TW202144856A

TW202144856A - 近眼顯示裝置

Info

Publication number: TW202144856A
Application number: TW109116587A
Authority: TW
Inventors: 蔡宏斌
Original assignee: 雅得近顯股份有限公司
Priority date: 2020-05-19
Filing date: 2020-05-19
Publication date: 2021-12-01
Also published as: CN113687511A

Abstract

一種近眼顯示裝置，係包含有至少一個顯示器及一個或多個光聚限結構，該光聚限結構係具有一入光口及一出光口，而該入光口朝向該出光口係具有一漸縮通道，其中該顯示器之畫素係能夠對該光聚限結構之入光口發出光源照射，並使穿入該光聚限結構之入射光束受到光聚限的效果、以形成一聚限光束由該出光口向外發出，由於該光聚限結構係能夠透過該漸縮通道來將該入射光束進行聚集並約束於該漸縮通道內，以能夠向外發出亮度較高的聚限光束。

Description

近眼顯示裝置

本發明是有關一種近眼顯示裝置，特別是一種能夠避免光源照射交疊而造成對比失真的情況發生與出射亮度不足問題之近眼近眼顯示裝置。

因應現代社會對即時資訊的需求增高，隨選資訊的傳遞備受重視。近眼顯示器由於具有可攜性，並結合電子裝置可隨時更新並傳遞圖像、色彩或文字，因此為可攜型個人資訊裝置的一個很好的選擇。早期近眼顯示器多為軍事或政府用途。近來有廠商看到商機，將近眼顯示器引入家用。此外，娛樂相關業者也看中這塊市場的潛力，例如家用遊樂器及遊樂器軟體相關廠商已有投入研發。

目前近眼顯示器（NED）係包括了頭戴式顯示器（HMD），其可將影像直接投射至觀看者的眼睛中，這類顯示器可藉由合成虛擬大幅面顯示表面來克服其他行動顯示形式因素所提供的有限螢幕尺寸，或可用於虛擬或擴增實境應用。

而該近眼顯示器能再細分為兩大類別：沉浸式顯示器和透視顯示器。其中在虛擬實境（VR）環境中可採用沉浸式顯示器以使用合成呈現影像來完全地涵蓋使用者的視野。而在擴增實境（AR）之應用則能夠採用透視顯示器，其中可在實體環境的使用者之視野中重疊文字、其他合成註解、或影像。在顯示技術方面，AR應用需要半透明顯示器（例如，藉由光學或電光方法來實現），使得可以近眼顯示器來同時地觀看實體世界。

然而，當人眼之視網膜捕捉到的圖像時，其中一實體1透過水晶體2於視網膜上呈現圖像3之概念如第1圖所示，而當要進行近眼顯示時，以Google Glass為例，則是使用LCOS投影裝置於螢幕4上進行投影形成影像再反射到眼睛之視網膜上呈現圖像3，如第2圖所示，反射光束會沿著光學路徑朝向視網膜移動，以使圖像能夠直接於視網膜上形成，然而，這僅是單一光束，而無法讓多個光束於單一點上產生聚焦，故圖像是在沒有焦點的視網膜上形成的，因此Google Glass在長時間使用下，將會導致頭暈的情況發生。

而除了上述缺點之外，投影裝置若要應用於近眼及AR顯示更具有以下缺點： (1) 投影裝置之投影角會限制了視野，一般最大視場估計小於40或 50˚。 (2) 投影裝置之對比度受到背景光的強烈干擾，因此使用投影裝置，必須選擇較暗的環境或高亮度光源。 (3) 投影裝置必須很精準保持光束路徑，以便於顯示。 (4) 綜上所述，投影裝置應用於近眼及AR顯示並不方便且不理想。

而本案之發明人將顯示器搭配準直技術，以做為一近眼顯示器使用，而為了使輸出的影像能夠保持高對比，更能夠將顯示器上的畫素之面積設計小於該準直範圍之面積，以使兩個相鄰之光聚限結構所穿出的聚限光束不會交疊而造成對比失真的情況發生。

但前述使用光聚限結構來使兩個相鄰之光聚限結構所穿出的聚限光束不會交疊而造成對比失真的情況發生，但於實際測試情況下，卻發現通過光聚限結構之光束有亮度明顯不足的問題發生，這是很麻煩的問題需解決。

因此，鑒於上述問題，故於本案中，透過光聚限結構內的漸縮通道，使入射光束能夠聚集並限制於該通道內，如此將能夠使通過該光聚限結構之光束亮度將會高出許多，因此將能夠維持穿出的光束不會交疊而造成對比失真的情況發生，也同時能夠使穿出的光束之亮度足夠用於近眼顯示，如此應為一最佳解決方案。

本發明近眼顯示裝置，係包含：至少一個顯示器，係具有數個畫素；至少一個或多個光聚限結構，係設置對應於該顯示器之畫素位置，其中該光聚限結構係具有一入光口及一出光口，而該入光口朝向該出光口係具有一漸縮通道，其中該顯示器之畫素係能夠對該光聚限結構之入光口發出光源照射，並使穿入該光聚限結構之入射光束受到光聚限的效果，以形成一聚限光束由該出光口向外發出。

更具體的說，所述顯示器與一使用者之眼球距離係小於該使用者之眼球的極限成像距離，而該極限成像距離係為6公分。

更具體的說，所述顯示器與該使用者之眼球距離為0.5~4公分。

更具體的說，所述出光口處係具有一筆直通道，該筆直通道用以使該聚限光束能夠準直朝外發出。

更具體的說，所述入光口係能夠覆蓋一個或一個以上畫素的某一個局部範圍或是某多個局部範圍。

更具體的說，所述出光口面積係小於或等於該入光口的0.5倍面積，用以使兩個相鄰之光聚限結構所穿出的聚限光束不會交疊而造成對比降低的情況發生。

更具體的說，所述光聚限結構係能夠透過該漸縮通道來將該入射光束進行聚集並約束於該漸縮通道內，並藉由該漸縮通道將所形成的聚限光束朝向該出光口發出。

更具體的說，所述光聚限結構與該入射光束接觸之漸縮通道係能夠設置為一光滑表面或是一鏡面，用以使光束聚集效果更加顯著。

更具體的說，所述光聚限結構更能夠再透過一微透鏡結構進行導角處理，以調整聚限光束射出後的光線方向。

更具體的說，所述畫素係具有一個或多個色點，其中每一個色點能夠分別對準不同光聚限結構，以使每一個色點穿入不同光聚限結構之入射光束皆能夠受到光聚限的效果以形成該聚限光束。

更具體的說，所述畫素係具有多個色點，而所有色點皆對準一個光聚限結構，以使單一個或多個色點穿入該光聚限結構之入射光束皆能夠達到光聚限的效果以形成該聚限光束。

更具體的說，所述顯示器係能夠為透明顯示器或是非透明顯示器。

更具體的說，所述能夠透過至少兩個或多個顯示器各別之畫素所發出的光束係能夠交疊於一視網膜上而形成聚焦以達到景深的效果。

更具體的說，所述能夠透過一軟體改變一影像顯示之位置，以使兩個或多個顯示器各別之畫素所發出的光束能夠於不同位置產生聚焦以達到改變景深的效果。

更具體的說，所述顯示器係能夠為自發光顯示器或是非自發光顯示器。

更具體的說，所述能夠於一膜片上形成多個光聚限結構，而該膜片能夠外加結合於該顯示器上，以使該顯示器之畫素所發出之光源照射，能夠穿過該膜片上的光聚限結構，並形成聚限光束向外發出。

更具體的說，所述能夠於一膜片上形成多個光聚限結構，而該膜片能夠加入該顯示器之製程中，以使該顯示器之畫素所發出之光源照射，能夠穿過該膜片上的光聚限結構，並形成聚限光束向外發出。

有關於本發明其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

請參閱第3A~3C圖，為本發明近眼顯示器結構之裝置示意圖、實施示意圖及呈像概念示意圖，其中係包含有至少一個顯示器5，該顯示器5係能夠為自發光顯示器/非自發光顯示器或/及透明顯示器/非透明顯示器，而該顯示器5上係具有數個畫素52及數個光聚限結構51。

而本案所提之顯示器5係能夠透過半導體製程技術於製備中加入具有數個光聚限結構51之膜片，此處的實施例是直接於顯示器5上形成有該光聚限結構51；但亦能夠製備出一外加膜片，該外加膜片上有數個光聚限結構51，並外加覆蓋於該顯示器5上。

該光聚限結構51係具有一入光口511及一出光口512，而該入光口511朝向該出光口512係具有一漸縮通道513及一筆直通道514，其中該漸縮通道513係類似為下寬上窄的椎狀體（因此能夠收納更多的光束），而該漸縮通道513接近於該出光口512處則能夠漸縮變為該筆直通道514，該筆直通道514能夠導正光束的走向，以使該聚限光束能夠準直朝外發出；

該顯示器5之畫素52係能夠對該光聚限結構51之入光口511發出光源照射，並使穿入該光聚限結構51之入射光束521受到光聚限的效果，以形成一聚限光束5131由該出光口512向外發出，由於該漸縮通道513能夠將該入射光束進行聚集並約束於該漸縮通道513內（光聚限效果），因此發出的聚限光束5131之亮度較亮，而該漸縮通道513係能夠設置為一光滑表面或是一鏡面，用以使光吸收與光損失變少，故光束聚集效果則能夠更加顯著。

另外該出光口512之面積係明顯小於該入光口511面積，以使如第3B圖所示的兩個相鄰之光聚限結構51所穿出的聚限光束5131不會交疊而造成對比失真的情況發生；更由於聚限光束5131仍有部分可能會斜角發散出去，因此為了避免不必要的重疊造成對比失真，故設計使該出光口512之面積會小於或等於該光聚限結構51之入光口511面積的一半或是更小（因此除了1/2之外，亦能夠為1/3、1/4、1/5、1/6、1/7、1/8、1/9、1/10、1/11…、1/20），其效果就非常明顯，然而需考慮發光效率等等因素，因此實際面積大小，還是要視實際情況而定進行修正。

而經過光聚限結構51之顯示器，如第3C圖所示，將能夠使光束向前發出，因此將能夠於視網膜前方聚焦，以達到近眼顯示之效果，並再搭配上述的技術特徵，使於視網膜處上呈像之圖像將能夠清晰而不模糊，如此將能夠取代使用投影一類裝置的近眼顯示技術。

另外，該入光口511之面積係能夠覆蓋一個或一個以上畫素的某一個局部範圍或是某多個局部範圍，更由於畫素52能夠具有一個或多個色點，因此亦能夠針對單一個或多個色點進行光聚限與準直輸出，而不同狀況說明如下； (1) 如第4A圖所示，當畫素52僅具有一個色點，其中該色點能夠分別對準單一個光聚限結構51，以使該色點穿入該光聚限結構51之入射光束521皆能夠達到光聚限效果形成聚限光束。 (2) 如第4B~4D圖所示，當畫素52係具有多個色點，而所有色點能夠只對準一個光聚限結構51，以使兩個或多個色點穿入該光聚限結構51之入射光束521皆能夠達到光聚限效果形成聚限光束（能夠分別控制畫素內的哪一個或哪幾個色點要發光）。 (3) 上述第4A~4D圖中射出的入射光束521皆對準同一個光聚限結構51，但若另一種情況是部分相同或是部分不同的入射光束521亦能夠分別對應不同的光聚限結構，例如當畫素52具有多個色點時，其中相同或/及不同畫素之色點亦能夠分別對準不同光聚限結構51（一部分單個或是複數色點是對準某一個光聚限結構51、另一部分單個或是複數色點是對準另一個光聚限結構51，而上述色點能夠是相同色點或是不相同色點），以使每一個色點穿入不同光聚限結構51之入射光束521皆能夠達到光聚限效果形成聚限光束。 (4) 另外，若是單一個入光口覆蓋一個畫素A及半個畫素B，則能夠依據上述(1)~(3)所述之特徵，以使覆蓋範圍內的多個入射光束521能夠分別對應相同的光聚限結構。

如第5A及5B圖所示，主要是透過使用光聚限結構51（不同形狀的漸縮通道513）來達到聚限光束的目的，亦或能夠如第5C圖所示，將光聚限結構51結合微透鏡結構53來一起達到準直之目的，另外，該微透鏡結構53更能夠再經過導角處理，以調整準直後的光線方向。

而上述例子大多是整個畫素上的全部面積，然而如第5D圖所示，該畫素52對該光聚限結構51所發出光源照射之面積係為局部面積（而非是整個畫素52的面積所發出的光束都被準直），而圖中是搭配光聚限結構51及微透鏡結構53來實施，但亦能僅使用光聚限結構51將該畫素52能夠發出光源照射之面積侷限住，如此亦能夠達到三個畫素52（R、G、B）所穿出的聚限光束5131不會交疊而造成對比失真的情況發生之目的。

另外，該漸縮通道513係為方形椎或是圓椎這一類下寬上窄的椎狀體，但亦能夠如第6A及6B圖所示，亦能夠使用類似於多形椎的結構（類似金字塔）來實施應用。

另外，為了更明確說明本案使用了漸縮通道513，確實能夠提高亮度，本案與沒有使用漸縮通道（僅具有筆直通道）進行比較，以明顯比較出其亮度差異，如第7A圖所示，則是使用一板體A（僅具有筆直通道），並置放於一箱體環境（如此才能拍攝）中以工業相機進行拍攝穿過該板體A的亮度狀態；之後，如第7B圖所示，是使用一板體B（具有漸縮通道與筆直通道），由圖中可知，板體B所發出之亮度則是明顯較亮，而板體A則因為使用筆直通道，故光束無法被有效聚集與約束，故發出的亮度則是明顯較暗（要實際應用於產業是有難度的），因此，本案之技術將對於日後近眼顯示相關技術將有所助益與突破。

由於本案是用來近眼顯示使用的，一般正常人的明視距離約25公分，而水晶體與視網膜的距離（q）約1.7公分，其中能夠透過以下公式進行運算出水晶體的焦距f，公式如下：

(1) 而透過上述公式，當明視距離為25cm時、f算出來約1.59，但以年輕人的眼睛來看，其眼睛可看清楚的最近距離約6.5公分，依此，人眼球焦距可調整的範圍不超過20%，所以水晶體的焦距極限不會低於1.32公分，所以進一步換算出極限的成像距離（p）(1/p + 1/1.7 = 1/1.32)約為6公分。

由上述可知，當水晶體的焦距小於1.32公分，表示眼睛出了一定問題，而無法於正常距離中看清楚，因此透過本發明之顯示器置放於此一區段範圍內時，則能夠輔助使眼睛透過顯示器看清楚，而不同水晶體的焦距算出的物體到水晶體距離（物距）舉例如下： (1) 當水晶體的焦距為1.31公分，透過公式(1)的運算(1/p + 1/1.7 = 1/1.31)，能夠算出物距（p）約為5.88cm； (2) 當水晶體的焦距為1.19公分，透過公式(1)的運算(1/p + 1/1.7 = 1/1.19)，能夠算出物距（p）約為4cm； (3) 當水晶體的焦距為0.8公分，透過公式(1)的運算(1/p + 1/1.7 = 1/0.8)，能夠算出物距（p）約為1.5cm； (4) 當水晶體的焦距為0.39公分，透過公式(1)的運算(1/p + 1/1.7 = 1/0.39)，能夠算出物距（p）約為0.5cm；

由於顯示器設置位置太遠或太近皆會對使用者產生不方便之感，故本發明設計出顯示器與眼球距離為0.5~4公分將是最佳距離，也是一般具有眼疾之使用者最適合的配戴距離。

另外，能夠透過至少兩個或多個顯示器各別之畫素所發出的光束係能夠交疊於一視網膜上而形成聚焦以達到景深的效果，並能夠透過一軟體改變一影像顯示之位置，以使兩個或多個顯示器各別之畫素所發出的光束能夠於不同位置產生聚焦以達到改變景深的效果。

本發明所提供之近眼顯示裝置，與其他習用技術相互比較時，其優點如下： (1) 本發明能夠將顯示器搭配光聚限結構，將能夠做為一近眼顯示器使用，由於本案之光聚限結構具有漸縮通道與筆直通道，因此能夠使光束受到進行聚集並約束，更由於該漸縮通道能夠接納更多的光，所以最後出來的聚限光束之亮度較高並能夠準直朝外發出。 (2) 本發明所發出之聚限光束的亮度較高，故準直朝外發出的光束之亮度足夠用於近眼顯示使用。

本發明已透過上述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此一技術領域具有通常知識者，在瞭解本發明前述的技術特徵及實施例，並在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之請求項所界定者為準。

1:實體 2:水晶體 3:圖像 4:螢幕 5:顯示器 51:光聚限結構 511:入光口 512:出光口 513:漸縮通道 5131:聚限光束 514:筆直通道 52:畫素 521:入射光束 53:微透鏡結構

[第1圖] 係習用呈像概念示意圖。 [第2圖] 係習用投影呈像概念示意圖。 [第3A圖] 係本發明近眼顯示裝置之裝置示意圖。 [第3B圖] 係本發明近眼顯示裝置之實施示意圖。 [第3C圖] 係本發明近眼顯示裝置之呈像概念示意圖。 [第4A圖] 係本發明近眼顯示裝置之畫素內的色點配置示意圖。 [第4B圖] 係本發明近眼顯示裝置之畫素內的色點配置示意圖。 [第4C圖] 係本發明近眼顯示裝置之畫素內的色點配置示意圖。 [第4D圖] 係本發明近眼顯示裝置之畫素內的色點配置示意圖。 [第5A圖] 係本發明近眼顯示裝置之光聚限結構之應用示意圖。 [第5B圖] 係本發明近眼顯示裝置之光聚限結構之應用示意圖。 [第5C圖] 係本發明近眼顯示裝置之結合透鏡之應用示意圖。 [第5D圖] 係本發明近眼顯示裝置之結合透鏡之另一應用示意圖。 [第6A圖] 係本發明近眼顯示裝置之光聚限結構的另一樣態結構示意圖。 [第6B圖] 係本發明近眼顯示裝置之光聚限結構的另一樣態結構剖面示意圖。 [第7A圖] 係習用具有筆直通道的準直結構之光測試拍攝示意圖。 [第7B圖] 係本發明近眼顯示裝置之光聚限結構的光測試拍攝示意圖。

52:畫素

521:入射光束

51:光聚限結構

511:入光口

512:出光口

513:漸縮通道

5131:聚限光束

514:筆直通道

Claims

一種近眼顯示裝置，係包含：至少一個顯示器，係具有數個畫素；至少一個或多個光聚限結構，係設置對應於該顯示器之畫素位置，其中該光聚限結構係具有一入光口及一出光口，而該入光口朝向該出光口係具有一漸縮通道，其中該顯示器之畫素係能夠對該光聚限結構之入光口發出光源照射，並使穿入該光聚限結構之入射光束受到光聚限的效果，以形成一聚限光束由該出光口向外發出。
如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中該顯示器與一使用者之眼球距離係小於該使用者之眼球的極限成像距離，而該極限成像距離係為6公分。
如請求項2所述之近眼顯示裝置，其中該顯示器與該使用者之眼球距離為0.5~4公分。
如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中該出光口處係具有一筆直通道，該筆直通道用以使該聚限光束能夠準直朝外發出。
如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中該入光口係能夠覆蓋一個或一個以上畫素的某一個局部範圍或是某多個局部範圍。
如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中該出光口面積係小於或等於該入光口的0.5倍面積，用以使兩個相鄰之光聚限結構所穿出的聚限光束不會交疊而造成對比降低的情況發生。
如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中該光聚限結構係能夠透過該漸縮通道來將該入射光束進行聚集並約束於該漸縮通道內，並藉由該漸縮通道將所形成的聚限光束朝向該出光口發出。
如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中該光聚限結構與該入射光束接觸之漸縮通道係能夠設置為一光滑表面或是一鏡面，用以使光束聚集效果更加顯著。
如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中該光聚限結構更能夠再透過一微透鏡結構進行導角處理，以調整聚限光束射出後的光線方向。
如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中該畫素係具有一個或多個色點，其中每一個色點能夠分別對準不同光聚限結構，以使每一個色點穿入不同光聚限結構之入射光束皆能夠受到光聚限的效果以形成該聚限光束。
如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中該畫素係具有多個色點，而所有色點皆對準一個光聚限結構，以使單一個或多個色點穿入該光聚限結構之入射光束皆能夠達到光聚限的效果以形成該聚限光束。
如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中該顯示器係能夠為透明顯示器或是非透明顯示器。
如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中能夠透過至少兩個或多個顯示器各別之畫素所發出的光束係能夠交疊於一視網膜上而形成聚焦以達到景深的效果。
如請求項13所述之近眼顯示裝置，其中能夠透過一軟體改變一影像顯示之位置，以使兩個或多個顯示器各別之畫素所發出的光束能夠於不同位置產生聚焦以達到改變景深的效果。
如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中該顯示器係能夠為自發光顯示器或是非自發光顯示器。
如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中能夠於一膜片上形成多個光聚限結構，而該膜片能夠外加結合於該顯示器上，以使該顯示器之畫素所發出之光源照射，能夠穿過該膜片上的光聚限結構，並形成聚限光束向外發出。
如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中能夠於一膜片上形成多個光聚限結構，而該膜片能夠加入該顯示器之製程中，以使該顯示器之畫素所發出之光源照射，能夠穿過該膜片上的光聚限結構，並形成聚限光束向外發出。