TW202210905A - 近眼光場顯示裝置 - Google Patents

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Abstract

一種近眼光場顯示裝置，包括顯示元件、微透鏡陣列、第一遮光元件以及第二遮光元件。顯示元件適於提供影像光束。微透鏡陣列位於影像光束的傳遞路徑上。微透鏡陣列具有相連的多個微透鏡。第一遮光元件位於顯示元件與微透鏡陣列之間。第一遮光元件包括多個第一遮光區。微透鏡陣列位於第一遮光元件與第二遮光元件之間。第二遮光元件包括多個第二遮光區，其中第一遮光區以及第二遮光區位於影像光束通過微透鏡的交界處的傳遞路徑上，且微透鏡的直徑與微透鏡的透鏡間距的比值小於0.8。

Description

近眼光場顯示裝置
本發明是有關於一種顯示裝置，且特別是有關於一種近眼光場顯示裝置。
隨著顯示技術的進步及人們對於高科技的渴望，近眼顯示器（Near Eye Display, NED）以及頭戴式顯示器（Head-mounted Display, HMD）是目前極具發產潛力的產品。在近眼顯示技術的相關應用上，目前可分為擴增實境（Augmented Reality, AR）技術以及虛擬實境（Virtual Reality, VR）技術。其中，光場顯示器（Light field near eye display, LFNED）由於具有當下的光場資訊，可解決輻輳衝突(Vergence-Accommodation Conflict, VAC)問題，並能藉此提供有深度的影像資訊，而被應用於近眼顯示技術的擴增實境技術以及虛擬實境技術中。
一般而言，光場顯示器可分成空間多工式及時間多工式兩種架構。時間多工式的光場顯示器採用微機電元件改變虛像位置，以調整前後景清晰程度；而空間多工式的光場顯示器使用微發光二極體顯示器（Micro‐LED）、微有機發光二極體顯示器（Micro‐OLED）及液晶顯示器（LCD）等顯示元件，將光場子影像透過光學元件，如：微透鏡陣列（Miro‐Lens Array），而將視差影像堆疊於視網膜上，以令使用者可觀看到有深度的光場影像。
光場顯示影像中的單一子影像可以形成在人眼位置上形成一人眼移動範圍，而當同一子影像經由不正確的微透鏡陣列會形成另一人眼移動範圍，該影像將會是雜訊影像。具體而言，微透鏡陣列由於本身透鏡尺寸會有邊緣光線（marginal ray）產生，故將導致形成較大的人眼移動範圍。因此，將會產生人眼移動範圍的干涉現象，進而降低系統可用的人眼移動範圍。也就是當人眼瞳孔的位置位於光場顯示器的人眼移動範圍的邊緣處，但還沒有超出人眼移動範圍時。經實驗模擬可以得知，還是會產生鬼影，且表示在干涉的狀態下，人眼的移動範圍將會縮小。
“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光場顯示裝置，可降低人眼移動範圍在主影像與鬼影間的干涉問題，且增加光學影像景深。
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。
為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明提供一種近眼光場顯示裝置，包括顯示元件、微透鏡陣列、第一遮光元件以及第二遮光元件。顯示元件適於提供影像光束。微透鏡陣列位於影像光束的傳遞路徑上。微透鏡陣列具有相連的多個微透鏡。第一遮光元件位於顯示元件與微透鏡陣列之間，第一遮光元件包括多個第一遮光區。微透鏡陣列位於第一遮光元件與第二遮光元件之間，第二遮光元件包括多個第二遮光區，其中第一遮光區以及第二遮光區位於影像光束通過微透鏡的交界處的傳遞路徑上，且微透鏡的直徑與微透鏡的透鏡間距的比值小於0.8。
基於上述，本發明的實施例至少具有以下其中一個優點或功效。在本發明的近眼光場顯示裝置中，近眼光場顯示裝置包括微透鏡陣列以及配置於微透鏡陣列前後的第一遮光元件與第二遮光元件。其中，第一遮光元件與第二遮光元件分別包括多個對應於微透鏡的交界處位置的第一遮光區以及第二遮光區。因此，當顯示元件的多個子顯示單元分別提供多個子影像光束至對應的微透鏡時，可藉由第一遮光區以及第二遮光區的遮光效果達到類針孔作用，進而可降低人眼移動範圍在主影像與鬼影間的干涉問題。此外，還可藉由第一遮光區以及第二遮光區提高光圈值，進一步增加光學景深範圍，從而提升良好的深度顯示效果。
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。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之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為本發明一實施例的近眼光場顯示裝置的示意圖。請參考圖1。本實施例提供一種近眼光場顯示裝置100，用於配置在使用者的至少一眼睛EY前方。近眼光場顯示裝置100包括顯示元件110、微透鏡陣列120、第一遮光元件130以及第二遮光元件140。
顯示元件110適於提供影像光束IL至微透鏡陣列120、第一遮光元件130以及第二遮光元件140。在本實施例中，顯示元件110為光場顯示器，且其可為微發光二極體顯示器（Micro‐LED）、微有機發光二極體顯示器（Micro‐OLED）及液晶型顯示器（LCD）等顯示器，但本發明並不限於此。
微透鏡陣列120位於影像光束IL至眼睛EY的傳遞路徑上。微透鏡陣列120具有相連的多個微透鏡122。具體而言，如圖1所顯示，在本實施例中，顯示元件110包括多個子顯示單元（未顯示），分別用以提供影像光束IL中的多個子影像光束SL，分別傳遞通過不同的微透鏡122以產生光場資訊。因此，由多個子影像光束SL所形成具有光場資訊的影像光束IL，可產生於立體空間中多焦段平面的效果，並能藉此提供有深度的影像資訊，從而可透過光學效果堆疊於使用者的視網膜上而形成視差影像，以令使用者可觀看到具有深度的光場影像IM，但本發明不以此為限。在本實施例中，多個微透鏡122的直徑C介於0.5毫米至1.5毫米之間。
第一遮光元件130位於顯示元件110與微透鏡陣列120之間，而第二遮光元件140位於微透鏡陣列120與使用者的眼睛EY之間。換句話說，微透鏡陣列120位於第一遮光元件130與第二遮光元件140之間。第一遮光元件130包括多個第一遮光區M1，且第二遮光元件140包括多個第二遮光區M2。其中，多個第一遮光區M1以及多個第二遮光區M2位於影像光束IL通過多個微透鏡122的交界處F的傳遞路徑上，且各微透鏡122的直徑C與各微透鏡122的透鏡間距D的比值小於0.8。
舉例而言，在本實施例中，第一遮光元件130以及第二遮光元件140為透光薄片，且第一遮光區M1以及第二遮光區M2為透光薄片中的非透光區域，例如是黑色材料或吸光材料。此外，在本實施例中，第一遮光區M1在垂直於近眼光場顯示裝置100的光軸I上的面積小於第二遮光區M2在垂直於光軸I上的面積。因此，當多個子影像光束SL分別傳遞通過不同的微透鏡122時，可藉由第一遮光區M1以及第二遮光區M2的遮光效果，降低人眼移動範圍在主影像與鬼影間的干涉問題。此外，由於本實施例可藉由第一遮光區M1以及第二遮光區M2提高光圈值，故還可進一步增加光學景深範圍，達到類針孔作用，進而提升良好的深度顯示效果。
在本實施例中，近眼光場顯示裝置100還包括兩個透鏡元件150。微透鏡陣列120、第一遮光元件130以及第二遮光元件140配置於兩個透鏡元件150之間。兩個透鏡元件150可為平凸透鏡或雙凸透鏡，且可為非球面透鏡，本發明並不限於此。在本實施例中，近眼光場顯示裝置100可調整不同光學元件的相關光學參數，而可進一步減少像差，並提升光場影像的成像品質。
圖2A及圖2B分別為不同實施例的近眼光場顯示裝置在人眼位置上的光強度分布圖。請參考圖1、圖2A及圖2B。其中，圖2A對應為傳統近眼光場顯示裝置，其無配置如圖1所顯示的第一遮光元件130以及第二遮光元件140，而圖2B對應為圖1所顯示的近眼光場顯示裝置100。其中，曲線201、203分別表示為不同實施例中正確路徑的光線在人眼不同移動範圍的光強度，曲線202、204分別表示為不同實施例中不正確路徑的光線（即雜光）在人眼不同移動範圍的光強度。因此，在圖2A的實施例中，微透鏡122的直徑C較大，故將造成邊緣光線人眼移動範圍Rm與主光線人眼移動範圍Rc差異過大，進而導致產生較大的人眼干涉範圍B。而在圖2B的實施例中，由於微透鏡122的直徑C介於0.5毫米至1.5毫米之間。因此，將使得邊緣光線人眼移動範圍Rm與主光線人眼移動範圍Rc差異縮小，進而導致縮小人眼干涉範圍B。
圖3為比照圖1中區域A所顯示的另一實施例的部分近眼光場顯示裝置的示意圖。本實施例所顯示的部分的近眼光場顯示裝置100A類似於圖1所顯示的近眼光場顯示裝置100。為兩者不同之處在於，在本實施例中，第一遮光元件130A以及第二遮光元件140A與圖1的第一遮光元件130以及第二遮光元件140不同。詳細而言，本實施例將第一遮光元件130A以及第二遮光元件140A設計為微透鏡陣列120的表面上的不透光塗層，例如噴塗染劑或使用光阻製成。如此一來，可省略配置額外的光學元件，且可避免配置不同光學元件時所產生的光學誤差。因此，當多個子影像光束SL分別傳遞通過不同的微透鏡122時，可藉由第一遮光區M1以及第二遮光區M2的遮光效果，達到類針孔作用，進而可降低人眼移動範圍在主影像與鬼影間的干涉問題。此外，由於本實施例可藉由第一遮光區M1以及第二遮光區M2提高光圈值，故還可進一步增加光學景深範圍，進而提升良好的深度顯示效果。
綜上所述，在本發明的近眼光場顯示裝置中，近眼光場顯示裝置包括微透鏡陣列以及配置於微透鏡陣列前後的第一遮光元件與第二遮光元件。其中，第一遮光元件與第二遮光元件分別包括多個對應於微透鏡的交界處位置的第一遮光區以及第二遮光區。因此，當顯示元件的多個子顯示單元分別提供多個子影像光束至對應的微透鏡時，可藉由第一遮光區以及第二遮光區的遮光效果，降低人眼移動範圍在主影像與鬼影間的干涉問題。此外，還可藉由第一遮光區以及第二遮光區提高光圈值達到類針孔作用，進一步增加光學景深範圍，從而提升良好的深度顯示效果。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。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之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之用，並非用來限制本發明之權利範圍。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。
100,100A:近眼光場顯示裝置 110:顯示元件 120:微透鏡陣列 122:微透鏡 130,130A:第一遮光元件 140,140A:第二遮光元件 150:透鏡元件 201,202,203,204:曲線 B:人眼干涉範圍 C:直徑 D:透鏡間距 EY:眼睛 F:交界處 I:光軸 IL:影像光束 IM:光場影像 M1:第一遮光區 M2:第二遮光區 Rc:主光線人眼移動範圍 Rm:邊緣光線人眼移動範圍 SL:子影像光束
圖1為本發明一實施例的近眼光場顯示裝置的示意圖。 圖2A及圖2B分別為不同實施例的近眼光場顯示裝置在人眼位置上的光強度分布圖。 圖3為比照圖1中區域A所顯示的另一實施例的示意圖。
100:近眼光場顯示裝置
110:顯示元件
120:微透鏡陣列
122:微透鏡
130:第一遮光元件
140:第二遮光元件
150:透鏡元件
C:直徑
D:透鏡間距
EY:眼睛
F:交界處
I:光軸
IL:影像光束
IM:光場影像
M1:第一遮光區
M2:第二遮光區
SL:子影像光束

Claims (8)

  1. 一種近眼光場顯示裝置，包括： 顯示元件，適於提供影像光束； 微透鏡陣列，位於所述影像光束的傳遞路徑上，所述微透鏡陣列具有相連的多個微透鏡； 第一遮光元件，位於所述顯示元件與所述微透鏡陣列之間，所述第一遮光元件包括多個第一遮光區；以及 第二遮光元件，所述微透鏡陣列位於所述第一遮光元件與所述第二遮光元件之間，所述第二遮光元件包括多個第二遮光區，其中所述多個第一遮光區以及所述多個第二遮光區位於所述影像光束通過所述多個微透鏡的交界處的傳遞路徑上，且各所述多個微透鏡的直徑與所述多個微透鏡的透鏡間距的比值小於0.8。
  2. 如請求項1所述的近眼光場顯示裝置，其中所述第一遮光元件以及所述第二遮光元件為透光薄片。
  3. 如請求項2所述的近眼光場顯示裝置，其中所述多個第一遮光區以及所述多個第二遮光區為透光薄片中的非透光區域。
  4. 如請求項1所述的近眼光場顯示裝置，其中所述第一遮光元件以及所述第二遮光元件為所述微透鏡陣列的表面上的光學塗層。
  5. 如請求項1所述的近眼光場顯示裝置，其中所述多個第一遮光區以及所述多個第二遮光區為不透光塗層。
  6. 如請求項1所述的近眼光場顯示裝置，其中所述多個微透鏡的直徑介於0.5毫米至1.5毫米之間。
  7. 如請求項1所述的近眼光場顯示裝置，其中所述多個第一遮光區在垂直於所述近眼光場顯示裝置的光軸上的面積小於所述多個第二遮光區在垂直於所述光軸上的面積。
  8. 如請求項1所述的近眼光場顯示裝置，還包括： 兩透鏡元件，所述微透鏡陣列、所述第一遮光元件以及所述第二遮光元件配置於所述兩透鏡元件之間。
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