TW202034019A - 近眼顯示裝置 - Google Patents
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Abstract
一種近眼顯示裝置,包括光機、第一光波導及第二光波導。光機用以提供影像。第一光波導用以還原第一方向的視角範圍的影像。第一光波導包括沿第一方向設置的多個第一分光片。第二光波導配置於第一光波導的一側的入光區。第二光波導用以還原第二方向的視角範圍的影像。第二光波導包括沿第二方向設置的多個第二分光片。第一方向及第二方向決定參考平面。光機的光圈的直徑為P,第一分光片在參考平面上的投影寬度為d1,第二分光片在參考平面上的投影寬度為d2,且光圈的直徑P、投影寬度d1、投影寬度d2符合條件P>1.5d2≧d1。
Description
本發明是有關於一種顯示裝置,且特別是有關於一種近眼顯示裝置。
在增強實境(Augmented Reality,AR)的近眼顯示領域中,影像資訊如何導入人眼的機制主要有兩種:自由曲面稜鏡(freeform prism)及波導板(Waveguide)。利用自由曲面稜鏡主要的問題是厚度及重量較大且引入嚴重的畸變(distortion)。相較之下,利用波導板的架構明顯較為輕薄,且具有較大人眼移動範圍(eye box)。然而,波導板的架構雖未引入畸變卻引入了很多影像顯示上的瑕疵,諸如疊影、鏡射影像、均勻度下降、色差等。波導板現今亦有主要三種架構,主要分為全像式(Holographic type)、繞射結構式(Surface relief grating type)及幾何分光式(Geometrical beam splitter type)。前兩者在色差上的限制及對環境光的影響皆較幾何分光式的波導板有著更大的挑戰。
“先前技術”段落只是用來幫助了解本發明內容,因此在“先前技術”段落所揭露的內容可能包含一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的習知技術。在“先前技術”段落所揭露的內容,不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題,在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。
本發明提供一種近眼顯示裝置,可提升影像的亮度均勻性。
本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。為達上述的一或部份或全部目的或是其他目的,本發明的一實施例提出一種近眼顯示裝置。近眼顯示裝置包括光機、第一光波導及第二光波導。光機用以提供影像。第一光波導用以還原第一方向的視角範圍的影像。第一光波導包括沿第一方向設置的多個第一分光片。第二光波導配置於第一光波導的一側的入光區。第二光波導用以還原第二方向的視角範圍的影像。第二光波導包括沿第二方向設置的多個第二分光片。第一方向及第二方向決定參考平面。光機的光圈的直徑為P,第一分光片在參考平面上的投影寬度為d1,第二分光片在參考平面上的投影寬度為d2,且光圈的直徑P、投影寬度d1、投影寬度d2符合條件P>1.5d2≧d1。
在本發明的一實施例中,上述的第二光波導對應光機的光圈的區域設置有兩個第二分光片。第二光波導的出光有效區不包括上述兩個第二分光片。
在本發明的一實施例中,上述的兩個第二分光片包括反射率為100%的第二分光片以及反射率為50%且穿透率為50%的第二分光片。傳遞至反射率為100%的第二分光片的影像被反射至反射率為50%且穿透率為50%的第二分光片。
在本發明的一實施例中,上述的第二光波導對應光機的光圈的區域設置有兩個第二分光片,且兩個第二分光片的其一為一偏振分光片,第二光波導的出光有效區包括偏振分光片且不包括兩個第二分光片的另一。
在本發明的一實施例中,上述的近眼顯示裝置更包括半波片。半波片設置在光機的光圈與第二光波導的偏振分光片之間。光機所提供的影像具有第一偏振態。
在本發明的一實施例中,上述的具有第一偏振態的影像不通過半波片而直接傳遞至所述兩個第二分光片當中的一第二分光片。所述第二分光片的第一反射率為100%並且將具有第一偏振態的影像反射至所述偏振分光。
在本發明的一實施例中,上述具有第一偏振態的影像通過半波片且被轉換為具有第二偏振態的影像。具有第二偏振態的影像再傳遞至所述偏振分光片。所述偏振分光片的第一反射率為Ra、第二反射率為Rb、第一穿透率為Ta及第二穿透率為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符合條件Rb=Ta及Tb=Ra。
在本發明的一實施例中,上述的光機所提供的影像進入第二光波導並經由該些第二分光片導引至第一光波導的入光區,影像從該入光區進入第一光波導並經由該些第一分光片導引至一投影目標。
基於上述,本發明實施例的近眼顯示裝置具有二維幾何式波導板架構,可用以提升影像亮度的均勻度。
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。
有關本發明的前述及其他技術內容、特點與功效,在以下配合參考圖式的一較佳實施例的詳細說明中,將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語,例如:上、下、左、右、前或後等,僅是參考附加圖式的方向。因此,使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。
圖1繪示本發明一實施例的近眼顯示裝置的概要示意圖。圖2繪示圖1實施例的近眼顯示裝置的上視示意圖。圖3繪示圖1實施例的光機及第二光波導的側視示意圖。請參考圖1至圖3,本實施例的近眼顯示裝置100包括光機130、第一光波導110及第二光波導120。圖1所繪示的是用以提升影像的亮度均勻性的二維波導板架構。在本實施例中,近眼顯示裝置100將影像600投射至一投影目標200,例如眼睛瞳孔(eye pupil)。
在本實施例中,光機130用以提供影像400。第一光波導110用以還原第一方向Y的視角範圍的影像。第一光波導110包括沿第一方向Y設置的多個第一分光片BS1,該些第一分光片BS1彼此間隔配置於第一光波導110的兩相對表面之間。第二光波導120配置於第一光波導110的一側的入光區111。第二光波導120用以還原第二方向X的視角範圍的影像。第二光波導120包括沿第二方向X設置的多個第二分光片BS2。第一方向Y及第二方向X決定參考平面,即XY平面。參考平面(XY平面)與第三方向Z垂直。光機130的光圈ST的直徑為P,第一分光片BS1在XY平面上的投影寬度為d1,第二分光片BS2在XY平面上的投影寬度為d2,且光圈的直徑P、投影寬度d1、投影寬度d2符合條件P>1.5d2≧d1。更詳細的說明,第一光波導110的入光區111對應至少一第一分光片BS1(圖示繪示一片),且入光區111涵蓋的第一分光片與其他第一分光片的傾斜方向相反,即被入光區111所涵蓋的第一分光片的傾斜方向是配置用以將來自第二光波導120的影像導引向其他第一分光片BS1,而其他第一分光片BS1的傾斜方向是配置用以將接收到的影像導引至投影目標200。該些第二分光片BS2彼此平行且間隔配置於第二光波導120的兩相對表面之間。光機130所提供的影像進入第二光波導120並經由第二分光片BS2導引至第一光波導110的入光區111,影像從入光區111進入第一光波導110並經由第一分光片BS1導引至投影目標200。
在本實施例中,光機130的光圈ST約位在第二光波導120的入光面,且第二光波導120對應光機130的光圈ST的區域設置有兩個第二分光片122、124,即第二分光片122、124可同時接收來自光機130的影像400,如圖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例如是反射率為100%的分光片,可將影像400全部反射至第二分光片124。於其他實施例中,反射率為100%的第二分光片122可替換成一反射鏡,只要能將來自光機130的影像400全部反射至第二分光片124的光學元件皆可使用,本發明不以此為限。第二分光片124例如是反射率為50%且穿透率為50%的分光片。第二分光片124可接收來自第二分光片122的影像400,使影像400部分穿透且部分反射。第二分光片124也可直接接收來自光機130的影像400,使影像400部分穿透且部分反射。第二光波導120的出光有效區121不包括第二分光片122、124,如圖3所示,即從第二分光片122、124穿透的該部分影像不會被第一光波導導引並進入眼睛瞳孔。依據圖1至圖3的實施例的二維波導板架構,近眼顯示裝置100可消除光場系統中當人眼飄移時在離軸處觀測到的清楚疊影雜光,以提升影像的亮度均勻性。
圖4繪示本發明另一實施例的近眼顯示裝置的側視示意圖。請參考圖4,本實施例的近眼顯示裝置900更包括半波片140。半波片140設置在光機130(如圖3所示)的光圈ST與第二光波導120之間。在本實施例中,光機130提供具有第一偏振態的影像400(400a_1、400a_2)。在本實施例中,第二光波導120對應光機130(如圖3所示)的光圈ST的區域設置有兩個第二分光片126、128,即第二分光片126、128可同時接收來自光機130(如圖3所示)的影像400,如圖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配置於第二分光片128(偏振分光片)及光機130(如圖3所繪示)之間且沒有對應至第二分光片126,而具有第一偏振態的影像400包括直接傳遞至第二分光片126的影像400a_1以及傳遞至半波片140的影像400a_2。半波片140將具有第一偏振態的影像400a_2轉換為具有第二偏振態的影像400b_2,再傳遞至第二分光片128(偏振分光片)。在本實施例中,第一偏振態例如是p偏振態,第二偏振態例如是s偏振態。於其他實施例中,第一偏振態例如是s偏振態,第二偏振態例如是p偏振態。
在本實施例中,第二分光片126的第一反射率Ra為100%並且將具有第一偏振態的影像400a_1反射至第二分光片128。第一反射率Ra是指分光片針對具有第一偏振態的光束或影像的反射率。於其他實施例中,第一反射率Ra為100%的第二分光片126可替換成一反射鏡,只要能將具有第一偏振態的影像400a_1全部反射至第二分光片128的光學元件皆可使用,本發明不以此為限。
在本實施例中,第二分光片128 (偏振分光片) 的第一反射率為Ra、第二反射率為Rb、第一穿透率為Ta及第二穿透率為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符合條件Rb=Ta及Tb=Ra。第二反射率Rb是指分光片針對具有第二偏振態的光束或影像的反射率。第一穿透率Ta是指分光片針對具有第一偏振態的光束或影像的穿透率。第二穿透率Tb是指分光片針對具有第二偏振態的光束或影像的穿透率。因此,第二分光片128可接收來自第二分光片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也可接收來自半波片140的影像400b_2,使影像400b_2部分穿透且部分反射。第二光波導120的出光有效區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,如圖4所示。,即影像400a_1中被第二分光片128反射的部份以及影像400b_2中從第二分光片128穿透的部分會被第一光波導導引並進入眼睛瞳孔。
圖5繪示圖4實施例的輸出影像的概要示意圖。圖6繪示本發明一相關例的輸出影像的概要示意圖。請參考圖5至圖6,圖5繪示的輸出影像600例如是如圖2所示的從第一光波導110輸出至投影目標200的影像600。
在圖4的實施例中,近眼顯示裝置900更包括半波片140,且其第二分光片126、128的反射率、穿透率採用圖4實施例所述的設計方式,因此,相較於圖6的相關例的輸出影像800的亮度,圖5的輸出影像600的整體亮度更加均勻。因此,依據圖4的實施例的二維波導板架構,近眼顯示裝置900可消除光場系統中當人眼飄移時在離軸處觀測到的清楚疊影雜光,以提升影像的亮度均勻性。
圖7繪示本發明另一實施例的近眼顯示裝置的側視示意圖。請參考圖7,在本實施例的近眼顯示裝置700中,光機130的光圈的直徑P、第一分光片BS1在XY平面上的投影寬度為d1(如圖2所示的第一光波導110),第二分光片在XY平面上的投影寬度為d2,且光圈的直徑P、投影寬度d1、投影寬度d2符合條件P=d2≧1.5d1。另外,如圖7所繪示,光機的光圈ST對應至第二光波導120中一片第二分光片BS2,即光圈ST的直徑P等於第二分光片在XY平面上的投影寬度為d2,則第二光波導120對應具有較大的厚度t。因此,依據圖7的實施例的二維波導板架構,近眼顯示裝置700可消除光場系統中當人眼飄移時在離軸處觀測到的清楚疊影雜光,以提升影像的亮度均勻性。
綜上所述,本發明的實施例至少具有以下其中一個優點或功效。在本發明的實施例中,近眼顯示裝置具有包括兩個光波導的二維波導板架構,且光機的光圈直徑、第一分光片在參考平面上的投影寬度及第二分光片在參考平面上的投影寬度符合預設的設計條件。因此,在本發明的實施例的架構中,影像亮度的均勻度可被提升。
惟以上所述者,僅為本發明的較佳實施例而已,當不能以此限定本發明實施的範圍,即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作的簡單的等效變化與修飾,皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露的全部目的或優點或特點。此外,摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋的用途,並非用來限制本發明的權利範圍。此外,本說明書或申請專利範圍中提及的“第一”、“第二”等用語僅用以命名元件(element)的名稱或區別不同實施例或範圍,而並非用來限制元件數量上的上限或下限。
100、700、900:近眼顯示裝置
110:第一光波導
111:入光區
120:第二光波導
121:出光有效區
122、124、126、128、BS2:第二分光片
130:光機
140:半波片
200:投影目標
400、400a_1、400a_2、400b_2、600、800:影像
BS1:第一分光片
d1、d2:投影寬度
P:直徑
ST:光圈
t:厚度
X:第二方向
Y:第一方向
Z:第三方向
圖1繪示本發明一實施例的近眼顯示裝置的概要示意圖。
圖2繪示圖1實施例的近眼顯示裝置的上視示意圖。
圖3繪示圖1實施例的光機及第二光波導的側視示意圖。
圖4繪示本發明另一實施例的近眼顯示裝置的側視示意圖。
圖5繪示圖4實施例的輸出影像的概要示意圖。
圖6繪示本發明一相關例的輸出影像的概要示意圖。
圖7繪示本發明另一實施例的近眼顯示裝置的側視示意圖。
120:第二光波導
121:出光有效區
122、124、BS2:第二分光片
130:光機
400:影像
d2:投影寬度
P:直徑
ST:光圈
X:第二方向
Y:第一方向
Z:第三方向
Claims (8)
- 一種近眼顯示裝置,包括: 一光機,用以提供一影像; 一第一光波導,用以還原一第一方向的視角範圍的該影像,並且包括沿該第一方向設置的多個第一分光片;以及 一第二光波導,配置於該第一光波導的一側的入光區,用以還原一第二方向的視角範圍的該影像,並且包括沿該第二方向設置的多個第二分光片,該第一方向及該第二方向決定一參考平面, 其中該光機的光圈的直徑為P,該第一分光片在該參考平面上的投影寬度為d1,該第二分光片在該參考平面上的投影寬度為d2,且該光圈的該直徑P、該投影寬度d1、該投影寬度d2符合條件P>1.5d2≧d1。
- 如申請專利範圍第1項所述的近眼顯示裝置,其中該第二光波導對應該光機的該光圈的區域設置有兩個第二分光片,該第二光波導的出光有效區不包括該兩個第二分光片。
- 如申請專利範圍第2項所述的近眼顯示裝置,其中所述兩個第二分光片包括反射率為100%的一第二分光片以及反射率為50%且穿透率為50%的一第二分光片,其中傳遞至反射率為100%的該第二分光片的該影像被反射至反射率為50%且穿透率為50%的該第二分光片。
- 如申請專利範圍第1項所述的近眼顯示裝置,其中該第二光波導對應該光機的該光圈的區域設置有兩個第二分光片,且該兩個第二分光片的其一為一偏振分光片,該第二光波導的出光有效區包括該偏振分光片且不包括該兩個第二分光片的另一。
- 如申請專利範圍第4項所述的近眼顯示裝置,更包括: 一半波片,設置在該光機的該光圈與該第二光波導的該偏振分光片之間,其中該光機所提供的該影像具有一第一偏振態。
- 如申請專利範圍第5項所述的近眼顯示裝置,其中具有該第一偏振態的該影像不通過該半波片而直接傳遞至所述兩個第二分光片當中的一第二分光片,且該第二分光片的第一反射率為100%並且將具有該第一偏振態的該影像反射至該偏振分光片。
- 如申請專利範圍第6項所述的近眼顯示裝置,其中具有該第一偏振態的該影像通過該半波片且被轉換為具有一第二偏振態的該影像,具有該第二偏振態的該影像再傳遞至該偏振分光片,且該偏振分光片的第一反射率為Ra、第二反射率為Rb、第一穿透率為Ta及第二穿透率為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符合條件Rb=Ta及Tb=Ra。
- 如申請專利範圍第1項所述的近眼顯示裝置,其中該光機所提供的該影像進入該第二光波導並經由該些第二分光片導引至該第一光波導的該入光區,該影像從該入光區進入該第一光波導並經由該些第一分光片導引至一投影目標。
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