CN113050275A - 近眼显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种近眼显示装置，包括至少一显示单元。至少一显示单元包括显示元件以及光学系统。显示元件适于提供光束。光束包括带有不同图像信息及不同偏振状态的第一光束及第二光束。光学系统包括沿光轴依序排列的第一半反射元件、第一偏振转换元件以及偏振反射元件，其中偏振反射元件适于让具有第一偏振状态的光束通过且反射具有第二偏振状态的光束。第二光束的光路径大于第一光束的光路径。第二光束的像距大于第一光束的像距，且第一光束与第二光束由至少一显示单元射出以形成合成光束。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学装置，尤其涉及一种近眼显示装置。
背景技术
一般而言，立体图像的视觉呈现是通过使用者的左眼与右眼分别投射带有视角差的不同图像。因此，使用者可通过左眼与右眼分别汇聚在不同的平面而产生立体图像。
然而，在目前的立体图像显示装置中，虽然已有显示装置可产生出另人眼产生具立体感的图像，但此立体图像并未让人眼可分别对焦调节于不同的成像平面上。换句话说，人眼无法从所产生的立体图像产生对焦调节时的清晰或非对焦时的模糊感。因此，与实际人在真实世界中所观察到的图像有所差异。如此一来，将造成部分的使用者产生视觉辐辏调节冲突(vergence-accommodation conflict，VAC)，进而引起晕眩的问题。
发明内容
本发明提供一种近眼显示装置，可产生立体图像且避免使用者因视觉辐辏调节冲突而引起的晕眩问题。
本发明提供一种近眼显示装置，适于提供合成光束至使用者。近眼显示装置包括至少一显示单元。至少一显示单元适于提供合成光束。至少一显示单元包括显示元件以及光学系统。显示元件适于提供光束。光束包括带有不同图像信息及不同偏振状态的第一光束及第二光束。光学系统配置于光束的传递路径上。光学系统包括沿光轴依序排列的第一半反射元件、第一偏振转换元件以及偏振反射元件，其中偏振反射元件适于让具有第一偏振状态的光束通过且反射具有第二偏振状态的光束。第二光束的光路径大于第一光束的光路径。第二光束的像距大于第一光束的像距，且第一光束与第二光束由至少一显示单元射出以形成合成光束。
基于上述，在本发明的近眼显示装置中，显示元件所提供带有不同图像信息及不同偏振状态的第一光束及第二光束，可通过光学系统中针对不同偏振状态进行透射与反射作用，而产生出不同的光程。因此，可使使用者可观察到像距不同的第一光束及第二光束。如此一来，使用者可获得不同深度大小分别对应置不同像距所结合的图像，进而可观察立体图像而避免因视觉辐辏调节冲突而引起的晕眩问题。
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及图1B分别为本发明一实施例的近眼显示装置的不同偏振状态光路的示意图。
图2为图1A的近眼显示装置的合成光束的成像平面示意图。
图3A及图3B分别为本发明另一实施例的近眼显示装置的不同偏振状态光路的示意图。
图4为本发明另一实施例的近眼显示装置的示意图。
图5为图4的近眼显示装置的合成光束的成像平面示意图。
图6为本发明另一实施例的近眼显示装置的示意图。
图7为本发明另一实施例的近眼显示装置的示意图。
附图标记说明：
10：使用者；
100、100A、100B、100C、100D：近眼显示装置；
105、105A、105B：显示单元；
110：显示元件；
120、120A：光学系统；
121：第一半反射元件；
122：第一偏振转换元件；
123：偏振反射元件；
124：透镜；
125：第二偏振转换元件；
130、130A、130B：光学扩充模块；
131：第一分光元件；
132：中继元件；
133、133A：第二分光元件；
134：第一聚焦元件；
135：第二聚焦元件；
136：第三偏振转换元件；
137：第四偏振转换元件；
E1、E11、E12、E2、E21、E22：成像平面；
I：光轴；
L：光束；
L1、L11、L21：第一光束；
L2、L12、L22：第二光束；
LC、LC1、LC2：合成光束；
LE：环境光束。
具体实施方式
图1A及图1B分别为本发明一实施例的近眼显示装置的不同偏振状态光路的示意图。请参考图1A及图1B。在本实施例中，近眼显示装置100适于提供合成光束LC至使用者10，例如是直接提供画面到人眼，如图1A所示。或者是，近眼显示装置100可配合额外的光学系统，将合成光束LC传递至人眼中，以达到虚拟实境(Virtual Reality，VR)或扩增实境(Augmented Reality，AR)的应用，本发明并不限于此。
近眼显示装置100包括至少一显示单元105，用以提供出具有不同成像平面(即成像距离不同)的合成光束LC。在本实施例中，显示单元105的数量例如为一个，但在一些实施例中，显示单元105的数量可以是多个，本发明并不限于此。
显示单元105包括显示元件110以及光学系统120。显示元件110适于提供光束L，而光束L包括带有不同图像信息及不同偏振状态的第一光束L1及第二光束L2。举例而言，在本实施例中，显示元件110例如为可提供右旋圆偏振状态(下称R偏振态)的第一光束L1，如图1A所示。以及，左旋圆偏振状态(下称L偏振态)的第二光束L2的显示器，如图1A所示。但在一些实施例中，第一光束L1及第二光束L2也可以为其他不同种类的相异偏振光，本发明并不限于此。显示元件110提供不同偏振状态的方式可以是同时或周期性交错提供，本发明并不限于此。
光学系统120配置于光束L的传递路径上。光学系统120包括沿光轴I依序排列的第一半反射元件121、第一偏振转换元件122以及偏振反射元件123。第一半反射元件121例如为具有半穿透半反射镀膜的聚光透镜，用以让光束L的百分之五十通过以及反射光束L的另外百分之五十，但本发明并不限制其反射率与穿透率的比值，反射率与穿透率也可以是百分之六十与百分之四十或百分之七时获百分之三十的比例。
第一偏振转换元件122例如为四分之一波片，用以转换第一光束L1及第二光束L2的偏振状态。举例而言，在本实施例中，第一偏振转换元件122可让通过的第一光束L1从R偏振态转换成P偏振态，且让通过的第二光束L2从L偏振态转换成S偏振态。
偏振反射元件123例如为反射单一偏振状态的光学元件，用以反射指定偏振状态光并让非指定偏振状态光通过。换句话说，偏振反射元件123适于让具有第一偏振状态的光束通过且反射具有第二偏振状态的光束。举例而言，在本实施例中，偏振反射元件123为反射S偏振态的光学元件。换句话说，即偏振反射元件123可让已转换成P偏振态的第一光束L1通过，且反射转换成S偏振态的第二光束L2。因此，第一光束L1将通过偏振反射元件123以传递出光学系统120。第二光束L2则通过偏振反射元件123反射回光学系统120，以增加所传递路径长度。
在本实施例中，光学系统120还包括具有屈光度的至少一透镜124，位于第一半反射元件121与第一偏振转换元件122之间，但本发明并不限于此。
通过偏振反射元件123反射回光学系统120的第二光束L2将依序传递第一偏振转换元件122以及第一半反射元件121。当偏振反射元件123反射第二光束L2回光学系统120传递通过第一偏振转换元件122时，第二光束L2将从S偏振态转换成R偏振态。接着，再通过第一半反射元件121的反射作用，将具有R偏振态的第二光束L2的百分之五十再次朝第一偏振转换元件122传递。因此，再次朝第一偏振转换元件122传递的第二光束L2将通过第一偏振转换元件122而转换成P偏振态，进而可传递通过用以让P偏振态光通过的偏振反射元件123，如图1B所示。
以下表一将列出图1A及图1B中第一光束L1及第二光束L2详细的传递路径及其所转换的偏振状态(为简化说明将省略列出传递至透镜124的偏振状态)。然而，下文所列出的数据资料并非用以限定本发明。任何本领域技术人员在参照本发明之后，当可对其参数或设定作适当的更改，惟其仍应属于本发明的范畴内。
表一
图2为图1A的近眼显示装置的合成光束的成像平面示意图。请参考图2。第一光束L1与第二光束L2由显示单元105射出以形成合成光束LC，并通过上述第一半反射元件121、第一偏振转换元件122以及偏振反射元件123的光学作用，将使得第二光束L2的光路径大于第一光束L1的光路径。因此，将使得使用者可观察到第一光束L1成像于成像平面E1以及第二光束L2成像于成像平面E2。换句话说，即使用者可观察到第二光束L2的像距大于第一光束L1的像距，如图2所绘示。而在本实施例中，第一光束L1例如是带有实景深度较小图像信息的光束，而第二光束L2例如是带有实景深度较大图像信息的光束。如此一来，使用者可获得不同深度大小分别对应置不同像距所结合的图像，进而可观察立体图像而避免因视觉辐辏调节冲突而引起的晕眩问题。
图3A及图3B分别为本发明另一实施例的近眼显示装置的不同偏振状态光路的示意图。请参考图3A及图3B。本实施例的近眼显示装置100A类似于图1A及图1B的近眼显示装置100。两者不同之处在于，在本实施例中，显示元件110提供P偏振态的第一光束L1以及S偏振态的第二光束L2，且光学系统120A还包括第二偏振转换元件125，位于显示元件110与第一半反射元件121之间。第二偏振转换元件125与第一偏振转换元件122例如同为四分之一波片，用以转换第一光束L1及第二光束L2的偏振状态。因此，在本实施例中，第二偏振转换元件125可让通过的第一光束L1从P偏振态转换成R偏振态，且让通过的第二光束L2从S偏振态转换成L偏振态。
以下表二将列出图3A及图3B中第一光束L1及第二光束L2详细的传递路径及其所转换的偏振状态(为简化说明将省略列出传递至透镜124的偏振状态)。然而，下文所列出的数据资料并非用以限定本发明。任何本领域技术人员在参照本发明之后，当可对其参数或设定作适当的更改，惟其仍应属于本发明的范畴内。
表二
图4为本发明另一实施例的近眼显示装置的示意图。图5为图4的近眼显示装置的合成光束的成像平面示意图。请参考图4及图5。本实施例的近眼显示装置100B类似于图1A及图1B的近眼显示装置100。两者不同之处在于，在本实施例中，显示单元105A、105B的数量为两个，且显示单元105A、105B所提供合成光束LC1、LC2中的第一光束L11、L21的像距、第二光束L12、L22或上述的组合的像距不同。具体而言，在本实施例中，显示单元105A所提供的第一光束L11的像距与显示单元105B所提供的第一光束L21的像距不同，且显示单元105A所提供的第二光束L21的像距与显示单元105B所提供的第二光束L22的像距不同。因此，将使得使用者可观察到显示单元105A所提供的第一光束L11成像于成像平面E11以及第二光束L12成像于成像平面E12，而显示单元105B所提供的第一光束L21成像于成像平面E21以及第二光束L22成像于成像平面E22，如图5所示。在本实施例中，第一光束L11、L21例如是带有实景深度较小图像信息的光束，而第二光束L21、L22例如是带有实景深度较大图像信息的光束。如此一来，使用者可获得不同深度大小分别对应置不同像距所结合的图像，进而可观察立体图像而避免因视觉辐辏调节冲突而引起的晕眩问题。
除此之外，在本实施例中，近眼显示装置100B还包括光学扩充模块130，配置于合成光束LC1、LC2的传递路径上，其中光学扩充模块130为虚拟实境光学模块或扩增实境光学模块。详细而言，光学扩充模块130包括第一分光元件131、中继元件132、第二分光元件133及第一聚焦元件134。
第一分光元件131配置于合成光束LC1、LC2的传递路径上，第一分光元件131例如为偏振分光镜(polarizing beam splitter，PBS)，用以让具有P偏振态的光通过且反射具有S偏振态的光。中继元件132配置于合成光束LC1、LC2的其中一者的传递路径上。中继元件132例如为四分之一波片，用以转换光束的偏振状态。举例而言，在本实施例中，由显示单元105A、105B所提供的合成光束LC1、LC2皆为P偏振态，而中继元件132配置于合成光束LC2的传递路径上可使合成光束LC2从P偏振态转换为S偏振态。因此，第一分光元件131可让具有P偏振态的合成光束LC1通过，且反射具有S偏振态的合成光束LC2，近而汇整合成光束LC1及合成光束LC2成同一传递路径，如图4所示。
第二分光元件133例如为半穿透半反射的平板透光元件，用以让合成光束LC1、LC2的百分之五十通过以及反射合成光束LC1、LC2的另外百分之五十，但本发明并不限制其反射率与穿透率的比值。第一聚焦元件134例如为半穿透半反射的曲面透光元件，用以让合成光束LC1、LC2的百分之五十通过以及反射合成光束LC1、LC2的另外百分之五十，但本发明也不限制其反射率与穿透率的比值。在本实施例中，第二分光元件133配置于第一分光元件131与第一聚焦元件134之间，而环境光束LE适于依序通过第一聚焦元件134及第二分光元件133至使用者10。因此，由第一分光元件131汇整合提供的合成光束LC1、LC2将通过第二分光元件133部分反射至第一聚焦元件134。接着，合成光束LC1、LC2再通过第一聚焦元件134的反射与环境光束LE汇整并部分传递通过第二分光元件133至使用者10。
图6为本发明另一实施例的近眼显示装置的示意图。请参考图6。本实施例的近眼显示装置100C类似于图4的近眼显示装置100B。两者不同之处在于，在本实施例中，光学扩充模块130A的第二分光元件133A具有聚焦功能。第二分光元件133A配置于第一分光元件131与使用者10之间，用以反射部分合成光束LC1、LC2至使用者10，且环境光束LE适于通过第二分光元件133A并传递至使用者10。换句话说，即此实施例相较于图4的实施例省略了配置第一聚焦元件134。如此一来，可节省元件并缩小整体体积。
图7为本发明另一实施例的近眼显示装置的示意图。请参考图7。本实施例的近眼显示装置100D类似于图4的近眼显示装置100B。两者不同之处在于，在本实施例中，光学扩充模块130B还包括第三偏振转换元件136、第四偏振转换元件137以及第二聚焦元件135，而环境光束LE适于依序通过第一聚焦元件134、第三偏振转换元件136以及第二分光元件133至使用者10。其中，本实施例的第二分光元件133例如为偏振分光镜，第二聚焦元件135例如为曲面反射镜，用以让具有P偏振态的光通过且反射具有S偏振态的光。第三偏振转换元件136及第四偏振转换元件137例如为四分之一波片，用以转换光束的偏振状态。
因此，在本实施例中，由第一分光元件131提供具有P偏振态的合成光束LC1将传递通过第二分光元件133并通过第四偏振转换元件137转换成L偏振态。接着，具有L偏振态的合成光束LC1通过第二聚焦元件135反射再次通过第四偏振转换元件137以转换成S偏振态。最后，具有S偏振态的合成光束LC1将通过第二分光元件133反射至使用者10。另一方面，由第一分光元件131提供具有S偏振态的合成光束LC2将通过第二分光元件133反射至第三偏振转换元件136以转换成R偏振态。接着，具有R偏振态的合成光束LC2传递至第一聚焦元件134并通过第一聚焦元件134反射再次通过第三偏振转换元件136以转换成P偏振态。最后，具有P偏振态的合成光束LC2将通过第二分光元件133并传递至使用者10。因此，合成光束LC1、LC2可与环境光束LE汇整并传递至使用者10。如此一来，使用者可获得不同深度大小分别对应置不同像距所结合的图像，进而可观察立体图像而避免因视觉辐辏调节冲突而引起的晕眩问题。
综上所述，在本发明的近眼显示装置中，显示元件所提供带有不同图像信息及不同偏振状态的第一光束及第二光束，可通过光学系统中针对不同偏振状态进行透射与反射作用，而产生出不同的光程。因此，可使使用者可观察到像距不同的第一光束及第二光束。如此一来，使用者可获得不同深度大小分别对应置不同像距所结合的图像，进而可观察立体图像而避免因视觉辐辏调节冲突而引起的晕眩问题。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。
Claims (10)
1.一种近眼显示装置，适于提供合成光束至使用者，包括：
至少一显示单元，适于提供所述合成光束，包括：
显示元件，适于提供光束，所述光束包括带有不同图像信息及不同偏振状态的第一光束及第二光束；以及
光学系统，配置于所述光束的传递路径上，所述光学系统包括沿光轴依序排列的第一半反射元件、第一偏振转换元件以及偏振反射元件，其中
所述偏振反射元件适于让具有第一偏振状态的光束通过且反射具有第二偏振状态的光束，所述第二光束的光路径大于所述第一光束的光路径，所述第二光束的像距大于所述第一光束的像距，且所述第一光束与所述第二光束由所述至少一显示单元射出以形成所述合成光束。
2.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其中所述光学系统还包括第二偏振转换元件，位于所述显示元件与所述第一半反射元件之间。
3.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其中所述光学系统还包括具有屈光度的至少一透镜，位于所述第一半反射元件与所述第一偏振转换元件之间。
4.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其中所述至少一显示单元的数量为两个，且所述两个显示单元所提供所述多个合成光束中的所述多个第一光束的像距、所述多个第二光束或上述的组合的像距不同。
5.根据权利要求4所述的近眼显示装置，还包括：
光学扩充模块，配置于所述多个合成光束的传递路径上，其中所述光学扩充模块为虚拟实境光学模块或扩增实境光学模块。
6.根据权利要求5所述的近眼显示装置，其中所述光学扩充模块包括第一分光元件以及中继元件，所述中继元件配置于所述多个合成光束的其中一者的传递路径上，且所述第一分光元件适于反射所述多个合成光束的上述其中一者以及让所述多个合成光束的其中另一者通过。
7.根据权利要求6所述的近眼显示装置，其中所述光学扩充模块还包括第二分光元件及第一聚焦元件，所述第二分光元件配置于所述第一分光元件与所述第一聚焦元件之间，环境光束适于通过所述第一聚焦元件及所述第二分光元件并传递至所述使用者。
8.根据权利要求6所述的近眼显示装置，其中所述光学扩充模块还包括第二分光元件，所述第二分光元件配置于所述第一分光元件与所述使用者之间，其中环境光束适于通过所述第二分光元件并传递至所述使用者。
9.根据权利要求6所述的近眼显示装置，其中所述光学扩充模块还包括第二分光元件、第三偏振转换元件、第四偏振转换元件、第一聚焦元件以及第二聚焦元件，所述第二分光元件配置于所述分光元件与所述使用者之间，所述多个合成光束的其中一者适于通过所述第二分光元件反射通过所述第三偏振转换元件并传递至所述第一聚焦元件，所述多个合成光束的其中另一者适于通过所述第二分光元件以及所述第四偏振转换元件并传递至所述第二聚焦元件。
10.根据权利要求9所述的近眼显示装置，其中环境光束适于通过所述第一聚焦元件、所述第三偏振转换元件以及所述第二分光元件并传递至所述使用者。
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