TWI554784B - 微型投影光學裝置、方法及頭戴顯示器 - Google Patents

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微型投影光學裝置、方法及頭戴顯示器
本發明係關於一種投影光學裝置、投影光學方法及頭戴顯示器，且特別有關於一種輕量化微型投影光學裝置、投影光學方法及頭戴顯示器。
頭戴式顯示器可分為光學式透視顯示器以及視訊式透視顯示器。光學式透視顯示器乃將一分光鏡擺在使用者眼前的正確方位，使電腦顯示器的影像反射進入使用者的視線，又仍然能讓周遭環境的光線穿透進來。而視訊式透視顯示器則相反，它使用原本為電視特效而開發的視訊混合技術，把頭戴式攝影機(head-mounted camera)傳來的影像與合成的圖像結合，而合併後的影像通常會呈現在一個不透明的頭戴式顯示器上。透過精細的設計使影像處理機定位，讓它的光徑非常接近使用者眼睛的視線，因此能模擬使用者通常會看到的影像。
習知光學式透視頭戴式顯示器係採用液晶顯示單元，例如筆記型電腦常見之顯示單元，液晶顯示單元乃經由燈管自背部照射。由於傳統式照明模組乃是利用色彩濾光片及輔助式白色背光源將會增加重量及製造成本，具有輕量以及低成本之光學式透視頭戴式顯示器係存在需求。
有鑑於上列所述，輕量化微型投影光學裝置、投影光學方法及頭戴顯示器係存在需求，本發明乃提供一輕量 化的微型投影光學裝置、投影光學方法，且特別有關於一種光學式透視之頭戴式顯示器(head-mounted display；HMD)。
根據本發明之目的，提出一微型投影光學裝置，包含：一成像模組，包含一液晶顯示單元，係接收一電子訊號，並基於該電子訊號，形成一電子訊號影像並投射至使用者的眼睛；一照明模組，包含一三色發光二極體，為該照明模組之光源；以及，一微透鏡陣列單元，係均勻化該光源之光線，且提供照明至液晶顯示單元。
根據本發明之目的，再提出一種光學透視頭戴顯示器，係包含前述微型投影光學裝置及其所有模組。
根據本發明之目的，又提出一微型投影光學方法，包含：以一液晶顯示單元接收電子訊號；基於該電子訊號，形成一電子訊號影像並投射至使用者的眼睛；提供一三色發光二極體為該照明模組之光源；以及以一微透鏡陣列單元均勻化該光源之光線，且提供照明至液晶顯示單元。
本發明前述各方面及其它方面依據下述的非限制性具體實施例詳細說明以及參照附隨的圖式將更趨於明瞭。
100‧‧‧微型投影光學裝置
20‧‧‧成像模組
201‧‧‧鏡片組單元
202‧‧‧液晶顯示單元
203‧‧‧分光鏡單元
204‧‧‧極化分光鏡單元
205‧‧‧電子訊號影像
30‧‧‧照明模組
301‧‧‧三色發光二極體
302‧‧‧準直鏡單元
303‧‧‧微透鏡陣列單元
304‧‧‧集光鏡單元
40‧‧‧影像/資料處理模組
401‧‧‧影像/資料輸入單元
402‧‧‧影像/資料處理單元
403‧‧‧訊號輸出單元
404‧‧‧電子訊號
51‧‧‧眼睛
52‧‧‧物體
53‧‧‧外界影像
200‧‧‧光學透視頭戴顯示器
400‧‧‧微型投影光學方法
S01‧‧‧照明方法
S02‧‧‧影像/資料處理方法
S03‧‧‧成像方法
500‧‧‧光學透視頭戴顯示器
502‧‧‧主機
503‧‧‧眼鏡
504‧‧‧夾片
505‧‧‧樞軸
第一圖係微型投影光學裝置之方塊圖。
第二圖係光學透視頭戴顯示器之方塊圖。
第三圖係微型投影光學裝置之示意圖。
第四圖係微型投影光學方法之流程圖。
第五圖係光學透視頭戴顯示器之側視圖。
第六圖係光學透視頭戴顯示器之上視圖。
第七圖係光學透視頭戴顯示器之A-A剖面圖。
請參照第一圖，第一圖為本發明實施例之一微型投影光學裝置100之方塊圖。本實施例所揭露的微型投影光學裝置100，其中包含一成像模組20、一照明模組30以及一 影像/資料處理模組40。該照明模組30為成像模組20提供照明，該影像/資料處理模40組接收外界影像/資料並進行辯識與處理，且經處理後之影像/資料傳送至成像模組20。
請參照第二圖，第二圖為本發明實施例之一光學透視頭戴顯示器(head-mounted display；HMD)200之方塊圖。本實施例所揭露的光學透視頭戴顯示器200，其中包含一微型投影光學裝置100及其中任一項之模組。
請參照第三圖，第三圖為本發明實施例之一微型投影光學裝置100之示意圖。本實施例所揭露的微型投影光學裝置100可應用於光學透視頭戴式顯示器200，其中包含一成像模組20、一照明模組30以及一影像/資料處理模組40。
其中成像模組20包含一鏡片組單元201，可將液晶顯示單元202上的電子訊號影像205投影進入人眼，使得使用者可以直接觀察到液晶顯示單元202上的電子訊號影像205而不需要屏幕，再利用分光鏡(beam splitter)單元203結合外界影像53與電子訊號影像205，以達可視穿的效果。其中，該成像模組中的極化分光鏡(polarized beam splitter；PBS)單元204，偏振來自照明模組30之均勻光線並提供照明至液晶顯示單元202。
其中照明模組30，包含一三色發光二極體(RGB LED)301為該照明模組之光源，並利用一準直鏡(collimator)單元302以及一微透鏡陣列(micro lens array)單元303以及一集光鏡(condenser)單元304均勻化該光源之光線，並提供均勻照明至矽基液晶顯示單元202。且因使用三色發光二極體為光源，可利用色序法來達到不同顏色的混光，並可免除使用色彩濾光片以達輕量化之功效。
其中影像/資料處理模組40，該影像處理模組包含一影像/資料輸入單元401，一影像/資料處理單元402，以及一訊號輸出單元403，該影像/資料輸入單元401接收外界影像/資料並利用影像/資料處理單元402進行辯識與處理，該 訊號輸出單元403可將經影像/資料處理單元402處理後之影像/資料以電子訊號404傳送至液晶顯示單元202上，以提供使用者即時資訊。
當使用者(如眼睛51所示之位置)透過應用輕量化的微型投影光學裝置100之光學透視頭戴顯示器200而觀看位於指使用者前方之物體52時，外界影像53係經由分光鏡單元203穿透至使用者的眼睛51，更有一部份的影像係透過成像模組20，將液晶顯示單元202上的電子訊號影像205投影進入使用者的眼睛51，使得使用者可以直接觀察到液晶顯示單元202上的影像而不需要屏幕。
在一較佳的實施例中，本發明之一微型投影光學裝置100，其中該液晶顯示單元係一矽基液晶顯示面板，其中該三色發光二極體係一陣列式三色發光二極體，其中該微透鏡陣列單元係一單片式微透鏡陣列。
當在晴空之室外使用頭戴式顯示器時，光學系統中光源強度的調整格外重要，本發明之輕量化的微型投影光學裝置中照明模組，因以陣列式三色發光二極體為光源，可大幅提升照度，且利用一準直鏡單元以及一單片式微透鏡陣列單元以及一集光鏡單元均勻化該光源之光線並提供照明至液晶顯示單元，因此在晴空之室外使用頭戴式顯示器時，使用者仍可清楚辨識來自此輕量化的微型投影光學裝置100之影像，解決現有頭戴式顯示器在晴空之室外無法清楚辨識來自投影機光學系統之影像的問題。
請參照第四圖，第四圖為本發明實施例之一微型投影光學方法400之流程圖。本實施例所揭露的微型投影光學方法400可應用於光學透視頭戴式顯示器200，其中包含一照明方法S01、一影像/資料處理方法S02以及一成像方法S03。
其中照明方法S01係透過一三色發光二極體做為光源，提供液晶顯示單元照明。並利用一準直鏡單元、一 微透鏡陣列單元以及一集光鏡單元以達光線均勻化。更利用色序法來達到不同顏色的混光，以在顯示單元上達到均勻的照明，並可免除使用色彩濾光片以達輕量化之功效。
其中影像/資料處理方法S02係透過一影像/資料輸入單元接收外界影像/資料，並利用一影像/資料處理單元進行影像/資料處理，更利用一訊號輸出單元將經影像/資料處理後之影像/資料以電子訊號形式傳送至液晶顯示單元上以供使用者觀察。
其中成像方法S03係透過一液晶顯示單元接收電子訊號，並投射一依據該電子訊號所形成之電子訊號影像至使用者的眼睛。並利用一鏡片組單元透過一分光鏡單元結合外界影像與面板影像，將液晶顯示單元上的影像投影進入人眼。更進一步包含利用一極化分光鏡單元，該極化分光鏡單元偏振來自照明模組之均勻光線並提供照明至液晶顯示單元。
在一較佳的實施例中，本發明之一微型投影光學方法400，其中該液晶顯示單元係一矽基液晶顯示面板，其中該三色發光二極體係一陣列式三色發光二極體，其中該微透鏡陣列單元係一單片式微透鏡陣列。
請參照第五圖，第五圖為本發明實施例之一光學透視頭戴顯示器500之側視圖。光學透視頭戴顯示器500包含本發明之微型投影光學裝置100及光學透視頭戴顯示器之主機502，主機502係包括電路板、觸控板、按鍵、LED、感測器、電池、喇叭及麥克風等元件，光學透視頭戴顯示器500可配合市售任一眼鏡503使用。
請參照第六圖，第六圖為本發明實施例之一光學透視頭戴顯示器500之上視圖。光學透視頭戴顯示器500可透過一外掛裝置如夾片504及樞軸505與眼鏡503之鏡腳結合，並利用微型投影光學裝置100接收外界影像/資料並將處理後之影像/資料供使用者觀察，其中光學透視頭戴顯示器 500更包括主機502，主機502可用來接收使用者利用觸控板、按鍵、麥克風等輸入裝置所輸入之指令，並利用感測器感測外界溫度、濕度、氣壓、加速度等環境資訊，經電路板上之電路與晶片處理來自輸入裝置與感測器之資料後，輸出至喇叭及微型投影光學裝置100之成像模組以供使用者聆聽與觀看。
請參照第七圖，第七圖為本發明實施例之一光學透視頭戴顯示器500之A-A剖面圖。光學透視頭戴顯示器500之主機502可透過一外掛裝置包含夾片504及樞軸505與眼鏡503之鏡腳結合，由第七圖可知夾片504以樞軸505為支點將眼鏡503之鏡腳夾持於主機502與夾片504之間。
現有市面上頭戴式眼鏡顯示器其投影機光學系統係與眼鏡本體一體成型，無法與消費者原有習慣使用之眼鏡搭配，因此當消費者有使用頭戴式眼鏡顯示器之需求時，必須捨棄原有已習慣使用之眼鏡另外購買無度數或客製化訂製度數之頭戴式眼鏡顯示器。
本實施例揭露的微型投影光學裝置可藉由一外掛裝置應用於現有市面上任何眼鏡，因此消費者可配戴原有已習慣使用之眼鏡搭配本發明之光學透視頭戴顯示器500，便可將原有之眼鏡升級為頭戴式眼鏡顯示器。
所屬領域之技術人員當可了解，在不違背本發明精神下，依據本案實施態樣所能進行的各種變化。因此，顯見所列之實施態樣並非用以限制本發明，而是企圖在所附申請專利範圍的定義下，涵蓋於本發明的精神與範疇中所做的修改。
100‧‧‧微型投影光學裝置
20‧‧‧成像模組
201‧‧‧鏡片組單元
202‧‧‧液晶顯示單元
203‧‧‧分光鏡單元
204‧‧‧極化分光鏡單元
205‧‧‧電子訊號影像
30‧‧‧照明模組
301‧‧‧三色發光二極體
302‧‧‧準直鏡單元
303‧‧‧微透鏡陣列單元
304‧‧‧集光鏡單元
40‧‧‧影像/資料處理模組
401‧‧‧影像/資料輸入單元
402‧‧‧影像/資料處理單元
403‧‧‧訊號輸出單元
404‧‧‧電子訊號
51‧‧‧眼睛
52‧‧‧物體
53‧‧‧外界影像

Claims (22)

  1. 一微型投影光學裝置，包含：一成像模組，包含一液晶顯示單元，係由一電子訊號所控制；一照明模組，包含一三色發光二極體，為該照明模組之光源；以及，一微透鏡陣列單元，係均勻化該光源之光線，且提供照明至該液晶顯示單元，該均勻化之光源投射至該液晶顯示單元並由受到電子訊號控制之該液晶顯示單元反射該均勻化之光源以形成一電子訊號影像。
  2. 如申請專利範圍第1項之微型投影光學裝置，其中該液晶顯示單元係一矽基液晶顯示面板，其中該三色發光二極體係一陣列式三色發光二極體，其中該微透鏡陣列單元係一單片式微透鏡陣列。
  3. 如申請專利範圍第1項之微型投影光學裝置，其中該成像模組更包含一鏡片組單元以及一分光鏡單元，該鏡片組單元透過該分光鏡單元結合一外界影像與該電子訊號影像，將該液晶顯示單元上的電子訊號影像投影進入人眼。
  4. 如申請專利範圍第1項之微型投影光學裝置，其中該成像模組更包含一極化分光鏡單元，該極化分光鏡單元偏振來自該照明模組之均勻光線並提供照明至該液晶顯示單元。
  5. 如申請專利範圍第1項之微型投影光學裝置，其中該照明模組係透過該微透鏡陣列單元、一準直鏡單元以及一集光鏡單元均勻化該光源之光線，且沿著該光源投射方向設置依序為該準直鏡單元、該微透鏡陣列單元至該集光鏡單元。
  6. 如申請專利範圍第1項之微型投影光學裝置，其中該照明 模組，係利用色序法來達到不同顏色的混光，以提供均勻照明至該液晶顯示單元。
  7. 如申請專利範圍第1項之微型投影光學裝置，其中更包括一影像/資料處理模組，該影像/資料處理模組包含一影像/資料輸入單元、一影像/資料處理單元以及一訊號輸出單元，該影像/資料輸入單元接收外界影像/資料，並透過該影像/資料處理單元進行影像/資料處理，該訊號輸出單元將經影像/資料處理後之影像/資料以電子訊號形式傳送至該液晶顯示單元上以供使用者觀察。
  8. 一種光學透視頭戴顯示器，包含一微型投影光學裝置，其中該微型投影光學裝置係具有如申請專利範圍第1項至第7項中任一項所述之模組。
  9. 如申請專利範圍第8項之光學透視頭戴顯示器，該光學透視頭戴顯示器更包含一主機，其中該主機具有至少一電路板、複數個輸入/輸出單元、複數個感測單元及至少一電池。
  10. 如申請專利範圍第9項之光學透視頭戴顯示器，該光學透視頭戴顯示器係透過一外掛裝置結合一眼鏡。
  11. 如申請專利範圍第10項之光學透視頭戴顯示器，該外掛裝置包含一樞軸及一夾片，該外掛裝置透過該樞軸與該主機連結，並利用該夾片夾持一眼鏡之一鏡腳。
  12. 一微型投影光學方法，包含：以一液晶顯示單元接收電子訊號；提供一三色發光二極體為該照明模組之光源；以及以一微透鏡陣列單元均勻化該光源之光線，且提供照明至液晶顯示單元，該均勻化之光源投射至該液晶顯示單元並由受到電子訊號控制之該液晶顯示單元反射該均勻化之光源以形成一電子訊號影像。
  13. 如申請專利範圍第12項之微型投影光學方法，其中該液晶 顯示單元係一矽基液晶顯示面板，其中該三色發光二極體係一陣列式三色發光二極體，其中該微透鏡陣列單元係一單片式微透鏡陣列。
  14. 如申請專利範圍第12項之微型投影光學方法，其中更包含：利用一鏡片組單元透過一分光鏡單元結合一外界影像與該電子訊號影像，將液晶顯示單元上的電子訊號影像投影進入人眼。
  15. 如申請專利範圍第12項之微型投影光學方法，其中更包含：利用一極化分光鏡單元偏振來自照明模組之均勻光線並提供照明至液晶顯示單元。
  16. 如申請專利範圍第12項之微型投影光學方法，其中更包含：透過該微透鏡陣列單元、一準直鏡單元以及一集光鏡單元均勻化該光源之光線，且沿著該光源投射方向設置依序為該準直鏡單元、該微透鏡陣列單元至該集光鏡單元。
  17. 如申請專利範圍第12項之微型投影光學方法，其中係利用色序法來達到不同顏色的混光，以提供均勻照明至液晶顯示單元。
  18. 如申請專利範圍第12項之微型投影光學方法，其中更包括透過一影像/資料輸入單元接收外界影像/資料，並利用一影像/資料處理單元進行影像/資料處理，更利用一訊號輸出單元將經影像/資料處理後之影像/資料以電子訊號形式傳送至液晶顯示單元上以供使用者觀察。
  19. 一種光學透視頭戴顯示器，包含利用一微型投影光學方法，其中該微型投影光學方法係具有如申請專利範圍第12項至第18項中任一項所述之方法。
  20. 如申請專利範圍第19項之光學透視頭戴顯示器，該光學透視頭戴顯示器更包含一主機，其中該主機具有至少一電路板、複數個輸入/輸出單元、複數個感測單元及至少一電池。
  21. 如申請專利範圍第20項之光學透視頭戴顯示器，該光學透視頭戴顯示器係透過一外掛裝置結合一眼鏡。
  22. 如申請專利範圍第21項之光學透視頭戴顯示器，該外掛裝置包含一樞軸及一夾片，該外掛裝置透過該樞軸與該主機連結，並利用該夾片夾持一眼鏡之一鏡腳。
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