TW202036118A - 頭戴式顯示器及其背光裝置 - Google Patents
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Abstract
一種頭戴式顯示器及背光裝置被提出。背光裝置適用於頭戴式顯示器。背光裝置包括光導元件、光源以及菱鏡結構。光源設置在光導元件的一側邊。菱鏡結構具有第一表面以相鄰光導元件的第一表面。菱鏡結構的第一表面上具有凸起的多個角錐。角錐以陣列方式進行排列。
Description
本發明是有關於一種頭戴式顯示器及其背光裝置，且特別是有關於一種可提供準直（collimated）背光光束的頭戴式顯示器及其背光裝置。
隨著電子技術的進步，在電子裝置中，提供高品質的視覺系統，成為一種趨勢。近年來，應用在頭戴式顯示器的高品質立體影像的虛擬實境以及擴增實境的顯示技術成為一種新的流行。
頭戴式顯示器可透過背光裝置來產生光束，並搭配顯示面板來產生影像光束，並使影像光束投射至使用者，以產生視覺效果。在習知技術領域中，背光裝置的光束產生方式可分為直下式以及側入式兩種。然無論是那一種產生方式，習知的背光裝置投射出各個光束，都是大範圍的散開，並以相對大的視角投射出去。如此一來，習知的背光光束的所提供亮度受到限制。若在要產生足夠大亮度的影像光束時，則需要提升背光裝置的驅動電流，造成功率上的消耗。
本發明提供一種頭戴式顯示器以及其背光裝置，可提供準直背光光束，並提升顯示影像的亮度。
本發明的背光裝置適用於頭戴式顯示器。背光裝置包括光導元件、光源以及菱鏡結構。光源設置在光導元件的一側邊。菱鏡結構具有第一表面以相鄰光導元件的第一表面。菱鏡結構的第一表面上具有凸起的多個角錐。角錐以陣列方式進行排列。
本發明的頭戴式顯示器包括顯示面板、透鏡組以及如上所述的背光裝置。透鏡組配置在顯示面板的第一表面的外側。背光裝置配置在該顯示面板的第二表面的外側。其中顯示面板的第一表面與顯示面板的第二表面相對。
基於上述，本發明的背光裝置透過在菱鏡結構上設置多個凸起角錐，以使背光裝置所產生的光束具有聚光效果。本發明的頭戴式顯示器並可透過具有凸起角錐的菱鏡結構，可有效提升顯示光束的亮度，並降低功率的消耗。
請參照圖1，圖1繪示本發明一實施例的背光裝置的示意圖。背光裝置100包括光導元件110、光源120以及菱鏡結構130。在本實施例中，背光裝置100為一側入式背光裝置。光源120設置在光導元件110的側邊。光源120產生源光束LS1、LS2，並傳送源光束LS1、LS2至光導元件110中。光導元件110使源光束LS1、LS2產生一次或多次的反射動作，由光導元件110的第一表面SF11發射出光束LS1’以及LS2’。
在本實施例中，光導元件110的第一表面SF11並與菱鏡結構130相耦接。菱鏡結構130在第一表面SF13上具有凸起的多個角錐131~13N。角錐131~13N可以陣列的方式排列在菱鏡結構130在第一表面SF13上，並與光導元件110的第一表面SF11相接觸。
發射出光束LS1’以及LS2’被投射至角錐131~13N，並透過角錐131~13N的折射動作，可在菱鏡結構130的第二表面SF14產生多個光束LB1、LB2，其中，菱鏡結構130的第二表面SF14以及第一表面SF13為相對的兩個側面。在本實施例中，在頭戴式顯示器的應用中，光束LB1、LB2可作為背光光束，並被投射至顯示面板上，藉以產生影像光束。
值得注意的，在本實施例中，各個光束LB1、LB2中可包括多個子光束。而透過角錐131~13N的折射作用，每一光束（以光束LB1為範例）中所包括的多個子光束可產生相互集中效果。具體來說明，每一光束中所包括的多個子光束的發射角可以被限制在一個參考值以下。如此一來，每一光束的亮度可以有效的獲得提升。
附帶一提的，本發明實施例的光源120可以是發光二極體，或者也可以由其他類型的各種發光元件來建構。
以下請參照圖2，圖2繪示本發明一實施例的頭戴式顯示器的示意圖。頭戴式顯示器200包括背光裝置210、顯示面板220以及透鏡組230。在本實施例中，透鏡組230、顯示面板220以及背光裝置210依序配置。其中，透鏡組230可配置在顯示面板220的第一表面SF21的外側，背光裝置210則可配置在顯示面板220的第二表面SF22的外側。背光裝置210可應用上述實施例的背光裝置100來實施。背光裝置210所發送的光束（例如光束LB1、LB2）被傳送至顯示面板220，可使顯示面板220對應產生多個影像光束ILB1~ILB3。影像光束ILB1~ILB3被投射至透鏡組230，並藉由透鏡組230的折射動作，以被傳送至使用者240來產生視覺效果。
在圖2中，以影像光束ILB1為範例，基於背光裝置210所發送的光束，對應產生的影像光束ILB1包括多個子影像光束ILB11~ILB13。其中，子影像光束ILB11與ILB12的發射角夾角為角度A1，子影像光束ILB12與ILB13的發射角夾角為角度A2，其中角度A1+A2低於參考值，參考值例如為10度。以子影像光束ILB12為中心子影像光束為範例，角度A1、A2可以不大於5度。
如此一來，影像光束ILB1~ILB3的發射範圍可以被集中，亮度可以有效的被提升。而在影像光束ILB1~ILB3的亮度可以有效提升的前提下，背光裝置210所需的消耗功率也可以有效被降低，達到省電的效能。
此外，透過集中影像光束的ILB1~ILB3的發射範圍，還可以有效降低顯示顯像中所產生的雜散光，降低在影像中產生鬼影的情形。
在本實施例中，透鏡組230可以由一個或多個同類型或不同類型的透鏡所組成，沒有固定的限制。
以下請參照圖3A以及圖3B，圖3A以及圖3B繪示本發明實施例的菱鏡結構的角錐的實施方式的示意圖。在圖3A中，菱鏡結構可具有多個角錐300。角錐300具有矩形的底面310、頂點TP以及多個斜邊31~34。在本實施方式中，斜邊31~34的長度可以均相同，也可以部分相同，或者也可以均不相同。頂點TP對底面310的垂直投影可以落在底面310的幾何中心上，也可以不落在底面310的幾何中心上，沒有固定的限制。
在本發明的其他實施例中，角錐300的底面310也可以不是矩形，而可以是任意形狀，例如圓形、橢圓形或任意多邊形。
圖3B為菱鏡結構的俯視圖。其中菱鏡結構上設置以陣列排列的多個角錐300-11~300-MN。角錐300-11~300-MN的每一個可以設計如角錐300，其中，所有的角錐300-11~300-MN的傾斜角不需要相同。
角錐300-11~300-MN的每一個用以匯聚投射至菱鏡結構的多個子光束，並使背光裝置所產生的光束具有聚光的效果。
以下請參照圖4，圖4繪示本發明另一實施例的背光裝置的剖面結構示意圖。背光裝置400包括光導元件410、菱鏡結構420、反射層430、軟性電路板440、金屬背蓋450以及邊帶(rim tape)470。在本實施例中，光導元件410與菱鏡結構420重疊配置於光導元件410的第一表面SF11。反射層430則與光導元件410的第二表面SF12重疊配置。另外，反射層430、軟性電路板440、金屬背蓋450則依序相互重疊配置。
在另一方面，邊帶470透過空氣間隙460覆蓋菱鏡結構420。
在本實施例中，反射層430用以阻擋光束由光導元件410的第二表面SF12逸出。軟性電路板440則用以連接至光導元件410側邊上的光源（例如發光二極體），用以傳輸驅動信號至光源。
請參照圖5A以及圖5B，圖5A以及圖5B分別繪示本發明實施例的背光裝置所產生的子光束的發射角的分布示意圖。在圖5A中，背光裝置510所提供的多個光束LB所具有的多個子光束中，其中位於中心位置的子光束的發射角CE，與最高位置的子光束的發射角MAX以及與最低位置的子光束的發射角MIN，其角度範圍不會超過預設的參考值的一半。也就是說，透過本發明實施例的背光裝置，背光裝置所產生的每一光束的子光束的發射角可以限制在一定的範圍中，有效提升發光強度。
在圖5B中，隨著光束在背光裝置上發生位置的高度HT變化，曲線CEV表示光束的中心位置子光束的發射角的變化曲線；曲線MAXV表示光束的最高位置子光束的發射角的變化曲線；以及曲線MINV表示光束的最低位置子光束的發射角的變化曲線。由圖5B可以清楚發現，在本發明實施例中，曲線MAXV、曲線MINV、曲線CEV恆定的分布在一個固定的範圍（正負5度間）中，其中曲線MAXV以及曲線MINV的差值對應任意的高度HT，都不會大於參考值（例如為10度）。
綜上所述，本發明的背光裝置以及頭戴式顯示器透過在菱鏡結構上設置多個凸起角錐，以使背光裝置所產生的光束具有聚光效果。可有效提升顯示光束的亮度，並降低功率的消耗。
100、210、400、510:背光裝置
110、410:光導元件
120:光源
130、420:菱鏡結構
131~13N、300、300-11~300-MN:角錐
200:頭戴式顯示器
220:顯示面板
230:透鏡組
240:使用者
31~34:斜邊
310:底面
430:反射層
440:軟性電路板
450:金屬背蓋
460:空氣間隙
470:邊帶
A1、A2:角度
CE、MAX、MIN:發射角
CEV、MAXV、MINV:曲線
HT:高度
ILB1~ILB3:影像光束
ILB11、ILB13:子影像光束
LS1、LS2:源光束
LS1’、LS2’、LB1、LB2、LB:光束
SF11、SF13、SF21:第一表面
SF12、SF22、SF14:第二表面
TP:頂點
圖1繪示本發明一實施例的背光裝置的示意圖。
圖2繪示本發明一實施例的頭戴式顯示器的示意圖。
圖3A以及圖3B繪示本發明實施例的菱鏡結構的角錐的實施方式的示意圖。
圖4繪示本發明另一實施例的背光裝置的剖面結構示意圖。
圖5A以及圖5B分別繪示本發明實施例的背光裝置所產生的子光束的發射角的分布示意圖。
100:背光裝置
110:光導元件
120:光源
130:菱鏡結構
LS1、LS2:源光束
LS1’、LS2’、LB1、LB2:光束
SF11、SF13:第一表面
SF12、SF14:第二表面
131~13N:角錐
Claims (10)
- 一種背光裝置，適用於一頭戴式顯示器，包括： 一光導元件； 一光源，設置在該光導元件的一側邊；以及 一菱鏡結構，其中該菱鏡結構具有一第一表面以相鄰該光導元件的一第一表面，該菱鏡結構的該第一表面上具有凸起的多個角錐，該些角錐以陣列方式進行排列。
- 如申請專利範圍第1項所述的背光裝置，其中該菱鏡結構的一第二表面上產生多個光束，各該光束由多個子光束所構成，各該光束的該些子光束的發射角的範圍低於一參考值，其中該菱鏡結構的該第二表面與該菱鏡結構的該第一表面相對。
- 如申請專利範圍第2項所述的背光裝置，其中該參考值為10度。
- 如申請專利範圍第1項所述的背光裝置，其中該些角錐與該光導元件的該第一表面相接觸。
- 如申請專利範圍第1項所述的背光裝置，更包括： 一反射層，具有一第一表面與該光導元件的一第二表面相互重疊，其中該光導元件的該第一表面與該光導元件的該第二表面相對。
- 如申請專利範圍第1項所述的背光裝置，更包括： 一軟性電路板；以及 一金屬背蓋， 其中該反射層、該軟性電路板以及該金屬背蓋依序重疊配置。
- 一種頭戴式顯示器，包括： 一顯示面板；以及 一透鏡組，配置在該顯示面板的一第一表面的外側； 一背光裝置，配置在該顯示面板的一第二表面的外側，該被背光裝置包括： 一光導元件； 一光源，設置在該光導元件的一側邊；以及 一菱鏡結構，其中該菱鏡結構具有一第一表面相鄰該光導元件的一第一表面，該菱鏡結構的該第一表面上具有凸起的多個角錐，該些角錐以陣列方式進行排列， 其中該顯示面板的該第一表面與該顯示面板的該第二表面相對。
- 如申請專利範圍第7項所述的頭戴式顯示器，其中該菱鏡結構的一第二表面上產生多個光束，各該光束由多個子光束所構成，各該光束的該些子光束的發射角的範圍低於一參考值，其中該菱鏡結構的該第二表面與該菱鏡結構的該第一表面相對。
- 如申請專利範圍第8項所述的頭戴式顯示器，其中該參考值為10度。
- 如申請專利範圍第7項所述的頭戴式顯示器，其中該些角錐與該光導元件的該第一表面相接觸。
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