TWI604223B - 顯示裝置 - Google Patents

Description

顯示裝置

本揭示內容是有關於一種顯示裝置，且特別是有關於一種使用微型反射鏡片的顯示裝置。

頭戴式顯示器(Head mounted display，HMD)是一種立體視覺顯示的光學產品，利用兩眼視差的立體效果訊號，經過顯示器，再經過光學組件分別送到雙眼，而產生立體畫面。使用者戴在頭上的頭戴式顯示器，兩眼各使用一個小螢幕，故能夠產生大影像的立體效果。

頭戴式顯示器通常用在擴增實境(augmented reality，AR)或是虛擬實境(virtual reality，VR)系統，其可跟著使用者移動並能當作一種輸入設備來接收使用者的反應。透過戴在使用者的頭部的頭戴式顯示器，圖像和文字就可以加到使用者觀察周遭環境所產生的畫面上，而達到虛擬實境或是擴增實境的效果。

然而目前的頭戴式顯示器不僅體積過大，又因為其光學組件採用分光鏡(beam splitter)而導致能量損耗過大，因此如何將頭戴式顯示器的體積縮小以及有效地使用能量便成為重要的課題。

本揭示內容之一態樣是在提供一種顯示裝置。顯示裝置包含左眼區塊以及右眼區塊。左眼區塊以及右眼區塊各自包含微型反射單元微型反射單元、中繼單元以及目鏡單元。微型反射單元包含複數微型反射鏡片，微型反射單元用以根據電訊號控制微型反射鏡片之偏轉角度而將光源轉換為輸入影像。中繼單元包含至少一第一光學鏡片，中繼單元用以接收輸入影像之光束，並透過第一光學鏡片放大輸入影像而產生中繼影像。目鏡單元包含至少一第二光學鏡片，目鏡單元用以接收中繼影像之光束，並透過第二光學鏡片匯聚中繼影像之光束而產生輸出影像以供使用者觀看。

綜上所述，本揭示中的顯示裝置透過中繼單元以及目鏡單元中的光學鏡片產生之輸出影像並無光束被分光而導致能量損耗，且透過光學鏡片的設置進一步縮小顯示裝置的體積以及降低輸出影像的像差現象。

以下揭示提供許多不同實施例或例證用以實施本發明的不同特徵。特殊例證中的元件及配置在以下討論中被用來簡化本揭示。所討論的任何例證只用來作解說的用途，並不會以任何方式限制本發明或其例證之範圍和意義。此外，本揭示在不同例證中可能重複引用數字符號且/或字母，這些重複皆為了簡化及闡述，其本身並未指定以下討論中不同實施例且/或配置之間的關係。

在全篇說明書與申請專利範圍所使用之用詞（terms），除有特別註明外，通常具有每個用詞使用在此領域中、在此揭露之內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本揭露之用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供本領域技術人員在有關本揭露之描述上額外的引導。

關於本文中所使用之『耦接』或『連接』，均可指二或多個元件相互直接作實體或電性接觸，或是相互間接作實體或電性接觸，而『耦接』或『連接』還可指二或多個元件元件相互操作或動作。在本文中，使用第一、第二與第三等等之詞彙，是用於描述各種元件、組件、區域、層與/或區塊是可以被理解的。但是這些元件、組件、區域、層與/或區塊不應該被這些術語所限制。這些詞彙只限於用來辨別單一元件、組件、區域、層與/或區塊。因此，在下文中的一第一元件、組件、區域、層與/或區塊也可被稱為第二元件、組件、區域、層與/或區塊，而不脫離本發明的本意。如本文所用，詞彙『與/或』包含了列出的關聯項目中的一個或多個的任何組合。

請參閱第1圖，第1圖繪示根據本揭示內容之一實施例中一種顯示裝置100之示意圖。顯示裝置100可以是頭戴式顯示器或是任何應用於擴增實境(augmented reality，AR)或是虛擬實境(virtual reality，VR)的顯示裝置，後續為了方便說明將以頭戴式顯示器為例，然而實際應用中本揭示並不以此為限。如第1圖所示，顯示裝置100包含左眼區塊100L以及右眼區塊100R。左眼區塊100L以及右眼區塊100R各自包含微型反射單元110、中繼單元120以及目鏡單元130。

微型反射單元110包含複數微型反射鏡片(未繪示)，微型反射單元110用以根據電訊號控制微型反射鏡片之偏轉角度而將光源E轉換為輸入影像Iin。微型反射單元110可以是數位微型反射鏡元件(Digital Micromirror Device，DMD)或是其他任意將光源轉換為輸入影像的顯示器，本揭示並不以此為限。進一步來說，請參閱第2圖，第2圖繪示第1圖中顯示裝置100的左眼區塊100L之示意圖。在此為方便說明以顯示裝置100的左眼區塊100L舉例說明，實際上顯示裝置100的右眼區塊100R之操作類似於顯示裝置100的左眼區塊100L。

如第2圖所示，在一些實施例中，顯示裝置100更包含全反射稜鏡112設置於微型反射單元110以及中繼單元120之間，用以將光源E之光束引導至微型反射單元110，微型反射單元110中包含微型反射鏡片，每一微型反射鏡片皆可透過不同的偏轉角度來調整反射的光量，例如最暗的情況則旋轉-12度，最亮的情況則旋轉+12度。因此微型反射單元110可以根據不同的電訊號來控制微型反射鏡片之偏轉角度而將光源E轉換為輸入影像Iin。

中繼單元120包含至少一第一光學鏡片，中繼單元120用以接收輸入影像Iin之光束，並透過第一光學鏡片放大輸入影像Iin而產生中繼影像Imid。

如第2圖所示，上述至少一第一光學鏡片包含第一正透鏡組P1、第一反射鏡S1、第一負透鏡組N1以及第二反射鏡S2，其中輸入影像Iin之光束經由第一正透鏡組P1透射至第一反射鏡S1，再經由第一反射鏡S1反射至第一負透鏡組N1，再經由第一負透鏡組N1透射至第二反射鏡S2，再經由第二反射鏡S2反射而形成中繼影像Imid。

在此實施例中，第一正透鏡組P1包含第一凸透鏡A1以及第二凸透鏡A2，其中輸入影像Iin之光束經由第一凸透鏡A1透射至第二凸透鏡A2，再經由第二凸透鏡A2透射至第一反射鏡S1。在此實施例中，第一負透鏡組N1包含第三凸透鏡A3以及第一凹透鏡B1，其中輸入影像Iin之光束經由第一反射鏡S1反射至第三凸透鏡A3，再經由第三凸透鏡A3透射至第一凹透鏡B1，再經由第一凹透鏡B1透射至第二反射鏡S2。須補充的是，上述第一負透鏡組N1中的第 三凸透鏡A3可以為冕牌玻璃(crown glass)，或是其他具有低折射率(refraction index)和高阿貝數(Abbe number)的光學玻璃，第一凹透鏡B1可以為燧石玻璃(flint glass)，或是其他具有高折射率和低阿貝數的光學玻璃。

此外，本揭示中上述以及後續的正透鏡組為任意可匯聚光束的透鏡，負透鏡組為任意可發散光束的透鏡，並不以上述實施例中的情況為限。且此處中繼影像Imid是放大之輸入影像Iin的光點匯聚像，具體而言，輸入影像Iin經過上述至少一第一光學鏡片折射放大為中繼影像Imid後，再經由目鏡單元130將中繼影像Imid之各點轉換成各方向的平行光束，並匯聚於使用者U1之瞳孔處(也就是形成輸出影像而進入輸出影像的開口Iout)。在此實施例中，第一反射鏡S1與第二反射鏡S2設置使得第一正透鏡組P1之光軸與至少一第二光學鏡片之光軸平行。如第2圖所示，第一反射鏡S1與第二反射鏡S2設置使得第一正透鏡組P1之光軸與第一負透鏡組N1之光軸垂直，且第一負透鏡組N1之光軸與至少一第二光學鏡片之光軸垂直。舉例來說，例如可以設置第一反射鏡S1與第一正透鏡組P1之光軸夾45度角，且設置第一反射鏡S1與第二反射鏡S2彼此垂直。又或在其他例子中，例如可以設置第一反射鏡S1與第一正透鏡組P1之光軸夾30度角，而同樣設置第一反射鏡S1與第二反射鏡S2彼此垂直使得第一正透鏡組P1之光軸與至少一第二光學鏡片之光軸平行。藉此，透過兩個反射鏡(第一反射鏡S1以及第二反射鏡S2)的設置，使得第一正透鏡組P1之光軸與至少一第二光學鏡片之光軸平行，可以妥善地利用空間而大幅地縮小顯示裝置100的體積。

接著，由於放大後的中繼影像Imid存有非理想的像差現象(optical aberration)，而須透過目鏡單元130進一步消除像差。在此請繼續參閱第2圖，目鏡單元130包含至少一第二光學鏡片，目鏡單元130用以接收中繼影像Imid之光束，並透過第二光學鏡片匯聚中繼影像Imid之光束而產生輸出影像，進入輸出影像的開口Iout，以供使用者U1觀看。

進一步來說，在此實施例中，上述至少一第二光學鏡片包含第四凸透鏡A4、第二負透鏡組N2、第五凸透鏡A5以及第六凸透鏡A6，其中中繼影像Imid之光束經由第四凸透鏡A4透射至第二負透鏡組N2，再經由第二負透鏡組N2透射至第五凸透鏡A5，再經由第五凸透鏡A5透射至第六凸透鏡A6，再經由第六凸透鏡A6透射而形成輸出影像，進入輸出影像的開口Iout。在此實施例中，第二負透鏡組N2包含第二凹透鏡B2以及第七凸透鏡A7，其中中繼影像Imid之光束經由第四凸透鏡A4透射至第二凹透鏡B2，再經由第二凹透鏡B2透射至第七凸透鏡A7，再經由第七凸透鏡A7透射至第五凸透鏡A5。類似地，上述第二負透鏡組N2中的第七凸透鏡A7可以為冕牌玻璃(crown glass)，或是其他具有低折射率(refraction index)和高阿貝數(Abbe number)的光學玻璃，第二凹透鏡B2可以為燧石玻璃(flint glass)，或是其他具有高折射率和低阿貝數的光學玻璃。藉此，透過上述至少一第二光學鏡片的設置來降低輸出影像中的像差現象。

除此之外，關於上述至少一第二光學鏡片中每一光學透鏡的曲率設計亦會進一步影響輸出影像中的像差現象。較理想的設置如第2圖所示，第四凸透鏡A4具有第一面為凸面、平面或凹面，第二面為凸面，亦即第四凸透鏡A4的第一面之曲率半徑應小於其第二面之曲率半徑。中繼影像Imid之光束經由第四凸透鏡A4之第一面透射至第四凸透鏡A4之第二面，再經由第四凸透鏡A4之第二面透射至第二負透鏡組N2。

第二凹透鏡B2具有第一面為凸面或平面，第二面為凹面，第七凸透鏡A7具有第一面為凸面，第二面為凸面、平面或凹面，亦即第二凹透鏡B2的第一面之曲率半徑應小於其第二面之曲率半徑，第七凸透鏡A7的第一面之曲率半徑應大於其第二面之曲率半徑。中繼影像Imid之光束經由第四凸透鏡A4透射至第二凹透鏡B2之第一面，再經由第二凹透鏡B2之第一面透射至第二凹透鏡B2之第二面，再經由第二凹透鏡B2之第二面透射至第七凸透鏡A7之第一面，再經由第七凸透鏡A7之第一面透射至第七凸透鏡A7之第二面，再經由第七凸透鏡A7之第二面透射至第五凸透鏡A5。

第五凸透鏡A5具有第一面為凸面，第二面為凸面、平面或凹面，亦即第五凸透鏡A5的第一面之曲率半徑應大於其第二面之曲率半徑。中繼影像Imid之光束經由第二負透鏡組N2透射至第五凸透鏡A5之第一面，再經由第五凸透鏡A5之第一面透射至第五凸透鏡A5之第二面，再經由第五凸透鏡A5之第二面透射至第六凸透鏡A6。

第六凸透鏡A6具有第一面為凸面，第二面為凸面、平面或凹面，亦即第六凸透鏡A6的第一面之曲率半徑應大於其第二面之曲率半徑。中繼影像Imid之光束經由第六凸透鏡A6透射至第六凸透鏡A6之第一面，再經由第六凸透鏡A6之第一面透射至第六凸透鏡A6之第二面，再經由第六凸透鏡A6之第二面透射而形成輸出影像，進入輸出影像的開口Iout。藉此，透過上述實施例中的設置可以更加降低輸出影像Iout中的像差現象。

綜上所述，本揭示中的顯示裝置透過中繼單元以及目鏡單元中的光學鏡片產生之輸出影像並無光束被分光而導致能量損耗，且透過光學鏡片的設置進一步縮小顯示裝置的體積以及降低輸出影像的像差現象。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧顯示裝置
100L‧‧‧左眼區塊
100R‧‧‧右眼區塊
110‧‧‧微型反射單元
112‧‧‧全反射稜鏡
120‧‧‧中繼單元
130‧‧‧目鏡單元
E‧‧‧光源
Iin‧‧‧輸入影像
Imid‧‧‧中繼影像
Iout‧‧‧輸出影像的開口(Aperture)
U1‧‧‧使用者
P1‧‧‧第一正透鏡組
N1‧‧‧第一負透鏡組
N2‧‧‧第二負透鏡組
S1‧‧‧第一反射鏡
S2‧‧‧第二反射鏡
A1‧‧‧第一凸透鏡
A2‧‧‧第二凸透鏡
A3‧‧‧第三凸透鏡
A4‧‧‧第四凸透鏡
A5‧‧‧第五凸透鏡
A6‧‧‧第六凸透鏡
A7‧‧‧第七凸透鏡
B1‧‧‧第一凹透鏡
B2‧‧‧第二凹透鏡

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下。然而，應瞭解到，為符合在產業中實務利用的情況，許多的特徵並未符合比例繪示。實際上，為了闡述以下的討論，許多特徵的尺寸可能被任意地增加或縮減。 第1圖繪示根據本揭示內容之一實施例中一種顯示裝置之示意圖；以及 第2圖繪示第1圖中顯示裝置的左眼區塊之示意圖。

100‧‧‧顯示裝置

100L‧‧‧左眼區塊

100R‧‧‧右眼區塊

110‧‧‧微型反射單元

120‧‧‧中繼單元

130‧‧‧目鏡單元

E‧‧‧光源

U1‧‧‧使用者

Claims (12)

1. 一種顯示裝置，包含： 一左眼區塊以及一右眼區塊各自包含： 一微型反射單元，包含複數微型反射鏡片，該微型反射單元用以根據電訊號控制該些微型反射鏡片之偏轉角度而將一光源轉換為一輸入影像； 一中繼單元，包含至少一第一光學鏡片，該中繼單元用以接收該輸入影像之光束，並透過該至少一第一光學鏡片放大該輸入影像而產生一中繼影像；以及 一目鏡單元，包含至少一第二光學鏡片，該目鏡單元用以接收該中繼影像之光束，並透過該至少一第二光學鏡片匯聚該中繼影像之光束而產生一輸出影像以供使用者觀看。
2. 如請求項1所述的顯示裝置，其中該至少一第一光學鏡片包含一第一正透鏡組、一第一反射鏡、一第一負透鏡組以及一第二反射鏡，其中該輸入影像之光束經由該第一正透鏡組透射至該第一反射鏡，再經由該第一反射鏡反射至該第一負透鏡組，再經由該第一負透鏡組透射至該第二反射鏡，再經由該第二反射鏡反射而形成該中繼影像。
3. 如請求項2所述的顯示裝置，其中該第一正透鏡組包含一第一凸透鏡以及一第二凸透鏡，其中該輸入影像之光束經由該第一凸透鏡透射至該第二凸透鏡，再經由該第二凸透鏡透射至該第一反射鏡。
4. 如請求項2所述的顯示裝置，其中該第一負透鏡組包含一第三凸透鏡以及一第一凹透鏡，其中該輸入影像之光束經由該第一反射鏡反射至該第三凸透鏡，再經由該第三凸透鏡透射至該第一凹透鏡，再經由該第一凹透鏡透射至該第二反射鏡。
5. 如請求項2所述的顯示裝置，其中該第一反射鏡與該第二反射鏡設置使得該第一正透鏡組之光軸與該至少一第二光學鏡片之光軸平行。
6. 如請求項5所述的顯示裝置，其中該第一反射鏡與該第二反射鏡設置使得該第一正透鏡組之光軸與該第一負透鏡組之光軸垂直，且該第一負透鏡組之光軸與該至少一第二光學鏡片之光軸垂直。
7. 如請求項1所述的顯示裝置，其中該至少一第二光學鏡片包含一第四凸透鏡、一第二負透鏡組、一第五凸透鏡以及一第六凸透鏡，其中該中繼影像之光束經由該第四凸透鏡透射至該第二負透鏡組，再經由該第二負透鏡組透射至該第五凸透鏡，再經由該第五凸透鏡透射至該第六凸透鏡，再經由該第六凸透鏡透射而形成該輸出影像。
8. 如請求項7所述的顯示裝置，其中該第四凸透鏡具有一第一面為凸面、平面或凹面，一第二面為凸面，其中該中繼影像之光束經由該第四凸透鏡之該第一面透射至該第四凸透鏡之該第二面，再經由該第四凸透鏡之該第二面透射至該第二負透鏡組。
9. 如請求項7所述的顯示裝置，其中該第五凸透鏡具有一第一面為凸面，一第二面為凸面、平面或凹面，其中該中繼影像之光束經由該第二負透鏡組透射至該第五凸透鏡之該第一面，再經由該第五凸透鏡之該第一面透射至該第五凸透鏡之該第二面，再經由該第五凸透鏡之該第二面透射至該第六凸透鏡。
10. 如請求項7所述的顯示裝置，其中該第六凸透鏡具有一第一面為凸面，一第二面為凸面、平面或凹面，其中該中繼影像之光束經由該第五凸透鏡透射至該第六凸透鏡之該第一面，再經由該第六凸透鏡之該第一面透射至該第六凸透鏡之該第二面，再經由該第六凸透鏡之該第二面透射而形成該輸出影像。
11. 如請求項7所述的顯示裝置，其中該第二負透鏡組包含一第二凹透鏡以及一第七凸透鏡，其中該中繼影像之光束經由該第四凸透鏡透射至該第二凹透鏡，再經由該第二凹透鏡透射至該第七凸透鏡，再經由該第七凸透鏡透射至該第五凸透鏡。
12. 如請求項11所述的顯示裝置，其中該第二凹透鏡具有一第一面為凸面或平面，一第二面為凹面，該第七凸透鏡具有一第一面為凸面，一第二面為凸面、平面或凹面，其中該中繼影像之光束經由該第四凸透鏡透射至該第二凹透鏡之該第一面，再經由該第二凹透鏡之該第一面透射至該第二凹透鏡之該第二面，再經由該第二凹透鏡之該第二面透射至該第七凸透鏡之該第一面，再經由該第七凸透鏡之該第一面透射至該第七凸透鏡之該第二面，再經由該第七凸透鏡之該第二面透射至該第五凸透鏡。