递路径上，其中微透镜阵列具有多个微透镜。第一透镜位于影像光束的传递路径上，其中微透镜阵列位于第一透镜与显示元件之间。第二透镜位于影像光束的传递路径上，其中第二透镜位于微透镜阵列与显示元件之间。符合：
Figure DDA0002585201720000011
以及
Figure DDA0002585201720000012
其中fMLA为这些微透镜的等效焦距、f1为第一透镜的等效焦距、f2为第二透镜的等效焦距。本发明提供的近眼光场显示装置能够提升边缘影像的成像品质。

Description

近眼光场显示装置
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光场显示装置。
背景技术
随着显示技术的进步及人们对于高科技的渴望，近眼显示器(Near Eye Display,NED)以及头戴式显示器(Head-mounted Display,HMD)是目前极具发展潜力的产品。在近眼显示技术中，光场显示器(Light field near eye display,LFNED)由于具有当下的光场资讯，可解决辐辏冲突(Vergence-Accommodation Conflict,VAC)问题，并能借此提供有深度的影像资讯，而被应用于近眼显示技术的扩增实境(Augmented Reality,AR)技术以及虚拟实境(Virtual Reality,VR)技术中。
一般而言，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(Micro-Lens Array)，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，由于微透镜阵列是光场显示器中的关键元件，因此，微透镜阵列的成像品质也会影响整体光场影像效果。当显示角度增加(或视场角增加)时，则微透镜阵列无法将大角度的像差(Aberration)消除，此会造成边缘影像模糊。为解决此大角度像差问题，可增加微透镜阵列的数量，但如此一来会增加系统成本，且这些微透镜阵列之间需要精准地对位，因而提高组装难度。
“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光场显示装置，能够提升边缘影像的成像品质。
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光场显示装置。近眼光场显示装置包括显示元件、微透镜阵列、第一透镜以及第二透镜。显示元件用于提供影像光束。微透镜阵列，位于影像光束的传递路径上，其中微透镜阵列具有多个微透镜。第一透镜位于影像光束的传递路径上，其中微透镜阵列位于第一透镜与显示元件之间。第二透镜，位于影像光束的传递路径上，其中第二透镜位于微透镜阵列与显示元件之间，且符合：
Figure BDA0002585201700000021
以及/>
Figure BDA0002585201700000022
其中fMLA为这些微透镜的等效焦距、f1为第一透镜的等效焦距、f2为第二透镜的等效焦距。
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，近眼显示装置能够通过第二透镜的设置，以及使微透镜阵列上的各微透镜的焦距符合下列关系式：
Figure BDA0002585201700000023
以及/>
Figure BDA0002585201700000024
其中fMLA为这些微透镜的等效焦距、f1为第一透镜的等效焦距、f2为第二透镜的等效焦距，来有效消除边缘像差，并提升边缘成像品质。
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光场显示装置的光学架构示意图。
图1B是图1A的显示元件的显示画面的示意图。
图1C是图1A的微透镜阵列的侧视示意图。
图2A是一对照例的近眼光场显示装置的不同光路示意图。
图2B是图1A的近眼光场显示装置的不同光路示意图。
图3A是图2A的近眼光场显示装置的多个子影像的调制传递函数图。
图3B是图1A的近眼光场显示装置的多个子影像的调制传递函数图。
图4是本发明另一实施例的近眼光场显示装置的光学架构示意图。
图5是本发明又一实施例的近眼光场显示装置的光学架构示意图。
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光场显示装置的光学架构示意图。图1B是图1A的显示元件的显示画面的示意图。图1C是图1A的微透镜阵列的侧视示意图。请参照图1A，在本实施例中，近眼显示装置100用于配置在使用者的至少一眼睛EY前方。近眼光场显示装置100包括显示元件110、微透镜阵列120、第一透镜130以及第二透镜140。举例而言，显示元件110为光场显示器，且其可为微发光二极管显示器(Micro-LED Display)、微有机发光二极管显示器(Micro-OLED Display)及液晶型显示器(LCD)等显示元件。此外，在本实施例中，第一透镜130例如可为双凸透镜，且第二透镜140例如可为平凸透镜或双凸透镜。进一步来说，第一透镜130与第二透镜140可为非球面透镜，且第一透镜130与第二透镜140的折射率可介于1.4至1.9之间，第一透镜130与第二透镜140的阿贝数可大于20。
具体而言，如图1A与图1B所示，在本实施例中，显示元件110可提供影像光束IL，详细来说，显示元件110显示多个子显示影像110S，而可分别提供子影像光束SL，各子影像光束SL形成影像光束IL。并且，影像光束IL的多个子影像光束SL具有当下的光场资讯，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，而可透过光学元件堆叠于使用者的视网膜上而形成视差影像，以令使用者可观看到具有深度的光场影像IM，但本发明不局限于此。
更具体而言，如图1A所示，在本实施例中，第二透镜140、微透镜阵列120以及第一透镜130依序位于影像光束IL的传递路径上，且微透镜阵列120位于第一透镜130与显示元件110之间，第二透镜140位于微透镜阵列120与显示元件110之间。具体而言，如图1A所示，第二透镜140与微透镜阵列120的间距G(例如两者间的最小距离)小于0.2mm，例如第二透镜140可直接接触微透镜阵列120，意即，第二透镜140与微透镜阵列120之间不具有其他光学元件，但本发明不局限于此。在其他实施例中，为避免透镜产生摩擦损伤，第二透镜140与微透镜阵列120的间距G可为0.1mm～0.2mm，意即，第二透镜140与微透镜阵列120之间具有微小间距，但不具有其他光学元件。并且，如图1A所示，影像光束IL的这些子影像光束SL依序通过第二透镜140、微透镜阵列120以及第一透镜130，因此，各子影像光束SL通过第二透镜140、微透镜阵列120以及第一透镜130所形成的影像皆为虚像，而没有产生实像之光场影像。
进一步而言，如图1A与图1C所示，微透镜阵列120具有第一表面S1与第二表面S2，第一表面S1朝向第一透镜130，第二表面S2朝向第二透镜140，且微透镜阵列120具有多个微透镜ML。各微透镜ML分别具有第一光学面OS1与第二光学面OS2，各微透镜ML的第一光学面OS1形成第一表面S1，各微透镜ML的第二光学面OS2形成第二表面S2。
更进一步而言，如图1A所示，通过微透镜阵列120的中央处的光轴处的子影像光束SL的路径与微透镜阵列120的离轴处边缘的子影像光束SL的路径并不相同，因此在本实施例中，为了消除因子影像光束路径不同所产生的像差，微透镜阵列120上每个微透镜ML的第一光学面OS1与第二光学面OS2的曲率或间距可设为不同，也就是说，微透镜阵列120上每个微透镜ML的焦距随不同位置可以是不同的。举例而言，在本实施例中，位于微透镜阵列120中心位置的微透镜ML的焦距会小于位于微透镜阵列120边缘位置的微透镜ML的焦距，或位于微透镜阵列120中心位置的微透镜ML的曲率会小于位于微透镜阵列120边缘位置的微透镜ML的曲率，但不局限于此。
具体来说，如图1C所示，位于微透镜阵列120最中心O的微透镜ML的第一光学面OS1的中心O1及第二光学面OS2的中心O2是重叠的，且每一微透镜ML的第一光学面OS1的中心O1与距离最近的微透镜ML的第一光学面OS1的中心O1具有第一间距P1，每一微透镜ML的第二光学面OS2的中心O2与距离最近的微透镜ML的第二光学面OS2的中心O2具有第二间距P2。这些第一间距P1彼此相同，这些第二间距P2彼此相同但第一间距P1与第二间距P2不同。在本实施例中，第一间距P1小于第二间距P2。
更详细而言，由于微透镜阵列120上的微透镜ML具有厚度，且各微透镜ML的焦点位于各微透镜ML与显示元件110之间，因此，可将第一间距P1与第二间距P2设为不同，以使得各子影像光束SL可通过位于微透镜阵列120上的各自对应之微透镜ML，且可从第二表面S2入射的各子影像光束SL可以在没有遮蔽(Vignetting)情况下从第一表面S1射出。并且，由于从第二表面S2入射的各子影像光束SL会向微透镜阵列120的中心行进后再从第一表面S1射出，因此，设置于第一光学面OS1上的第一间距P1会小于设置于第二光学面OS2上的第二间距P2。特别说明的是，在本实施例中微透镜ML的第一光学面OS1与第二光学面OS2的曲率为相同的，但在其他的实施例中，第一光学面OS1与第二光学面OS2的曲率可以是不同的。
更进一步而言，微透镜阵列120上的各微透镜ML的焦距会符合下列关系式：
Figure BDA0002585201700000061
以及/>
Figure BDA0002585201700000062
其中fMLA为这些微透镜ML的等效焦距、f1为第一透镜130的等效焦距、f2为第二透镜140的等效焦距。如此，通过第一透镜130、微透镜阵列120以及第二透镜140的设置，近眼光场显示装置100可调整不同光学元件的相关光学参数，而可进一步减少像差，并提升边缘影像的成像品质。并且，在本实施例中，通过第二透镜140、微透镜阵列120以及第一透镜130的影像光束IL并未汇聚成实像以及第二透镜140可紧邻于微透镜阵列120上(例如直接接触或具有微小间距)的配置，光机厚度也可以减少，而有利于近眼光场显示装置100的小型化。
以下将搭配图2A至图3B，进行进一步地解说。
图2A是一对照例的近眼光场显示装置的不同光路示意图。图2B是本发明一实施例的近眼光场显示装置的不同光路示意图。图3A是图2A的近眼光场显示装置的影像光束的调制传递函数图。图3B是本发明一实施例的近眼光场显示装置的影像光束的调制传递函数图。请参照图2A，此对照例的近眼光场显示装置100’与图2B的近眼光场显示装置100类似，而两者的差异在于图2A的对照例的近眼光场显示装置100’不包括图2B的实施例的第二透镜140的设置。进一步而言，如图2A与图2B所示，在图2B的近眼光场显示装置100中，通过第二透镜140的设置，亦可使显示元件110所提供的子影像光束SL具有较大的视场角，反之，如图2A所示，若未设置第二透镜140，则显示元件110需要延伸其边缘区域才能提供具有相同视场角的子影像光束SL’。也就是说，图2A的对照例的近眼光场显示装置100’所提供的子影像光束SL’并无法显示出图2B的近眼光场显示装置100能显示的最大视角区域的光场子影像。据此可知，图2B的近眼光场显示装置100能提供具有较大的视场角的影像，并且也可增加显示元件110的使用率。
另一方面，如图2A与图2B所示，在近眼光场显示装置100中，光束SL1(SL1’)与光束SL2(SL2’)分别表示显示元件110的一个子显示影像110S(绘示于图1B)的子影像光束SL(SL’)的最高处及最低处，而随着子显示影像110S越靠近显示元件110边缘，其所提供的子影像光束SL的光束SL1与光束SL2之间的光程差也会越大，如此，其所形成的像差也会越大，而由图2A与图2B可知，对照例的近眼光场显示装置100’靠近显示元件110边缘的子影像光束SL’的光束SL1’与光束SL2’之间的光程差会大于近眼光场显示装置100靠近显示元件110边缘的子影像光束SL的光束SL1与光束SL2之间的光程差，进而导致近眼光场显示装置100’的像差也会大于近眼光场显示装置100。换言之，通过第二透镜140的设置，可将靠近显示元件110边缘的子显示影像110S所提供的子影像光束SL的像差进行修正，进而提升边缘影像的成像品质。
进一步而言，如图3A与图3B所示，图3A与图3B分别绘示了图2A对照例的近眼光场显示装置100’与图2B的近眼光场显示装置100的对角线视场角为±53°时，其所提供的边缘子影像的调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)曲线的变化。在图3A与图3B中，其横坐标为显示元件110所提供的各子影像光束SL所对应形成的光场子影像的位置，离原点越远表示此光场子影像的位置离中心越远，纵坐标为调制传递函数的数值，因此在图中可判断每个对应的光场子影像的调制传递函数的数值，此纵坐标是以调制传递函数值为60lp/mm时的状况进行归一化，调制传递函数值为60lp/mm时的意义为其影像的解析度具有成像时可以清楚鉴别每毫米有60对黑白线条的成像密度，其单位为对比度，当其值越小，对比度也就愈小，其中虚线表示了每个对应的光场子影像在弧矢(Sagittal)方向的调制传递函数的数值，实线为表示了每个对应的光场子影像在子午(Tangential)方向的调制传递函数的数值。
如图3A所示，对照例的近眼光场显示装置100’所提供的边缘子影像的调制传递函数的数值随着所对应形成的光场子影像的位置离中心越远而对应降低。以在弧矢(Sagittal)方向为例，除了少数位于中心附近的光场子影像的调制传递函数值大于0.6外，其他的光场子影像随着远离中心而逐渐降低。相对于此，如图3B所示，本实施例的近眼光场显示装置100则可将远离中心的弧矢(Sagittal)方向上的光场子影像的调制传递函数值皆提升至大于0.6。也就是说，近眼光场显示装置100通过第二透镜140的设置，可有效消除边缘像差，并提升边缘成像品质。
图4是本发明另一实施例的近眼光场显示装置的光学架构示意图。请同时参照图1A及图4，近眼光场显示装置500与图1A的近眼光场显示装置100类似，而两者的差异在于近眼光场显示装置500还包括遮光元件550。遮光元件550位于第二透镜140与微透镜阵列120之间，遮光元件550具有多个遮光区域551与多个透光区域552，其中各透光区域552对应于各微透镜ML设置，而用于使各子影像光束SL通过，各遮光区域551的设置用于遮蔽杂光，亦即，各遮光区域551对应设置于各微透镜ML之间(例如对应于微透镜阵列120的第二表面S2的凹入处)。具体而言，遮光元件550例如包括透明基板(图未示)及设置于透明基板上的遮光层，其中遮光层即形成多个遮光区域551，而各遮光区域551之间即形成多个透光区域552，各微透镜ML于遮光元件550上的投影区域与各透光区域552重叠，而微透镜阵列120的第二表面S2的凹入处于遮光元件550上的投影区域与各遮光区域551重叠，但本发明不限于此。进一步来说，如图4所示，在本实施例中，遮光元件550的一侧与第二透镜140直接接触(或具有微小间距，例如0.1mm～0.2mm)，遮光元件550的另一侧与微透镜阵列120直接接触(或具有微小间距，例如0.1mm～0.2mm)。换言之，第二透镜140、微透镜阵列120与遮光元件550可彼此紧靠。如此，可进一步减少光机厚度，而有利于近眼光场显示装置500的小型化，但本发明不局限于此。在另一实施例中，遮光元件550的多个遮光区域551可为设置于微透镜阵列120的第二表面S2上的遮蔽层，且位于这些微透镜ML之间，而形成微透镜阵列120的一部分，而可有利于近眼光场显示装置500的小型化。
具体而言，如图4所示，在本实施例中，近眼显示装置500仍可通过第二透镜140的设置，以及使微透镜阵列120上的各微透镜ML的焦距符合下列关系式：
Figure BDA0002585201700000091
以及
Figure BDA0002585201700000092
其中fMLA为这些微透镜ML的等效焦距、f1为第一透镜130的等效焦距、f2为第二透镜140的等效焦距，来有效消除边缘像差，并提升边缘成像品质，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。
图5是本发明又一实施例的近眼光场显示装置的光学架构示意图。请参照图5，近眼光场显示装置600与图1A的近眼光场显示装置100类似，而两者的差异如下所述。在本实施例中，近眼光场显示装置600还包括第三透镜660，其中第三透镜660位于第二透镜140与显示元件110之间，或是，第一透镜130可位于第三透镜660与微透镜阵列120之间。更具体而言，当第三透镜660位于第二透镜140与显示元件110之间时，近眼显示装置还可通过第三透镜660的设置，来进一步地消除边缘像差，并提升边缘成像品质。
此外，近眼显示装置600仍可通过第二透镜140的设置以及使微透镜阵列120上的各微透镜ML的焦距符合下列关系式：
Figure BDA0002585201700000101
以及/>
Figure BDA0002585201700000102
其中fMLA为这些微透镜ML的等效焦距、f1为第一透镜130的等效焦距、f2为第二透镜140的等效焦距，来有效消除边缘像差，并提升边缘成像品质，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。
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，近眼显示装置能够通过第二透镜的设置，以及使微透镜阵列上的各微透镜的焦距符合下列关系式：
Figure BDA0002585201700000103
以及/>
Figure BDA0002585201700000104
其中fMLA为这些微透镜的等效焦距、f1为第一透镜的等效焦距、f2为第二透镜的等效焦距，来有效消除边缘像差，并提升边缘成像品质。
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的实施范围，即凡依本发明权利要求书及发明内容所作的简单等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖的范围。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，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、100’、500、600：近眼光场显示装置
110：显示元件
110S：子显示单元
120：微透镜阵列
130：第一透镜
140：第二透镜
550：遮光元件
551：遮光区域
552：透光区域
660：第三透镜
EY：眼睛
G：间距
ML：微透镜
IL：影像光束
IM：光场影像
O、O1、O2：中心
OS1：第一光学面
OS2：第二光学面
P1：第一间距
P2：第二间距
S1：第一表面
S2：第二表面
SL：子影像光束
SL1、SL2：光束。

Claims (10)

1.一种近眼光场显示装置，其特征在于，所述近眼光场显示装置包括显示元件、微透镜阵列、第一透镜以及第二透镜，其中：
所述显示元件用于提供影像光束；
所述微透镜阵列位于所述影像光束的传递路径上，其中所述微透镜阵列具有多个微透镜；
所述第一透镜位于所述影像光束的传递路径上，其中所述微透镜阵列位于所述第一透镜与所述显示元件之间；以及
所述第二透镜位于所述影像光束的传递路径上，其中所述第二透镜位于所述微透镜阵列与所述显示元件之间，且符合：
Figure FDA0004163915440000011
以及/>
Figure FDA0004163915440000012
其中fMLA为所述多个微透镜的等效焦距、f1为所述第一透镜的等效焦距、f2为所述第二透镜的等效焦距。
2.根据权利要求1所述的近眼光场显示装置，其特征在于，所述第一透镜为双凸透镜，且所述第二透镜为平凸透镜或双凸透镜。
3.根据权利要求1所述的近眼光场显示装置，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜为非球面透镜。
4.根据权利要求1所述的近眼光场显示装置，其特征在于，所述第二透镜与所述微透镜阵列的间距小于0.2mm。
5.根据权利要求1所述的近眼光场显示装置，其特征在于，所述影像光束依序通过所述第二透镜、所述微透镜阵列以及所述第一透镜，且在所述影像光束通过所述第二透镜、所述微透镜阵列以及所述第一透镜的传递路径上，所述影像光束并未汇聚成实像。
6.根据权利要求1所述的近眼光场显示装置，其特征在于，所述微透镜阵列具有第一表面与第二表面，所述第一表面朝向所述第一透镜，所述第二表面朝向所述第二透镜，各所述微透镜分别具有第一光学面与第二光学面，各所述微透镜的所述第一光学面形成所述第一表面，各所述微透镜的所述第二光学面形成所述第二表面，且每一所述微透镜的所述第一光学面的中心与距离最近的所述微透镜的所述第一光学面的中心具有第一间距，每一所述微透镜的所述第二光学面的中心与距离最近的所述微透镜的所述第二光学面的中心具有第二间距，其中所述第一间距小于所述第二间距。
7.根据权利要求1所述的近眼光场显示装置，其特征在于，所述多个微透镜中位于所述微透镜阵列中心位置的所述微透镜的焦距小于位于所述微透镜阵列边缘位置的所述微透镜的焦距。
8.根据权利要求1所述的近眼光场显示装置，其特征在于，还包括：
遮光元件，其位于所述第二透镜与所述微透镜阵列之间，其中所述遮光元件的一侧与所述第二透镜的间距小于0.2mm，所述遮光元件的另一侧与所述微透镜阵列的间距小于0.2mm。
9.根据权利要求1所述的近眼光场显示装置，其特征在于，所述微透镜阵列具有第一表面与第二表面，所述近眼光场显示装置还包括：
遮光元件，所述遮光元件设置于所述微透镜阵列的所述第二表面上，且位于所述多个微透镜之间。
10.根据权利要求1所述的近眼光场显示装置，其特征在于，还包括：
第三透镜，其中所述第一透镜位于所述第三透镜与所述微透镜阵列之间，或所述第三透镜位于所述第二透镜与所述显示元件之间。
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