TW202326229A

TW202326229A - 擴增實境顯示裝置

Info

Publication number: TW202326229A
Application number: TW110148367A
Authority: TW
Inventors: 塗宗偉; 邱奕榮; 黃士挺; 李彥賢
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2023-07-01
Also published as: TWI801055B; US20230204845A1; US11754768B2

Abstract

一種擴增實境顯示裝置，用以對使用者的眼睛提供擴增實境影像，擴增實境顯示裝置包括顯示模組以及多個鏡組。顯示模組包括投影器及多個開關元件。投影器提供原始影像光束。多個開關元件依序設置於原始影像光束的路徑上，每一開關元件反射或透射原始影像光束，原始影像光束的每一光線在開關元件上的反射路徑相交於一點，形成多組影像光束。多個鏡組設置於多組影像光束的路徑上，多組影像光束在鏡組上的反射角度不同，且鏡組將多組影像光束反射至眼睛。

Description

擴增實境顯示裝置

本發明是有關於一種顯示裝置，且特別是有關於一種擴增實境顯示裝置。

在虛擬實境（virtual reality, VR）顯示技術或擴增實境（Augmented Reality）顯示技術中，可以在使用者的左眼與右眼分別投射帶有視角差（Disparity）之不同影像，讓左眼與右眼分別聚焦在不同的平面上，即可產生立體視覺。但現階段有研究指出，此種技術雖可以讓使用者產生立體感視覺，但左、右眼依然是分別對焦在不同平面、相同深度的位置，這與人眼在實際空間中對焦立體物體的不同深度位置比較，其視覺效果不盡相同。這樣的差異是造成部分使用者暈眩的原因之一，這個效應稱為視覺輻輳調節衝突（Vergence-Accommodation Conflict，VAC）。

為了解決視覺輻輳調節衝突，一種習知技術使用針孔小鏡將影像光束反射至人眼，運用針孔成像技術達到長景深的效果，如此人眼的對焦距離的範圍可以較廣，而使得雙眼視線相交的距離與人眼對焦距離可以一致，以有效解決視覺輻輳調節衝突。在習知技術的主要光學架構中，涵蓋不同垂直視場（Field of View，FoV）的影像光束由面板的不同位置出光，透射光學透鏡後，入射多個針孔小鏡。要將光學鏡片製造得更加輕薄化，就需要縮小光學透鏡的直徑，但這樣就需縮小影像的垂直視場。

本發明提供一種擴增實境顯示裝置，可以達到鏡片輕薄化。

根據本發明一實施例，一種擴增實境顯示裝置，用以對使用者的眼睛提供擴增實境影像，擴增實境顯示裝置包括顯示模組以及多個鏡組。顯示模組包括投影器及多個開關元件。投影器提供原始影像光束。多個開關元件依序設置於原始影像光束的路徑上，每一開關元件反射或透射原始影像光束，原始影像光束的每一光線在開關元件上的反射路徑相交於一點，形成多組影像光束。多個鏡組設置於多組影像光束的路徑上，多組影像光束在鏡組上的反射角度不同，且鏡組將多組影像光束反射至眼睛。

基於上述，本發明的實施例提供的擴增實境顯示裝置，因為原始影像光束在開關元件上的反射路徑相交於一點，形成多組影像光束，而且影像光束在鏡組上的反射角度不同，因此可以讓影像光束所組成的光束變窄，可以達到鏡片輕薄化。

圖1為依照本發明一實施例的擴增實境顯示裝置的示意圖，圖2為圖1的擴增實境顯示裝置的顯示模組的示意圖，圖3為圖1的擴增實境顯示裝置在使用者的眼睛前方形成虛像的示意圖。請參照圖1至圖3，擴增實境顯示裝置100包括顯示模組200以及多個鏡組300。顯示模組200包括投影器230及多個開關元件220。投影器230提供原始影像光束LB。多個開關元件220（例如開關元件220a、220b、220c）依序設置於原始影像光束LB的路徑上，每一開關元件220反射或透射原始影像光束LB，原始影像光束LB的每一光線在開關元件220上的反射路徑相交於一點，形成多組影像光束（例如T1、T2及T3）。多個鏡組300設置於多組影像光束T1、T2及T3的路徑上，多組影像光束T1、T2及T3在鏡組300上的反射角度不同，且鏡組300將多組影像光束T1、T2及T3反射至眼睛EY。

詳細而言，在本實施例中，顯示模組200還包括被投影板210，原始影像光束LB的多個光線在開關元件200上的反射路徑相交於被投影板210上的多個點以形成多個畫素212，每一個畫素212各自提供出光角度不同的多組影像光束T1、T2及T3。在本實施例中，被投影板210為擴散器或微透鏡陣列。光學透鏡110設置於多組影像光束T1、T2及T3的路徑上，用以接收多組影像光束T1、T2及T3。多個鏡組300設置於來自光學透鏡110的影像光束T1、T2及T3的路徑上，每一個鏡組300將影像光束T1、T2及T3的其中之一反射至眼睛EY。原始影像光束LB在開關元件220a、220b、220c彼此相對應的位置上的反射路徑會相交於被投影板210上的一個點（即一個畫素212）上。開關元件220反射的原始影像光束LB在透射被投影板210後形成影像光束，例如，在本實施例中，開關元件220a、220b、220c反射的光分別在被投影板210後方形成三組影像光束T1、T2、T3，但本發明的開關元件220不限於三個，影像光束也不限於三組。因為被投影板210的每一個畫素212各自提供出光角度不同的影像光束T1、T2及T3，因此從各個畫素212出射的影像光束T1、T2及T3在往光學透鏡110的光路上部分重疊，如此一來可以讓影像光束T1、T2及T3所組成的光束變窄，因此只需要使用直徑較小的光學透鏡110。

在本實施例中，每一個鏡組300包括一個微反射鏡310，且微反射鏡310設置的角度彼此不同。或者，在另一個實施例中，每一個鏡組300包括一個微反射鏡310及一個反射鏡320，來自每一開關元件220（例如開關元件220a、220b、220c之一）的一組影像光束（例如影像光束T1、T2、T3之一）依序被反射鏡320及微反射鏡310反射而傳遞至使用者的眼睛EY，且反射鏡320設置的角度彼此不同，微反射鏡310設置的角度彼此相同。其中微反射鏡310例如是針孔小鏡。

擴增實境顯示裝置100用以對使用者的眼睛EY提供擴增實境影像IMG，如圖3所示。舉例而言，請同時參照圖1及圖3，在本實施例中，多個鏡組300為三個鏡組300a、300b及300c，鏡組300a、300b、300c分別包括微反射鏡310a、310b、310c。在本實施例中，可以有多個微反射鏡310a、多個微反射鏡310b、多個微反射鏡310c，這些微反射鏡310a、310b、310c在圖1中垂直於紙面的方向上排列。微反射鏡310a、310b、310c分別將影像光束T1、T2、T3反射至使用者的眼睛EY，並在使用者的眼睛EY前方形成擴增實境影像IMG。也就是說，擴增實境影像IMG由影像光束T1、T2及T3的虛像共同構成。在本實施例中，鏡組300a、300b、300c相對於使用者是從上到下排列（例如圖1中角度不同的微反射鏡310a、310b、310c從上到下排列），因此影像光束T1、T2、T3的虛像是從上到下排列，也就是說，影像光束T1、T2、T3的虛像在使用者所看到的垂直方向上分別涵蓋不同的視場角。然而在另一些實施例中，鏡組300a、300b、300c也可以是相對於使用者從左到右排列（例如角度不同的微反射鏡310a、310b、310c從左到右排列），這麼一來影像光束T1、T2、T3的虛像變成是從左到右排列，也就是在使用者所看到的水平方向上分別涵蓋不同的視場角。雖然本實施例以三個鏡組300a、300b、300c及相對應的三組影像光束T1、T2、T3為例，但本發明不以此為限。在又一些實施例中，鏡組300相對於使用者從左到右且從上到下排列（例如角度不同的微反射鏡310從左到右且從上到下排列），因此多組影像光束的虛像是從左到右且從上到下排列，也就是在使用者所看到的水平方向及垂直方向上分別涵蓋不同的視場角。

在本實施例中，開關元件220與原始影像光束LB之間的銳角是沿著原始影像光束LB的路徑依序遞增。具體而言，開關元件220c、220b、220a依序是原始影像光束LB的行進路徑上的第一、第二、第三個開關元件220，三者之中，開關元件220c與原始影像光束LB的夾角最小，原始影像光束LB在開關元件220c上的入射角與反射角最大；開關元件220a與原始影像光束LB的夾角最大，原始影像光束LB在開關元件220a上的入射角與反射角最小；開關元件220b與原始影像光束LB的夾角大小界於開關元件220a與220c之間，原始影像光束LB在開關元件220b上的入射角與反射角亦界於開關元件220a與220c之間。然而，在其他實施例中，開關元件220與原始影像光束LB之間的銳角也可以是沿著原始影像光束LB的路徑依序遞減，或者以其他適當的方式設置，使原始影像光束LB入射不同的開關元件220後的反射路徑交會於被投影板210上的一個點（即畫素212）。

圖4為圖2的顯示模組的投影器的示意圖。請參照圖4，在本實施例中，投影器230包括雷射掃描投影器232、準直透鏡234及線偏振片236，原始影像光束LB由雷射掃描投影器232出光，且依序通過準直透鏡234及該線偏振片236。因此由投影器230出射的原始影像光束LB為一準直的線偏振光。

圖5A為圖2的顯示模組的開關元件的剖面示意圖，圖5B為圖5A的開關元件的液晶相位調製器電壓開啟和關閉的剖面示意圖。請參照圖5A及圖5B，開關元件220包括液晶相位調製器222及偏振反射器224。每一個開關元件220的液晶相位調製器222及偏振反射器224在原始影像光束LB的光路上依序排列。液晶相位調製器222包括二透明電極ITO、液晶層LC及控制器CRL。液晶層LC設置於二透明電極ITO之間，控制器CRL耦接二透明電極ITO。來自投影器230的原始影像光束LB具有第一偏振方向d1（第一偏振方向d1是p-偏振方向），原始影像光束LB通過液晶相位調製器222時，若控制器CRL的電壓開啟（如圖5B左側的那個液晶相位調製器222），則具有第一偏振方向d1（即p-偏振方向）的原始影像光束LB通過液晶層LC後不會被改變偏振，因此隨後會透射偏振反射器224（如圖5A繪示的靠上方的那道光透射偏振反射器224）；若控制器CRL的電壓關閉（如圖5B右側的那個液晶相位調製器222），則具有第一偏振方向d1（即p-偏振方向）的原始影像光束LB通過液晶層LC後會被變為具有第二偏振方向d2（第二偏振方向d2是進出紙面的方向，即s-偏振方向），因此隨後會在偏振反射器224上被反射（如圖5A繪示的靠下方的那道光在偏振反射器224上被反射）。如此便可以藉由控制器CRL控制開關元件220要反射原始影像光束LB或透射原始影像光束LB。在其他實施例中，隨著液晶模態的不同，也可以是當控制器CRL的電壓關閉時，使具有第一偏振方向d1的原始影像光束LB通過液晶層LC後會被變為具有第二偏振方向d2，且當控制器CRL電壓開啟時，原始影像光束LB通過液晶層LC後不會被改變偏振。

舉例而言，在本實施例中，若開關元件220c、220b的控制器CRL的電壓皆開啟，則原始影像光束LB穿透開關元件220c、220b，入射到開關元件220a後被反射，在被投影板210後方產生影像光束T1。若開關元件220c、220b的控制器CRL的電壓分別為開啟及關閉，則原始影像光束LB穿透開關元件220c，被開關元件220b反射，在被投影板210後方產生影像光束T2。若開關元件220c的控制器CRL的電壓為關閉，則原始影像光束LB被開關元件220c反射，在被投影板210後方產生影像光束T3。在本實施例中，開關元件220a可以替換為普通的反射鏡。因為是用一台投影器230產生擴增實境影像IMG的部分視場的影像，因此產生的影像解析度比用一台投影器產生整個擴增實境影像的解析度高，在本實施例中，解析度是三倍。

圖6為圖1的擴增實境顯示裝置的影像光束在不同時間的輸出狀態的示意圖。在本實施例中，開關元件220a、220b、220c輪流反射原始影像光束LB，且每一時刻有一個開關元件220是反射原始影像光束LB，形成一組影像光束。舉例而言，請參考圖6，圖中用0和1來表示未輸出和有輸出。在時間Ta時，開關元件220c反射原始影像光束LB，在被投影板210後方形成影像光束T3；在時間Tb時，開關元件220b反射原始影像光束LB，在被投影板210後方形成影像光束T2; 在時間Tc時，開關元件220a反射原始影像光束LB，在被投影板210後方形成影像光束T1。因此，影像光束T1、T2、T3會輪流產生在被投影板210後方，且影像光束T1、T2、T3會輪流照射到使用者的眼睛EY。若開關元件220的控制器CRL開關得夠快，使用者會對於影像光束T1、T2、T3的虛像產生視覺暫留的感受，使用者就會彷彿看到完整的擴增實境影像IMG。

圖7A為圖1的擴增實境顯示裝置的影像光束在不同時間的輸出狀態的另一實施例的示意圖。圖7B為圖7A的實施例的影像光束在不同時間在開關元件220上的反射位置的示意圖。在本實施例中，開關元件220包括多個像素PXL，每一個開關元件220的像素PXL輪流反射原始影像光束LB，且每一時刻有開關元件220中的多個是反射原始影像光束LB的一部份，形成多組影像光束中的一部分。其中像素PXL例如包括薄膜電晶體。參照圖7A及圖7B，其中圖7A的縱軸是每一開關元件200的對應位置的像素PXL的輸出（例如是第3、6、9……行像素PXL的輸出），圖7B中最上方的一列由左到右依序繪示開關元件220c、220b、220a在時間Ta時的反射狀態，中間的一列由左到右依序繪示開關元件220c、220b、220a在時間Tb時的反射狀態，最下方的一列由左到右依序繪示開關元件220c、220b、220a在時間Tc時的反射狀態。

舉例來說，在本實施例中，在時間Ta時，開關元件220c的第3、6、9……行像素PXL是反射原始影像光束LB，形成影像光束T3的一部份，原始影像光束LB未被開關元件220c反射的部分穿透開關元件220c的其餘像素PXL，入射開關元件220b。開關元件220b的第1、4、7……行像素PXL是反射原始影像光束LB，形成影像光束T2的一部份，原始影像光束LB未被開關元件220b反射的部分穿透開關元件220b的其餘像素PXL，入射開關元件220a（也可替換為普通的反射鏡），並且被反射，形成影像光束T1的一部份。在時間Tb時，開關元件220c的第2、5、8……行像素PXL是反射原始影像光束LB，形成影像光束T3的另一部份，原始影像光束LB未被開關元件220c反射的部分穿透開關元件220c的其餘像素PXL，入射開關元件220b。開關元件220b的第3、6、9……行像素PXL是反射原始影像光束LB，形成影像光束T2的另一部份，原始影像光束LB未被開關元件220b反射的部分穿透開關元件220b的其餘像素PXL，入射開關元件220a，並且被反射，形成影像光束T1的另一部份。在時間Tc時，開關元件220c的第1、4、7……行像素PXL是反射原始影像光束LB，形成影像光束T3的又一部份，原始影像光束LB未被開關元件220c反射的部分穿透開關元件220c的其餘像素PXL，入射開關元件220b。開關元件220b的第2、5、8……行像素PXL是反射原始影像光束LB，形成影像光束T2的又一部份，原始影像光束LB未被開關元件220b反射的部分穿透開關元件220b的其餘像素PXL，入射開關元件220a，並且被反射，形成影像光束T1的又一部份。因此，影像光束T1、T2、T3會同時照射到使用者的眼睛EY，且影像光束T1、T2、T3的不同部分會輪流照射到使用者的眼睛EY。若開關元件220的控制器CRL開關得夠快，使用者會對於影像光束T1、T2、T3的不同部分的虛像產生視覺暫留的感受，使用者就會彷彿看到完整的擴增實境影像IMG。影像光束T1、T2、T3的不同部分輪流照射到使用者的眼睛EY的好處是可以達到更好的視覺暫留效果，減少擴增實境影像IMG閃爍的現象。

圖8為依照本發明另一實施例的擴增實境顯示裝置的示意圖。與圖1的擴增實境顯示裝置不同的地方是，圖8的擴增實境顯示裝置100的每一個鏡組300包括一個微反射鏡310及一個反射鏡320，來自每一開關元件220的一組影像光束（例如影像光束T1、T2、T3之一）依序被反射鏡320（例如反射鏡320a、320b、320c之一）及微反射鏡310（例如微反射鏡310a、310b、310c之一）反射而傳遞至使用者的眼睛EY，且反射鏡320設置的角度彼此不同，微反射鏡310設置的角度彼此相同。在圖8的實施例中，鏡組300設置於導光板的內部，反射鏡320可以是導光板內側表面的鍍膜，或是影像光束也可以直接在導光板的內側表面產生全反射，因此反射鏡320可以是導光板的內側表面。使用反射鏡320的好處是可以將微反射鏡310設置為相同角度，降低製造的困難度，增加量產性。

綜上所述，因為本發明的實施例提供的擴增實境顯示裝置，原始影像光束在開關元件上的反射路徑相交於一點，形成多組影像光束，而且影像光束在鏡組上的反射角度不同，因此可以讓影像光束所組成的光束變窄，可以達到鏡片輕薄化。而且因為採用分時多工的方式投射涵蓋不同視場的影像，所以具有較佳的解析度。

100:擴增實境顯示裝置 110:光學透鏡 200:顯示模組 210:被投影板 212:畫素 220、220a、220b、220c:開關元件 222:液晶相位調製器 224:偏振反射器 230:投影器 232:雷射掃描投影器 234:準直透鏡 236:線偏振片 300、300a、300b、300c:鏡組 310、310a、310b、310c:微反射鏡 320、320a、320b、320c:反射鏡 CRL:控制器 EY:眼睛 LC:液晶層 LB:原始影像光束 IMG:擴增實境影像 ITO:透明電極 PXL:像素 T1、T2、T3:影像光束 Ta、Tb、Tc:時間 d1:第一偏振方向 d2:第二偏振方向

圖1為依照本發明一實施例的擴增實境顯示裝置的示意圖。圖2為圖1的擴增實境顯示裝置的顯示模組的示意圖。圖3為圖1的擴增實境顯示裝置在使用者的眼睛前方形成虛像的示意圖。圖4為圖2的顯示模組的投影器的示意圖。圖5A為圖2的顯示模組的開關元件的剖面示意圖。圖5B為圖5A的開關元件的液晶相位調製器電壓開啟和關閉的剖面示意圖。圖6為圖1的擴增實境顯示裝置的影像光束在不同時間的輸出狀態的示意圖。圖7A為圖1的擴增實境顯示裝置的影像光束在不同時間的輸出狀態的另一實施例的示意圖。圖7B為圖7A的實施例的影像光束在不同時間在開關元件上的反射位置的示意圖。圖8為依照本發明另一實施例的擴增實境顯示裝置的示意圖。

100:擴增實境顯示裝置

110:光學透鏡

200:顯示模組

210:被投影板

212:畫素

300、300a、300b、300c:鏡組

310、310a、310b、310c:微反射鏡

T1、T2、T3:影像光束

EY:眼睛

Claims

一種擴增實境顯示裝置，用以對一使用者的一眼睛提供一擴增實境影像，該擴增實境顯示裝置包括：一顯示模組，包括：一投影器，提供一原始影像光束；以及多個開關元件，該些開關元件依序設置於該原始影像光束的路徑上，每一開關元件反射或透射該原始影像光束，該原始影像光束的每一光線在該些開關元件上的反射路徑相交於一點，形成多組影像光束；多個鏡組，設置於該多組影像光束的路徑上，該多組影像光束在該些鏡組上的反射角度不同，且該些鏡組將該多組影像光束反射至該眼睛。
如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中每一鏡組包括一微反射鏡，且該些微反射鏡設置的角度彼此不同。
如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中每一鏡組包括一微反射鏡及一反射鏡，來自每一開關元件的一組影像光束依序被該反射鏡及該微反射鏡反射而傳遞至該使用者的該眼睛，且該些反射鏡設置的角度彼此不同，該些微反射鏡設置的角度彼此相同。
如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，更包括一光學透鏡，設置於該多組影像光束的路徑上，用以接收該多組影像光束。
如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該顯示模組更包括一被投影板，該原始影像光束的多個光線在該些開關元件上的反射路徑相交於被投影板上的多個點以形成多個畫素，每一畫素各自提供出光角度不同的多組影像光束，該被投影板為一擴散器或一微透鏡陣列。
如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該些鏡組設置於一導光板的內部。
如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該些開關元件與該原始影像光束之間的銳角是沿著該原始影像光束的路徑依序遞增。
如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該些開關元件與該原始影像光束之間的銳角是沿著該原始影像光束的路徑依序遞減。
如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該投影器包括一雷射掃描投影器、一準直透鏡及一線偏振片，該原始影像光束由該雷射掃描投影器出光，且依序通過該準直透鏡及該線偏振片。
如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中至少一些該些開關元件包括一液晶相位調製器及一偏振反射器，每一開關元件的該液晶相位調製器及該偏振反射器在原始影像光束的光路上依序排列，該液晶相位調製器包括二透明電極、一液晶層及一控制器，該液晶層設置於該二透明電極之間，該控制器耦接該二透明電極。
如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該些開關元件輪流反射該原始影像光束，且每一時刻有一開關元件是反射該原始影像光束，形成一組影像光束。
如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該些開關元件包括多個像素，每一開關元件的該些像素輪流反射該原始影像光束，且每一時刻有該些開關元件中的多個是反射該原始影像光束的一部分，形成該多組影像光束中的一部分。
如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該些鏡組從上到下排列或從左到右排列，其中上、下、左、右是相對於該使用者而言。
如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該些鏡組從左到右且從上到下排列，其中上、下、左、右是相對於該使用者而言。