TW202034020A - 近眼顯示裝置 - Google Patents

近眼顯示裝置 Download PDF

Info

Publication number
TW202034020A
TW202034020A TW108122722A TW108122722A TW202034020A TW 202034020 A TW202034020 A TW 202034020A TW 108122722 A TW108122722 A TW 108122722A TW 108122722 A TW108122722 A TW 108122722A TW 202034020 A TW202034020 A TW 202034020A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
optical waveguide
light
image
display device
eye display
Prior art date
Application number
TW108122722A
Other languages
English (en)
Other versions
TWI690731B (zh
Inventor
羅翊戩
簡宏達
Original Assignee
中強光電股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 中強光電股份有限公司 filed Critical 中強光電股份有限公司
Application granted granted Critical
Publication of TWI690731B publication Critical patent/TWI690731B/zh
Publication of TW202034020A publication Critical patent/TW202034020A/zh

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/12—Beam splitting or combining systems operating by refraction only
    • G02B27/126—The splitting element being a prism or prismatic array, including systems based on total internal reflection
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/14—Beam splitting or combining systems operating by reflection only
    • G02B27/145—Beam splitting or combining systems operating by reflection only having sequential partially reflecting surfaces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/0035—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/011—Head-up displays characterised by optical features comprising device for correcting geometrical aberrations, distortion
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0118—Head-up displays characterised by optical features comprising devices for improving the contrast of the display / brillance control visibility
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0123—Head-up displays characterised by optical features comprising devices increasing the field of view
    • G02B2027/0125—Field-of-view increase by wavefront division
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0013—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)

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。第二光波導具有第一表面及相對於第一表面的第二表面。第一表面面向第一光波導。各第二分光片與第二表面之間具有夾角。夾角介於0到90度之間且不等於45度。本發明的近眼顯示裝置可用以消除鏡射影像。

Description

近眼顯示裝置
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，可消除鏡射影像的瑕疵。
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。第二光波導具有第一表面及相對於第一表面的第二表面。第一表面面向第一光波導。各第二分光片與第二表面之間具有夾角。夾角介於0到90度之間且不等於45度。
在本發明的一實施例中，上述的夾角是介於15到44度或46到60度之間的夾角。
在本發明的一實施例中，上述的第一光波導的入光區涵蓋至少兩片的第一分光片。
在本發明的一實施例中，上述的第一光波導的入光區在第一方向上的寬度為d以及第二光波導在第一方向上的總寬度為D，其滿足：0.5D＜d＜2D。
在本發明的一實施例中，上述的夾角等於30度。
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第二分光片導引至第一光波導的入光區，影像從入光區進入第一光波導並經由第一分光片導引至投影目標。
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，可用以消除鏡射影像。
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實施例的近眼顯示裝置的側視示意圖。圖4繪示圖1實施例的光機及第二光波導的側視示意圖。圖5繪示圖1實施例的第二光波導的側視示意圖。請參考圖1至圖5，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所繪示的是用以消除鏡射影像的二維波導板架構。在本實施例中，近眼顯示裝置100將消除鏡射影像後的影像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。第二光波導120具有第一表面S1及第二表面S2。第二表面S2在第三方向Z上相對於第一表面S1。第一表面S1面向第一光波導110。該些第二分光片BS2彼此平行且間隔配置於第二光波導120的第一表面S1及第二表面S2之間。第二分光片BS2與第二表面S2之間具有夾角θ。夾角θ介於0到90度之間且不等於45度，如圖3所繪示，例如，夾角θ是介於15到44度或46到60度之間的夾角。在圖4中，夾角θ例如是30度，出射光的角度無論位於何處其角度皆與入射光相同。
在本實施例中，第一光波導110的入光區111在第一方向Y上的寬度d以及第二光波導120在第一方向Y上的總寬度D滿足：0.5D＜d＜2D；即第一光波導110的入光區111在第一方向Y上的寬度d可以等於第二光波導120在第一方向Y上的總寬度D (如圖2所繪示)，而第一光波導110的入光區111在第一方向Y上的寬度d也可以相似於第二光波導120在第一方向Y上的總寬度D。在圖4及圖5中，影像400進入第二光波導120後，其第一方向Y維度(水平維度)在第二光波導120中傳遞時不會被其左右兩側的表面全反射，因此可消除第一方向Y維度因全反射產生的鏡射影像。
在本實施例中，隨著光機130所提供的影像400傳遞至第二光波導120的入光口500變大，第一光波導110的入光區可利用一片以上的分光片架構來涵蓋從第二光波導120輸出光的總出光面積。例如在圖1及圖2中，第一光波導110的入光區111涵蓋至少兩片的第一分光片。此處以入光區111涵蓋四片第一分光片為例，但其數量不用以限定本發明。在本實施例中，入光區111涵蓋四片彼此相互平行且間隔配置的第一分光片，且上述被入光區111所涵蓋的第一分光片與其他第一分光片BS1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。其中被入光區111所涵蓋的第一分光片112例如是反射率為100％的分光片，第一分光片114例如是反射率為50％且穿透率為50％的分光片，第一分光片116例如是反射率為33％且穿透率為67％的分光片。於其他實施例中，反射率為100％的第一分光片112可替換成一反射鏡，只要能將來自第二光波導120的光全部反射至第一分光片114的光學元件皆可使用，本發明不以此為限。此外，也因為在第一光波導110的入光區111處設置有多片分光片，因此，也可降低因入光口500增大而必須增加第一光波導尺寸的比例。
圖6繪示本發明一實施例的輸入影像的概要示意圖。圖7繪示本發明一實施例的輸出影像的概要示意圖。圖8繪示本發明一相關例的輸出影像的概要示意圖。請參考圖6至圖8，圖6繪示的輸入影像400例如是如圖4所示的從光機130輸入至第二光波導120的影像400。圖7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(例如是眼睛瞳孔)的影像600。
在圖8的相關例中，若第二光波導的各第二分光片與其表面的夾角θ等於45度，則光機130所提供的第二方向X維度(垂直維度)的視角的影像在第二光波導120中傳遞時為對稱分布，因此第二光波導的輸出影像800包括因在傳遞時的全反射所造成垂直維度的鏡像影像。在圖6及圖7的實施例中，若第二光波導的各第二分光片與其表面的夾角θ等於30度，則光機所提供的垂直維度的視角的影像在傳遞第二光波導120時為非對稱分布(如圖5所示)，直到傳遞至多個第二分光片BS2時，被轉換為對稱分布(如圖4所示)反射至第一光波導110，因此在第二方向X上的鏡射影像可被消除。因此，在本發明的實施例的架構中，可得到一個無鏡射影像的虛像結果，如圖7所示。
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，第一光波導的入光區內至少具有兩個分光片，第二光波導與其表面的夾角不等於45度。此外，第二光波導的寬度變寬使得影像在第二光波導中傳遞時不會與其兩側表面發生全反射。因此，在本發明的實施例的架構中，鏡射影像可被消除。
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:近眼顯示裝置 110:第一光波導 111:入光區 112、114、116、BS1:第一分光片 120:第二光波導 130:光機 200:投影目標 400、600、800:影像 500:入光口 BS2:第二分光片 d、D:寬度 S1:第一表面 S2:第二表面 X:第二方向 Y:第一方向 Z:第三方向 θ:夾角
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實施例的近眼顯示裝置的側視示意圖。 圖4繪示圖1實施例的光機及第二光波導的側視示意圖。 圖5繪示圖1實施例的第二光波導的側視示意圖。 圖6繪示本發明一實施例的輸入影像的概要示意圖。 圖7繪示本發明一實施例的輸出影像的概要示意圖。 圖8繪示本發明一相關例的輸出影像的概要示意圖。
100:近眼顯示裝置
110:第一光波導
111:入光區
120:第二光波導
BS2:第二分光片
S1:第一表面
S2:第二表面
X:第二方向
Y:第一方向
Z:第三方向
θ:夾角

Claims (6)

  1. 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， 其中該第二光波導具有一第一表面及相對於該第一表面的一第二表面，該第一表面面向該第一光波導，以及各該些第二分光片與該第二表面之間具有一夾角，該夾角介於0到90度之間且不等於45度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的近眼顯示裝置，其中該夾角是介於15到44度或46到60度之間的一夾角。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的近眼顯示裝置，其中該第一光波導的該入光區涵蓋至少兩片的該些第一分光片。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的近眼顯示裝置，其中該第一光波導的該入光區在該第一方向上的寬度為d以及該第二光波導在該第一方向上的總寬度為D，其滿足：0.5D＜d＜2D。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的近眼顯示裝置，其中該夾角等於30度。
  6. 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。
TW108122722A 2019-03-13 2019-06-27 近眼顯示裝置 TWI690731B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910186957.2 2019-03-13
CN201910186957.2A CN111694149A (zh) 2019-03-13 2019-03-13 近眼显示装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TWI690731B TWI690731B (zh) 2020-04-11
TW202034020A true TW202034020A (zh) 2020-09-16

Family

ID=69723848

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW108122722A TWI690731B (zh) 2019-03-13 2019-06-27 近眼顯示裝置

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20200292820A1 (zh)
EP (1) EP3709073A1 (zh)
CN (1) CN111694149A (zh)
TW (1) TWI690731B (zh)

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IL162573A (en) * 2004-06-17 2013-05-30 Lumus Ltd Optical component in a large key conductive substrate
RU2579804C1 (ru) * 2014-09-16 2016-04-10 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Оптическое устройство для формирования изображений дополненной реальности
TWI574046B (zh) * 2015-09-30 2017-03-11 中強光電股份有限公司 光學模組以及頭戴式顯示裝置
US9915825B2 (en) * 2015-11-10 2018-03-13 Microsoft Technology Licensing, Llc Waveguides with embedded components to improve intensity distributions
CN107290816B (zh) * 2016-03-30 2020-04-24 中强光电股份有限公司 光波导元件以及具有此光波导元件的头戴式显示装置
KR102170123B1 (ko) * 2016-12-14 2020-10-26 주식회사 엘지화학 차광막이 형성되어 있는 도파관 및 이의 제조방법
US10409066B2 (en) * 2017-01-19 2019-09-10 Coretronic Corporation Head-mounted display device with waveguide elements
CN108333752B (zh) * 2017-01-19 2020-12-29 中强光电股份有限公司 光学系统以及头戴式显示装置
US10175423B2 (en) * 2017-05-31 2019-01-08 Microsoft Technology Licensing, Llc Optical waveguide using overlapping optical elements
CN107238928B (zh) * 2017-06-09 2020-03-06 京东方科技集团股份有限公司 一种阵列波导

Also Published As

Publication number Publication date
CN111694149A (zh) 2020-09-22
TWI690731B (zh) 2020-04-11
US20200292820A1 (en) 2020-09-17
EP3709073A1 (en) 2020-09-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7190337B2 (ja) 回折光学レンズを具備した多重映像ディスプレイ装置
JP7424635B2 (ja) 二次元の拡大を伴う導光光学素子を含む光学システム
US10393930B2 (en) Large-field-of-view waveguide supporting red, green, and blue in one plate
US10386642B2 (en) Holographic see-through optical device, stereoscopic imaging system, and multimedia head mounted system
TWI574046B (zh) 光學模組以及頭戴式顯示裝置
US10634925B2 (en) Display system
TWI724732B (zh) 波導裝置及光學引擎
US11941881B2 (en) Method and system for pupil separation in a diffractive eyepiece waveguide display
US20210181508A1 (en) Near-eye display apparatus
CN110603467A (zh) 衍射式显示器、其光导元件及投影仪以及显示图像的方法
US20210263319A1 (en) Head-mounted display with volume substrate-guided holographic continuous lens optics
TW202131053A (zh) 採用散光光學器件和像差補償的顯示器
CN212647164U (zh) 一种近眼显示设备
TWI690729B (zh) 近眼顯示裝置
TWI690731B (zh) 近眼顯示裝置
JP2020016877A (ja) 投影装置
US20230305305A1 (en) Compensated diffractive waveguide for off-axis in-coupling and viewing
WO2022178987A1 (zh) 一种光学系统及混合现实设备
JP7210406B2 (ja) 導光板、導光板の製造装置、導光板の製造方法、及び、それを用いた映像表示装置
CN114167601B (zh) 一种三次扩瞳装置
TWI829434B (zh) 光學鏡頭模組、光機模組以及頭戴式顯示裝置
Chien et al. P‐47: A Geometric Waveguide with Two‐Dimensional Pupil Expansion for Near‐Eye Displays
Ruan et al. Design of a wide-angle, ultra-thin planar two-dimensional geometrical waveguide combiner
US20190094444A1 (en) Optical coupling of waveguide and dlp light engine
WO2024073100A1 (en) Dual projector system and image light guide

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees