TW201500833A - 顯示模組與光導引裝置 - Google Patents

Abstract

一種顯示模組。一光源用以提供一照明光束。一導光板具有一第一表面、相對於第一表面的一第二表面及連接第一表面跟第二表面的一入射表面。照明光束通過入射表面進入導光板。一光學結構連接至導光板且用以改變照明光束的傳輸方向。一反射式顯示單元用以調制照明光束的偏振態以形成一調制光束。第二表面配置於反射式顯示單元及第一表面之間。第一表面配置於第二表面和一反射式偏振器之間，反射式偏振器將調制光束過濾成一影像束。一種光導引裝置亦被提出。

Description

顯示模組與光導引裝置

本發明是有關於一種顯示模組以及光導引裝置。

在顯示裝置的顯示領域中，各種類型的空間光調制器(spatial light modulators)，像是透射式液晶顯示面板(transmissive liquid crystal display panel,transmissive LCD panel)、矽基液晶(liquid crystal on silicon,LCOS)面板或數位微鏡元件(digital micro-mirror device,DMD)等，皆被用來將照明光束轉換為影像光束。透射式LCD的光效率小於LCOS面板的光效率，而DMD的成本比LCOS面板的成本高。

一般而言，在使用LCOS面板的投影器中，s偏振光束被偏振分光器(polarizing beam splitter,PBS)反射至LCOS面板。接著，LCOS面板將s偏振光束調制成具有其他偏振態的偏振光束，並將偏振光束反射至PBS。PBS將偏振光束過濾成影像光束，影像光束接著傳遞至成像鏡頭。最後，成像鏡頭將影像光束投射至螢幕上，以在螢幕上形成影像，或者在空中或其他虛像平面上形成虛像。

在使用LCOS面板的投影機中，PBS的分光面相對於LCOS面板傾斜約45度，以使PBS佔據LCOS面板和成像鏡頭間的一大空間。因此，成像鏡頭和LCOS面板之間的距離長，使得投影機又厚又笨重。

本發明提供一種顯示模組，其具有較薄的厚度。

本發明提供一種光導引裝置，其可均勻分布光束。

本發明的一實施例提供一種顯示模組，包括一光源、一導光板、一光學結構、一反射式顯示單元及一反射式偏振器。光源用以提供一照明光束。導光板具有一第一表面、相對於第一表面的一第二表面及連接第一表面和第二表面的一入射表面。照明光束經由入射表面進入導光板。光學結構連接至導光板，且用以改變照明光束的傳輸方向。反射式顯示單元用以調制照明光束的偏振態以形成一調制光束。第二表面配置於反射式顯示單元及第一表面之間。第一表面配置於第二表面及反射式偏振器之間，反射式偏振器將調制光束過濾成為一影像光束。

本發明的一實施例提供一種光導引裝置，包括一導光板及一光學結構。導光板具有一第一表面、相對於第一表面的一第二表面及連接第一表面及第二表面的一入射表面。光束經由入射表面進入導光板。光學結構在導光板內，且用以改變光束的傳輸方向。

基於上述，在本發明的一實施例的顯示模組中，導光板、光學結構及反射式偏振器用以將照明光束導引至反射式顯示單元。由於導光板具有較薄的厚度，因此顯示模組具有較薄的厚度與較小的體積。再者，在依據本發明的一實施例的光導引裝置中，由於光學結構是用以改變光束的傳輸方向，因此光導引裝置可均勻分布光束。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100、100a、100b‧‧‧顯示模組

110‧‧‧光源

112‧‧‧發光元件

114‧‧‧偏振器

120‧‧‧導光板

122‧‧‧第一表面

124‧‧‧第二表面

126‧‧‧入射表面

128‧‧‧第三表面

130、130a‧‧‧光學結構

1301‧‧‧第一圖案化散射結構

13012‧‧‧凹陷部

1302‧‧‧第二圖案化散射結構

13022‧‧‧凸出部

132‧‧‧次結構

140‧‧‧反射式顯示單元

150‧‧‧反射式偏振器

160‧‧‧反射器

170‧‧‧成像鏡頭

180‧‧‧光耦合光學元件

190‧‧‧聚焦透鏡

210‧‧‧圖案化塗層

212‧‧‧圖案

P‧‧‧照明光束

I‧‧‧影像光束

T‧‧‧厚度

U‧‧‧未偏振光束

M‧‧‧調制光束

圖1為依據本發明的一實施例的顯示模組的剖面示意圖。

圖2為依據本發明的另一個實施例的顯示模組的剖面示意圖。

圖3為依據本發明的另一實施例的顯示模組的剖面示意圖。

圖1為依據本發明的一實施例的顯示模組的剖面示意圖。參考圖1，本實施例的顯示模組100包括一光源110、一導光板120、一光學結構130、一反射式顯示單元140及一反射式偏振器150。光源110用以提供一照明光束P，也就是光束。在本實施例中，光源110包括至少一發光元件112(圖1以一個發光元件為 示例)及一偏振器114。發光元件112用以發出一未偏振光束U。偏振器114配置於未偏振光束U的路徑上，且用以將未偏振光束U過濾成偏振光束，其中照明光束P為偏振光束。詳細地說，偏振器114為反射式偏振器，其允許未偏振光束U中具有第一偏振方向的部分穿透，且將未偏振光束U中具有第二偏振方向的另外一部分反射回發光元件112。偏振器114可以是反射式偏光增亮膜(dual brightness enhancement film,DBEF)或任何其他反射式偏振器。然而，在其他實施例中，偏振器114可以是一吸收式偏振器，其允許未偏振光束中具有第一偏振方向的部分的穿透，且吸收未偏振光束U中具有第二偏振方向的另外一部分。在本實施例中，第一偏振方向垂直於第二偏振方向。在其他實施例中，光源110可以不包括偏振器114，而光源110提供未偏振光束。也就是說，照明光束P可以是未偏振光束。然而，在其他實施例中，光源110可以是偏振光源，例如是雷射光源，照明光束P為偏振光束，且光源110不包括偏振器114。

在本實施例中，發光元件112為發光二極體(LED)，例如是白色發光二極體。白色LED可具有用以發出藍光的藍色LED晶片及包裹住藍色LED的封裝(encapsulant)。當藍光激發封裝內的螢光粉時，螢光粉可將藍光轉換成黃光。未被轉換的藍光及黃光結合而形成白光，也就是未偏振光束U。然而，在其他實施例中，光源110可包括複數個發出複數個顏色(例如是三原色)的光的發光元件。舉例而言，光源110可包括分別用以分別發射出紅光、 綠光及藍光的一紅光LED、一綠光LED及一藍光LED。未偏振光束U中具有第二偏振方向且被偏振器114反射的部份(例如藍色部份)可激發LED的封裝內的螢光粉(例如是黃色螢光粉)，進而達到光回收而改善光源110的光效率。在其他實施例中，光源110可包括分別發射出複數個顏色的雷射光以形成照明光束P的雷射發射器，例如是雷射二極體。

導光板120具有一第一表面122、相對於第一表面122的一第二表面124及連接第一表面122和第二表面124的一入射表面126。照明光束P經由入射表面126進入導光板120。

在本實施例中，第一表面122為導光板120內的第一介質(也就是導光板120的材料)及導光板120外面的第二介質(也就是空氣)的介面，第一介質的折射率大於第二介質的折射率。再者，在本實施例中，第二表面124為導光板120內的第一介質(也就是導光板120的材料)和導光板120外的第三介質(也就是空氣)的介面，第一介質的折射率大於第三介質的折射率。因此，來自入射表面126的照明光束P可被第一表面122及第二表面124重複地全反射，以使照明光束P可傳播至相對於入射表面126且連接第一表面122和第二表面124的一第三表面128。

光學結構130連接至導光板120，且用以改變照明光束P的傳輸方向。在本實施例中，光學結構130為配置於導光板120內部的圖案化散射結構。光學結構130可包括排列於導光板120內部的複數個次結構132。光學結構130的折射率不同於導光板 120的折射率，抑或是光學結構130可由任何散射材料所組成。因此，當來自入射表面126的照明光束P入射至光學結構130上時，光學結構130改變照明光束P的傳輸方向，例如是散射照明光束P。由於照明光束P的傳輸方向改變，部分的照明光束P可以用小於臨界角的角度入射至第一表面122和第二表面124上。因此，被光學結構130所散射的照明光束P可穿透第一表面122和第二表面124。換句話說，上述的照明光束P的全反射被光學結構130所破壞。在一實施例中，當光學結構130的折射率不同於導光板120時，光學結構130和導光板120間的部份的介面形成一全反射(TIR)面。也就是說，當來自入射表面126的照明光束P入射於TIR面上時，入射角度大於臨界角，以使照明光束P被TIR面全反射至反射式顯示單元140。

第一表面122配置於第二表面124和反射式偏振器150間。在本實施例中，反射式偏振器150反射第一偏振方向的光(例如是s偏振光)並允許第二偏振方向的光(例如是p偏振光)穿透。由於來自入射表面126的照明光束P具有第一偏振方向，被光學結構130散射且穿透通過第一表面122的照明光束P由反射式偏振器150反射回第一表面122，而後於導光板120內傳播。

第二表面124配置於反射式顯示單元140及第一表面122之間。由反射式偏振器150反射的照明光束P可依序穿透第一表面122及第二表面124而到達反射式顯示單元140。除此之外，被光學結構130散射的部份的照明光束P傳播至第二表面124，且穿 透第二表面124而到達反射式顯示單元140。被光學結構130的次結構132散射的其它部份的照明光束P傳播至第一表面122(或第二表面124)，然後被第一表面122(或第二表面124)全反射，而後被光學結構130的另一個次結構132散射。某些被次結構132散射兩次以上的照明光束P穿透第二表面124而到達反射式顯示單元140，其他被次結構132散射兩次以上的照明光束被第一表面122或第二表面124全反射且接著被另外一個次結構132所散射。

在本實施例中，雖然反射式偏振器150配置於第一表面122上，反射式偏振器150與第一表面122之間可以有空氣間隙。因此，第一表面122可以是空氣與導光板120的材料之間的介面。

在本實施例中，顯示模組100更包括配置於第三表面128上的一反射器160。反射器160反射照明光束P中未穿透過第二表面124的部份，以使部份的照明光束P仍然可以在導光板120中傳播。因此，照明光束P被光學結構130散射、穿透第二表面124而到達反射式顯示單元140的機率提升了。因此，顯示模組100的光效率及均勻性獲得了改善。

反射式顯示單元140能夠調制照明光束P的偏振態，以形成一調制光束M。反射式顯示單元140可以是微顯示器(micro-display)。在本實施例中，反射式顯示單元140是用以調制及反射照明光束P的矽基液晶(LCOS)面板。舉例而言，至少部分的照明光束P可從s偏振光束被調制成p偏振光束或圓或橢圓偏振態的光束，或者照明光束P未被調制而維持為s偏振光束。換 句話說，調制光束M可包括s偏振光束、p偏振光束、圓偏振光束、橢圓偏振光束或任何它們的組合。在其他實施例中，反射式顯示單元可以是微機電系統(micro-electromechanical system,MEMS)顯示器，例如是數位微鏡元件(DMD)。

反射式偏振器150將調制光束M過濾成影像光束I。在本實施例中，反射式偏振器150允許調制光束M中具有第二偏振方向(例如是p偏振)的部分穿透通過，並反射調制光束M中具有第一偏振方向(例如是s偏振)的部分。因此，調制光束M中具有第二偏振方向的部分穿透反射式偏振器150而形成影像光束I。

在本實施例中，顯示模組100更包括配置於來自反射式偏振器150的影像光束I的路徑上的一成像鏡頭170，用以在螢幕上形成影像，或者在空中或其他虛像平面上形成虛像。若成像鏡頭170於螢幕上形成影像，則顯示模組100為實像投影器。若成像鏡頭170於空中或其他虛像平面上形成影像，則顯示模組100為虛像顯示器，例如頭戴式顯示器(head-mounted display,HMD)或抬頭顯示器(head-up display,HUD)。當所有部份的調制光束M具有第二偏振方向，實像或虛像形成一白畫面。當所有部份的調制光束M具有第一偏振方向，實像或虛像形成一黑畫面。當多個部分的調制光束M具有各種偏振態，例如是圓偏振態、橢圓偏振態、p偏振態及s偏振態，則各種比例的調制光束M透射過反射式偏振器150的不同位置，以形成一影像畫面。

在本實施例的顯示模組100中，導光板120、光學結構 130及反射式偏振器150用以將照明光束P導引至反射式顯示單元140。相較於偏振分光器(PBS)，導光板120具有較薄的厚度，因此顯示模組100具有較薄的厚度與(較小的)體積。也就是說，顯示模組100可具有超薄外型。因此，HMD、HUD或投影器的體積可有效地被縮減。在一實施例中，導光板120的厚度T可以小於10毫米。

在本實施例中，顯示模組100更包括配置於入射表面126且用以從光源110蒐集照明光束P的一光耦合光學元件180。光耦合光學元件180可以是透鏡(例如是凸透鏡)或曲面(例如是凸面表面)。在本實施例中，導光板120、光學結構130、反射器160、光耦合光學元件180及反射式偏振器150可形成一光導引裝置。

在本實施例中，顯示模組100更包括配置於反射式顯示單元140及第二表面124之間的影像光束I的路徑上的聚焦透鏡190。成像鏡頭170及聚焦透鏡190聚焦在反射式顯示單元140上；也就是說，物體平面是在反射式顯示單元140上。因此，人眼可在不被光學結構130影響的情況下清楚地看見由反射式顯示單元140所形成的影像。為了維持高影像品質，介於次結構132間的間隙的寬度可以比次結構132大；也就是說，次結構132的總面積可佔據導光板120的總面積的一小部分。在另一實施例中，聚焦透鏡190可不被使用，以求更加減少顯示模組100的厚度，此時成像鏡頭170聚焦於反射式顯示單元140上。

圖2為依據本發明的另一個實施例的顯示模組的剖面示 意圖。參考圖2，本實施例的顯示模組100a類似於圖1中的顯示模組100，兩者之間的不同如下。在本實施例中，光學結構130a為配置於第一表面122及第二表面124的至少其中之一的圖案化散射結構。圖2舉例說明配置於第一表面122及第二表面124兩者上的光學結構130a。更具體而言，光學結構130a包括配置於第一表面122的一第一圖案化散射結構1301及配置於第二表面124的一第二圖案化散射結構1302。第一圖案化散射結構1301可包括分佈於第一表面122上的複數個微結構13012，第二圖案化散射結構1302可包括分布於第二表面124上的複數個微結構13022。微結構13012及13022可散射照明光束P以破壞照明光束P的全反射，以使照明光束P傳播至反射式顯示單元140。在其他實施例中，顯示模組100a可具有配置於第一表面122的第一圖案化散射結構1301，但不具有配置於第二表面124的第二圖案化散射結構1302。或者，顯示模組100a可具有配置於第二表面124上的第二圖案化散射結構1302，但未具有配置於第一表面122上的第一圖案化散射結構1301。微結構13012及13022可以是凸出部(例如是圖2中所示的微結構13022)、凹陷部(例如是圖2中所示的微結構13012)、具有不同於導光板120的折射率並且配置於導光板120上或埋入導光板120的材料或者是配置於導光板120上或埋入導光板120的散射材料。圖1的光學結構130及圖2的光學結構130a的頂視圖可以是點狀、條纹狀、帶狀、直線狀、曲線狀、島狀等等。

圖3為依據本發明的另一實施例的剖面的示意圖。參考圖3，本實施例的顯示模組100a類似於圖1中的顯示模組100，兩者之間的不同如下。本實施例中的顯示模組100b更包括形成於第一表面122上且在光學結構130上方的一圖案化塗層210，圖案化塗層210用以反射或吸收來自光學結構130的雜散光。在本實施例中，圖案化塗層210位於導光板120及反射式偏振器150之間。再者，圖案化塗層210的形狀和分布對應於光學結構130的形狀和分布。舉例而言，圖案化塗層210包括分別位於光學結構132的上方的複數個圖案212，且每一個圖案212的寬度可以略大於次結構132的寬度。在本實施例中，圖案化塗層210的材料可包括黑色樹脂、鉻或鋁，其中黑色樹脂及鉻可吸收雜散光，鋁可反射雜散光。

綜上所述，在本發明的實施例的顯示模組中，導光板、光學結構及反射式偏振器用以將照明光束導引至反射式顯示單元。相較於PBS，導光板具有較薄的厚度，所以顯示模組具有較薄的厚度與較小的體積。也就是說，顯示模組可具有超薄外型。因此，HMD、HUD或投影器的體積可以有效地減少。再者，依據本發明的實施例的光導引裝置，由於光學結構用以改變光束的傳輸方向，光導引裝置可以均勻分布光束。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍 當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧顯示模組

110‧‧‧光源

112‧‧‧發光元件

114‧‧‧偏振器

120‧‧‧導光板

122‧‧‧第一表面

124‧‧‧第二表面

126‧‧‧入射表面

128‧‧‧第三表面

130‧‧‧光學結構

132‧‧‧次結構

140‧‧‧反射式顯示單元

150‧‧‧反射式偏振器

160‧‧‧反射器

170‧‧‧成像鏡頭

180‧‧‧光耦合光學元件

190‧‧‧聚焦透鏡

P‧‧‧照明光束

I‧‧‧影像光束

T‧‧‧厚度

U‧‧‧未偏振光束

M‧‧‧調制光束

Claims (21)

1. 一種顯示模組，包括：一光源，用以提供一照明光束；一導光板，具有一第一表面、相對於該第一表面的一第二表面以及連接該第一表面和該第二表面的一入射表面，該照明光束經由該入射表面進入該導光板；一光學結構，連接至該導光板，且用以改變該照明光束的傳輸方向；一反射式顯示單元，用以調制該照明光束的一偏振態，以形成一調制光束，該第二表面配置於該反射式顯示單元及該第一表面之間；以及一反射式偏振器，該第一表面配置於該第二表面及該反射式偏振器之間，該反射式偏振器將該調制光束過濾成一影像光束。
2. 如申請專利範圍第1項所述的顯示模組，其中該光學結構為配置於導光板內的一圖案化散射結構。
3. 如申請專利範圍第1項所述的顯示模組，其中該光學結構為配置於該第一表面及該第二表面的至少其中之一上的一圖案化散射結構。
4. 如申請專利範圍第1項所述的顯示模組，更包括一成像鏡頭，其配置於來自該反射式偏振器的該影像光束的路徑上，以形成一實像或一虛像。
5. 如申請專利範圍第1項所述的顯示模組，其中該反射式顯 示單元為一微顯示器。
6. 如申請專利範圍第1項所述的顯示模組，其中該導光板更具有相對於該入射表面的一第三表面，該第三表面連接該第一表面及該第二表面，該顯示模組更包括配置於該第三表面上的一反射器。
7. 如申請專利範圍第1項所述的顯示模組，更包括配置於該入射表面的一光耦合光學元件。
8. 如申請專利範圍第1項所述的顯示模組，其中該光源包括：至少一發光元件，用以發出一未偏振光束；以及一偏振器，配置於該未偏振光束的路徑上，且用以將該未偏振光束過濾成一偏振光束，其中該照明光束為該偏振光束。
9. 如申請專利範圍第1項所述的顯示模組，更包括配置於該反射式顯示單元及該第二表面之間的該影像光束的路徑上的一聚焦透鏡。
10. 如申請專利範圍第1項所述的顯示模組，其中該第一表面為該導光板內的一第一介質及該導光板外的一第二介質的一介面，該第一介質的折射率大於該第二介質的折射率。
11. 如申請專利範圍第1項所述的顯示模組，其中該第二表面為該導光板內的一第一介質及該導光板外的一第三介質的一介面，該第一介質的折射率大於該第三介質的折射率。
12. 如申請專利範圍第1項所述的顯示模組，其中該光學結構的折射率不同於該導光板的折射率。
13. 如申請專利範圍第1項所述的顯示模組，更包括形成於該第一表面上及該光學結構的上方的一圖案化塗層，該圖案化塗層用以反射或吸收來自該光學結構的雜散光，其中該圖案化塗層的形狀及分布位置對應於該光學結構的形狀及分布位置。
14. 如申請專利範圍第13項所述的顯示模組，其中該圖案化塗層的材料包括黑色樹脂、鉻或鋁。
15. 如申請專利範圍第1項所述的顯示模組，其中該光源為一偏振光源，該照明光束為一偏振光束。
16. 一種光導引裝置，包括：一導光板，具有一第一表面、相對於該第一表面的一第二表面以及連接該第一表面及該第二表面的一入射表面，其中光束經由該入射表面進入該導光板；以及一光學結構，位於該導光板的內部，該光學結構用以改變光束的傳輸方向。
17. 如申請專利範圍第16項所述的光導引裝置，其中該光學結構為一圖案化散射結構。
18. 如申請專利範圍第16項所述的光導引裝置，其中該導光板更具有相對於該入射表面的一第三表面，該第三表面連接該第一表面及該第二表面，該光導引裝置更包括配置於該第三表面的一反射器。
19. 如申請專利範圍第16項所述的光導引裝置，更包括配置於該入射表面上的一光耦合光學元件。
20. 如申請專利範圍第16項所述的光導引裝置，其中該光學結構的折射率不同於該導光板的折射率。
21. 如申請專利範圍第16項所述的光導引裝置，更包括配置於該第一表面上的一反射式偏振器。