TW201710741A - 顯示系統及其適用之頭戴式顯示器 - Google Patents

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黃俊杰
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Abstract

本案係關於一種顯示系統，包括光積分柱、固態發光元件、第一全內反射稜鏡、反射鏡、第二全內反射稜鏡、數位微鏡裝置及目鏡。固態發光元件設置於光積分柱之入口端。第一全內反射稜鏡具有第一表面、第二表面及第三表面，且第一表面鄰設於光積分柱之出口端。反射鏡設置於第二表面。第二全內反射稜鏡具有第四表面、第五表面及第六表面，且第四表面與第三表面相接觸；數位微鏡裝置鄰設於第五表面。目鏡鄰設於第六表面。光線係沿照明光路徑入射至數位微鏡裝置，再沿成像光路徑投射至成像面。藉此，可使顯示系統之體積有效地被縮減。

Description

顯示系統及其適用之頭戴式顯示器
本案係關於一種顯示系統，尤指一種顯示系統及其適用之頭戴式顯示器。
近年來，頭戴式顯示器以及近眼顯示器已成為科技產品的一種研發方向，期能為使用者帶來更便利的生活，甚至進一步應用於物聯網中。
一般而言，現行的頭戴式顯示器多以眼鏡造型呈現。請參閱第1圖，其係顯示傳統頭戴式顯示器之結構示意圖。如第1圖所示，現行的傳統頭戴式顯示器1通常係將光學裝置11設置在眼鏡框架12上，並透過光路的設計使影像或光線能投射至使用者的眼睛E中，以令使用者得以看見影像。然而，此種傳統頭戴式顯示器1因為受限於光學裝置11及眼鏡框架12的厚度，顯得十分笨重，往往造成使用者體驗不佳而不願使用。
為改善此種使用者體驗，另一形式的傳統頭戴式顯示器遂被開發出來。請參閱第2圖，其係顯示另一傳統頭戴式顯示器之結構示意圖。如第2圖所示，此形式的傳統頭戴式顯示器2係將光學裝置的一部份設置於眼鏡框架20上，故相較於前述傳統頭戴式顯示器1，係可稍微地減低眼鏡本體21的厚度。然而，由於眼鏡本體21中仍須設置顯示裝置、目鏡及反射鏡等元件，故眼鏡本體21實際上仍具有一定的厚度，無法真正達到類似眼鏡的外觀。
同時，由於前述的傳統頭戴式顯示器一般係採用有機發光二極體(Organic Light-Emitting Diode, OLED)面板。因為有機發光二極體面板的面積較大，且其面板的像素係屬於自發光的全向性照射，不僅會使頭戴式顯示器的體積無法有效地縮減，更會因為全向性發光的特性造成大量光的浪費，進而導致大量耗電。
故此，如何發展一種顯示系統及其適用之頭戴式顯示器，以使頭戴式顯示器的體積能夠有效地被縮減，同時大量提升光的利用率，實為目前尚待解決之問題。
本案之主要目的為提供一種顯示系統及其適用之頭戴式顯示器，俾解決前述先前技術存在的各項問題與缺點。
本案之另一目的為提供一種顯示系統及其適用之頭戴式顯示器，藉由設置第一全內反射稜鏡及第二全內反射稜鏡，並使第一全內反射稜鏡之第三表面與第二全內反射稜鏡之第四表面相接觸，可使照明光路徑與成像光路徑共用第一全內反射稜鏡及第二全內反射稜鏡，進而使得顯示系統之體積有效地被縮減。
本案之另一目的為提供一種顯示系統及其適用之頭戴式顯示器，透過選用複數個發光二極體作為固態照明元件，用照明中繼光路(Relay lens)以轉換發光二極體端的出射角到進入微型面板的入射角，可使得發光二極體所發出的光完全地被應用，大幅提升發光效率以及光的利用率。
本案之另一目的為提供一種顯示系統及其適用之頭戴式顯示器，透過採用一波導稜鏡元件，有效地保持成像光線的入射角度，且由於波導稜鏡的薄板外觀，可使得頭戴式顯示器的體積有效地被縮減。
為達上述目的，本案之一較佳實施態樣為提供一種顯示系統，包括：一光積分柱；一固態發光元件，設置於該光積分柱之一入口端，用以發出一光線至該光積分柱；一第一全內反射稜鏡，具有一第一表面、一第二表面及一第三表面，其中該第一表面係鄰設於該光積分柱之一出口端；一反射鏡，設置於該第二表面；一第二全內反射稜鏡，具有一第四表面、一第五表面及一第六表面，其中該第四表面係與該第三表面相接觸；一數位微鏡裝置，鄰設於該第五表面；以及一目鏡，鄰設於該第六表面；其中，該光線係沿一照明光路徑依序穿透該光積分柱，自該第一表面入射至該第一全內反射稜鏡，受該第三表面及該反射鏡反射，而後穿透該第三表面、該第四表面及該第五表面，以入射至該數位微鏡裝置，再沿一成像光路徑依序受該數位微鏡裝置反射，自該第五表面入射至該第二全內反射稜鏡，再受該第四表面反射，而後穿透該第六表面以及該目鏡，俾投射至一成像面。
為達上述目的，本案之另一較佳實施態樣為提供一種頭戴式顯示器，包括：一框體；一顯示系統，包括：一光積分柱；一固態發光元件，設置於該光積分柱之一入口端，用以發出一光線至該光積分柱；一第一全內反射稜鏡，具有一第一表面、一第二表面及一第三表面，其中該第一表面係鄰設於該光積分柱之一出口端；一反射鏡，設置於該第二表面；一第二全內反射稜鏡，具有一第四表面、一第五表面及一第六表面，其中該第四表面係與該第三表面相接觸；一數位微鏡裝置，鄰設於該第五表面；以及一目鏡，鄰設於該第六表面；其中，該光線係沿一照明光路徑依序穿透該光積分柱，自該第一表面入射至該第一全內反射稜鏡，受該第三表面及該反射鏡反射，而後穿透該第三表面、該第四表面及該第五表面，以入射至該數位微鏡裝置，再沿一成像光路徑依序受該數位微鏡裝置反射，自該第五表面入射至該第二全內反射稜鏡，再受該第四表面反射，而後穿透該第六表面以及該目鏡，俾投射至一成像面(對應於眼睛的瞳孔)；以及一波導元件，與該成像面重疊設置，以使成像光線的入射角度差異介於正15度角至負15度角之間(不同入射角度對應於數位微鏡的不同位置，而波導元件傳導不變的入射角度於眼睛的瞳孔)；其中，該框體、該固態發光元件、該光積分柱、該第一全內反射稜鏡、該數位微鏡裝置、該第二全內反射稜鏡、該目鏡及該波導元件係依序設置於一直線上。

1‧‧‧傳統頭戴式顯示器
11‧‧‧光學裝置
12‧‧‧眼鏡框架
2‧‧‧傳統頭戴式顯示器
20‧‧‧眼鏡框架
21‧‧‧眼鏡本體
E‧‧‧眼睛
3‧‧‧顯示系統
31‧‧‧光積分柱
311‧‧‧入口端
312‧‧‧出口端
32‧‧‧固態發光元件
33‧‧‧第一全內反射稜鏡
34‧‧‧反射鏡
35‧‧‧第二全內反射稜鏡
36‧‧‧數位微鏡裝置
37‧‧‧目鏡
370‧‧‧凹透鏡
371‧‧‧第一凸透鏡
372‧‧‧第二凸透鏡
38‧‧‧成像面
4‧‧‧頭戴式顯示器
41‧‧‧框體
42‧‧‧波導元件
42U‧‧‧上底面
A1‧‧‧第一光軸
A2‧‧‧第二光軸
L‧‧‧直線
S1‧‧‧第一表面
S2‧‧‧第二表面
S3‧‧‧第三表面
S4‧‧‧第四表面
S5‧‧‧第五表面
S6‧‧‧第六表面

第1圖係顯示傳統頭戴式顯示器之結構示意圖。
第2圖係顯示另一傳統頭戴式顯示器之結構示意圖。
第3圖係顯示本案較佳實施例之顯示系統之結構示意圖。
第4圖係顯示本案較佳實施例之頭戴式顯示器之結構示意圖。
體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。
請參閱第3圖，其係顯示本案較佳實施例之顯示系統之結構示意圖。如第3圖所示，本案之顯示系統3係包括光積分柱31、固態發光元件32、第一全內反射稜鏡33、反射鏡34、第二全內反射稜鏡35、數位微鏡裝置(Digital Micromirror Device, DMD)36及目鏡37。其中，固態發光元件32係設置於光積分柱31之入口端311，用以發出一光線至光積分柱31。第一全內反射稜鏡33係具有第一表面S1、第二表面S2及第三表面S3，第一表面S1係鄰設於光積分柱31之出口端312。反射鏡34係設置於第一全內反射稜鏡33之第二表面S2，且較佳係形成於該第二表面S2，例如鍍覆於第二表面S2，但不以此為限。第二全內反射稜鏡35係具有第四表面S4、第五表面S5及第六表面S6，該第四表面S4係與第一全內反射稜鏡33之第三表面S3相接觸。數位微鏡裝置36係鄰設於第五表面S5，目鏡37係鄰設於第六表面S6。
固態發光元件32發出之光線係沿一照明光路徑依序穿透光積分柱31，自第一表面S1入射至第一全內反射稜鏡33，受第三表面S3及反射鏡34反射，而後穿透第三表面S3、第四表面S4及第五表面S5，以入射至數位微鏡裝置36，再沿一成像光路徑依序受數位微鏡裝置36反射，自第五表面S5入射至第二全內反射稜鏡35，再受第四表面S4反射，而後穿透第六表面S6以及目鏡37，俾投射至一成像面38，其中光積分柱31之出口端312及成像面38係互為共軛面。換言之，本案藉由設置第一全內反射稜鏡33及第二全內反射稜鏡35，並使第一全內反射稜鏡33之第三表面S3與第二全內反射稜鏡35之第四表面S4相接觸，可使照明光路徑與成像光路徑共用第一全內反射稜鏡33及第二全內反射稜鏡35，進而使得顯示系統3之體積有效地被縮減。
於此實施例中，第一全內反射稜鏡33較佳係為一三角柱體，且第一全內反射稜鏡33之第一表面S1、第二表面S2及第三表面S3較佳係以順時針方向依序排列，但不以此為限。第二全內反射稜鏡35較佳係為一三角柱體，且第二全內反射稜鏡35之第四表面S4、第五表面S5及第六表面S6較佳係以逆時針方向依序排列，然亦不以此為限。此外，第一全內反射稜鏡33與第二全內反射稜鏡35係共同設置於光積分柱31及目鏡37之間。
於一些實施例中，固態發光元件32係包括複數個發光二極體，光積分柱31係為一錐形柱體，且固態發光元件32係與光積分柱31相連接，以使發光二極體發出的光線完全地被導入光積分柱31中，利用發光二極體之指向性照明(用照明中繼光路以轉換發光二極體端的出射角到進入微型面板的入射角)，可使發出的光線於照明光路徑及成像光路徑中完全地被應用，進而大幅提升發光效率以及光的利用率。
根據本案之構想，固態發光元件32發出之光線係沿一第一光軸A1自光積分柱31入射至第一全內反射稜鏡33，且該光線係沿一第二光軸A2自第二全內反射稜鏡35入射至目鏡37。其中，第一光軸A1之延伸及第二光軸A2之延伸的夾角係小於或等於15度角。較佳地，第一光軸A1係與第二光軸A2相互平行，但不以此為限。
於一些實施例中，固態發光元件32、光積分柱31、第一全內反射稜鏡33、數位微鏡裝置36、第二全內反射稜鏡35、目鏡37及成像面38係依序設置於一直線L上，應注意的是本案之顯示系統3的主要元件無須如習知技術遷就光路轉折而設置於不同直線上，故可使得顯示系統3的體積有效地被縮減。進一步地，為有效提升影像於成像面38的解析度，本案的目鏡37較佳係包括凹透鏡370、第一凸透鏡371及第二凸透鏡372，且凹透鏡370、第一凸透鏡371及第二凸透鏡372係沿成像光路徑依序設置。簡言之，凹透鏡370、第一凸透鏡371及第二凸透鏡372亦依序設置於直線L上。
請參閱第4圖並配合第3圖，其中第4圖係顯示本案較佳實施例之頭戴式顯示器之結構示意圖。如第3圖及第4圖所示，本案之顯示系統3及頭戴式顯示器4係可包括波導元件42，波導元件42係為一梯形稜鏡，且該梯形稜鏡之一上底面42U及上底面42U之延伸係與成像面38之延伸重疊設置，以使成像光線的入射角度差異介於正15度角至負15度角之間，但不以此為限。同時，由於梯形稜鏡的薄板外觀，可使得頭戴式顯示器4的體積有效地被縮減。
於較佳實施例中，本案的頭戴式顯示器4係包括框體41、顯示系統3及波導元件42。其中，顯示系統3包括光積分柱31、固態發光元件32、第一全內反射稜鏡33、反射鏡34、第二全內反射稜鏡35、數位微鏡裝置36及目鏡37，由於該等元件與前述實施例所述之光積分柱31、固態發光元件32、第一全內反射稜鏡33、反射鏡34、第二全內反射稜鏡35、數位微鏡裝置36及目鏡37相同，故於此不再贅述。於本案頭戴式顯示器4中，波導元件42之上底面42U及其延伸係與成像面38之延伸重疊設置，以使成像光線的入射角度差異介於正15度角至負15度角之間。同時，框體41、固態發光元件32、光積分柱31、第一全內反射稜鏡33、數位微鏡裝置36、第二全內反射稜鏡35、目鏡37及波導元件42係依序設置於一直線L上。應注意的是本案將顯示系統3的全部主要元件設置於同一直線上，可使得顯示系統3及頭戴式顯示器4的體積有效地被縮減，且無須如習知技術遷就光路轉折而使體積受限於主要元件的設置。
此外，本案的顯示系統3係可進一步地整合設置於框體41內，亦即顯示系統3被框體41完整包覆，進而形成例如眼鏡鏡架之外觀，但不以此為限。換句話說，當本案的頭戴式顯示器4製成如眼鏡之外觀時，眼鏡鏡體部分僅有波導元件，故可使鏡體部分的體積與傳統眼鏡相仿，使得使用者體驗大幅提升。
綜上所述，本案提供一種顯示系統及其適用之頭戴式顯示器，藉由設置第一全內反射稜鏡及第二全內反射稜鏡，並使第一全內反射稜鏡之第三表面與第二全內反射稜鏡之第四表面相接觸，可使照明光路徑與成像光路徑共用第一全內反射稜鏡及第二全內反射稜鏡，進而使得顯示系統之體積有效地被縮減。此外，透過選用複數個發光二極體作為固態發光元件，因發光二極體之指向性照明元件特性，可使得發光二極體所發出的光完全地被應用，大幅提升發光效率以及光的利用率。同時，透過採用一梯形稜鏡作為波導元件，並使波導元件的一端與對應於以眼睛瞳孔的成像面重疊設置，可有效地保持成像光線的入射角度，且由於梯形稜鏡的薄板外觀，可使得頭戴式顯示器的體積有效地被縮減。
縱使本發明已由上述之實施例詳細敘述而可由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
 
3‧‧‧顯示系統
31‧‧‧光積分柱
311‧‧‧入口端
312‧‧‧出口端
32‧‧‧固態發光元件
33‧‧‧第一全內反射稜鏡
34‧‧‧反射鏡
35‧‧‧第二全內反射稜鏡
36‧‧‧數位微鏡裝置
37‧‧‧目鏡
370‧‧‧凹透鏡
371‧‧‧第一凸透鏡
372‧‧‧第二凸透鏡
38‧‧‧成像面
A1‧‧‧第一光軸
A2‧‧‧第二光軸
L‧‧‧直線
S1‧‧‧第一表面
S2‧‧‧第二表面
S3‧‧‧第三表面
S4‧‧‧第四表面
S5‧‧‧第五表面
S6‧‧‧第六表面

Claims (15)

  1. 一種顯示系統，包括：
    　　一光積分柱；
    　　一固態發光元件，設置於該光積分柱之一入口端，用以發出一光線至該光積分柱；
    　　一第一全內反射稜鏡，具有一第一表面、一第二表面及一第三表面，其中該第一表面係鄰設於該光積分柱之一出口端；
    　　一反射鏡，設置於該第二表面；
    　　一第二全內反射稜鏡，具有一第四表面、一第五表面及一第六表面，其中該第四表面係與該第三表面相接觸；
    　　一數位微鏡裝置，鄰設於該第五表面；以及
    　　一目鏡，鄰設於該第六表面；
    　　其中，該光線係沿一照明光路徑依序穿透該光積分柱，自該第一表面入射至該第一全內反射稜鏡，受該第三表面及該反射鏡反射，而後穿透該第三表面、該第四表面及該第五表面，以入射至該數位微鏡裝置，再沿一成像光路徑依序受該數位微鏡裝置反射，自該第五表面入射至該第二全內反射稜鏡，再受該第四表面反射，而後穿透該第六表面以及該目鏡，俾投射至一成像面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之顯示系統，其中該固態發光元件係與該光積分柱相連接。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之顯示系統，其中該光線係沿一第一光軸自該光積分柱入射至該第一全內反射稜鏡，且該光線係沿一第二光軸自該第二全內反射稜鏡入射至該目鏡。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之顯示系統，其中該第一光軸之延伸及該第二光軸之延伸的夾角係小於或等於15度角。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之顯示系統，其中該第一光軸係與該第二光軸相互平行。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之顯示系統，其中該固態發光元件、該光積分柱、該第一全內反射稜鏡、該數位微鏡裝置、該第二全內反射稜鏡、該目鏡及該成像面係依序設置於一直線上。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之顯示系統，其中該第一全內反射稜鏡係為一三角柱體，該第二全內反射稜鏡係為一三角柱體，且該第一全內反射稜鏡與該第二全內反射稜鏡係共同設置於該光積分柱及該目鏡之間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之顯示系統，其中該光積分柱之該出口端及該成像面係互為共軛面。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之顯示系統，更包括一波導元件，該波導元件係為一梯形稜鏡，且該梯形稜鏡之一上底面及該上底面之延伸係與該成像面之延伸重疊設置，以使成像光線的入射角度差異介於正15度角至負15度角之間。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之顯示系統，其中該目鏡包括一凹透鏡、一第一凸透鏡及一第二凸透鏡，且該凹透鏡、該第一凸透鏡及該第二凸透鏡係沿該成像光路徑依序設置。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之顯示系統，其中該光積分柱係為一錐形柱體。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之顯示系統，其中該固態發光元件係包括至少一個發光二極體。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之顯示系統，其中該反射鏡係形成於該第二表面。
  14. 一種頭戴式顯示器，包括：
    　　一框體；
    　　一顯示系統，包括：
    　　　　一光積分柱；
    　　　　一固態發光元件，設置於該光積分柱之一入口端，用以發出一光線至該光積分柱；
    　　　　一第一全內反射稜鏡，具有一第一表面、一第二表面及一第三表面，其中該第一表面係鄰設於該光積分柱之一出口端；
    　　　　一反射鏡，設置於該第二表面；
    　　　　一第二全內反射稜鏡，具有一第四表面、一第五表面及一第六表面，其中該第四表面係與該第三表面相接觸；
    　　　　一數位微鏡裝置，鄰設於該第五表面；以及
    　　　　一目鏡，鄰設於該第六表面；
    　　　　其中，該光線係沿一照明光路徑依序穿透該光積分柱，自該第一表面入射至該第一全內反射稜鏡，受該第三表面及該反射鏡反射，而後穿透該第三表面、該第四表面及該第五表面，以入射至該數位微鏡裝置，再沿一成像光路徑依序受該數位微鏡裝置反射，自該第五表面入射至該第二全內反射稜鏡，再受該第四表面反射，而後穿透該第六表面以及該目鏡，俾投射至一成像面；以及
    　　一波導元件，與該成像面重疊設置，以使成像光線的入射角度差異介於正15度角至負15度角之間；
    　　其中，該框體、該固態發光元件、該光積分柱、該第一全內反射稜鏡、該數位微鏡裝置、該第二全內反射稜鏡、該目鏡及該波導元件係依序設置於一直線上。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之頭戴式顯示器，其中該顯示系統係整合設置於該框體內。
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