TWI619996B - 近眼顯示裝置 - Google Patents

Abstract

一種近眼顯示裝置包含影像輸出模組、編碼孔徑模組以及導光組件。影像輸出模組用以提供至少一影像。編碼孔徑模組用以編碼來自影像輸出模組至少一影像的光線，而產生至少一左眼影像與至少一右眼影像。導光組件用以將左眼影像與右眼影像分別往不同方向傳送。

Description

近眼顯示裝置

本發明是關於一種近眼顯示裝置。

我們生活在三維的世界，然而傳統的顯示技術僅僅提供缺少深度資訊的二維顯示。二維顯示大大限制了人們對豐富多彩世界獲取認知的信息量。電子技術、光學技術和光電子技術等的快速發展促進了三維顯示技術發展。三維顯示技術提供顯示物體的深度資訊，契合現代人對於資訊獲取的需求。所以三維技術在學術界和商業界得到廣泛的關注。

光場近眼顯示技術是實現三維顯示的一種最簡便的方法。在近眼顯示中引入了光場重構的概念，對於任一三維重構點至少有二根光線進入瞳孔，從而人眼可以方便地對不同深度的圖像進行自由調焦，使得觀看更加接近真實和自然。現有的光場近眼顯示技術採用空間多工(spatial-multiplex)方法，其利用透鏡陣列產生多個視角的影像來達到光場效果，但此方法也降低了影像的解析度。

本發明之多個實施方式中，提供一種近眼顯示裝置，採用時間多工(time-multiplex)顯示方法與並配合多個不同的反射圖案對影像進行編碼，利用視覺暫留重疊多個經編碼圖案的光線，可達到光場效果。於此，同時提供帶有左右眼資訊的影像圖案，並透過導光組件分別取出左右眼資訊，可避免因左右眼的時間多工而造成亮度下降。

根據本發明之部分實施方式，近眼顯示裝置包含影像輸出模組、編碼孔徑模組以及導光組件。影像輸出模組用以提供至少一影像。編碼孔徑模組用以編碼來自影像輸出模組的至少一影像的光線而產生至少一左眼影像與至少一右眼影像。導光組件用以將左眼影像與右眼影像分別往不同方向傳送。

於本發明之部分實施方式中，導光組件係用以將左眼影像與右眼影像往實質上相反的兩方向傳送。

於本發明之部分實施方式中，導光組件包含至少一分光鏡。

於本發明之部分實施方式中，導光組件包含第一分光介面以及第二分光介面。第一分光介面對應編碼孔徑模組之第一區域。第二分光介面對應編碼孔徑模組之第二區域，其中第一分光介面不平行於第二分光介面。

於本發明之部分實施方式中，影像輸出模組包含複數個微型發光二極體。

於本發明之部分實施方式中，編碼孔徑模組為矽基液晶(Liquid Crystal On Silicon；LCOS)。

於本發明之部分實施方式中，近眼顯示裝置更包含至少一透鏡群以及至少一偏振分光鏡。透鏡群光學耦合導光組件之至少一出光路徑。偏振分光鏡光學耦合透鏡群之出光路徑。

於本發明之部分實施方式中，近眼顯示裝置更包含至少一反射鏡以及至少一目鏡組，偏振分光鏡位於反射鏡與目鏡組之間。

於本發明之部分實施方式中，反射鏡為凹面鏡。

於本發明之部分實施方式中，二個該些透鏡群分別設置於該導光組件之相對兩側。

於本發明之部分實施方式中，近眼顯示裝置更包含偏振片，用以將影像的光線轉換為偏振光後傳送至編碼孔徑模組。

於本發明之部分實施方式中，導光組件包含第一分光鏡以及第二分光鏡，其中該第一分光鏡與該第二分光鏡結構相連。

以下將以圖式揭露本發明之多個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式為之。

第1圖為本發明之部分實施方式之近眼顯示裝置100之上視示意圖。第2圖為第1圖之近眼顯示裝置100之光路示意圖。同時參照第1圖與第2圖。近眼顯示裝置100包含影像輸出模組110、物鏡組120、編碼孔徑(coded aperture)模組130、第一目鏡組142、第二目鏡組144與導光組件150。影像輸出模組110用以提供至少一影像。物鏡組120用以接收影像之光線，其中物鏡組120包含第一透鏡群122、第二透鏡群124以及第三透鏡群126。編碼孔徑模組130用以編碼來自第一透鏡群122的影像的光線而產生一左眼影像以及一右眼影像。導光組件150用以將左眼影像與右眼影像分別往不同方向傳送。舉例來說，導光組件150可將左眼影像與右眼影像往實質上相反的兩方向傳送。

進一步來說，編碼孔徑模組130包含相鄰的第一區域R1以及第二區域R2，第一區域R1能夠將其所接收之影像之光線轉換為左眼影像，第二區域R2能夠將其所接收之影像之光線轉換為右眼影像。導光組件150用以將左眼影像傳送至第二透鏡群124、第一目鏡組142，而第一目鏡組142用以將左眼影像傳送至第一位置P1。導光組件150用以將右眼影像傳送至第三透鏡群126、第二目鏡組144，而第二目鏡組144用以將右眼影像傳送至第二位置P2。

於本發明之部分實施方式中，近眼顯示裝置100更包含偏振片160，用以將影像的光線轉換為偏振光後傳送至編碼孔徑模組130。於部分實施方式中，偏振片160可以是吸收型的偏振片，舉例而言，偏振片160可以吸收s偏振光，讓p偏振光穿過。於部分實施方式中，近眼顯示裝置100更包含四分之一波板170，其接收來自影像輸出模組110之影像的光線並將該影像的光線傳送至該偏振片160。在此偏振光系統中，四分之一波板170的運用可以消除經編碼孔徑模組130後不要的光。舉例而言，偏振片160讓p偏振光穿過後，p偏振光經編碼孔徑模組130選擇性地轉換為s偏振光或保留原本的偏振狀態。於部分實施方式中，經編碼孔徑模組130後的s偏振光在第一分光介面152或第二分光介面反射到目鏡，最後到瞳孔。經編碼孔徑模組130後的p偏振光，穿過第一分光介面152或第二分光介面，回到並穿過偏振片160後，被透鏡介面或影像輸出模組110吸收或反射，再回到偏振片160，因為經兩次穿過四分之一波板170，轉換為s偏振光而被偏振片160吸收濾掉。至此，四分之一波板170可以降低介面反射等因素所造成的干擾。應了解到，於此s偏振光與p偏振光僅表示偏振方向互相垂直的兩種線偏振光，不應以此範例限制偏振片160與編碼孔徑模組130的設計關係。

應理解到，第2圖中，由於光路(光線前進的方向)繁雜，部分的光路並未完整繪出，例如輸送至編碼孔徑模組130後被反射至第一分光介面152以及第二分光介面154的光路，但此部分並不影響該技術領域具有通常知識之人理解本案的設計規則，因此不應以光路繪示之完整或準確與否而限制本發明之範圍。

第3圖為第1圖之近眼顯示裝置100之編碼孔徑模組130之立體示意圖。同時參照第1圖至第3圖。編碼孔徑模組130可以包含基板132以及多個畫素134，畫素134控制光線的特性，從而決定對影像的光線進行編碼。於本發明之部分實施方式中，編碼孔徑模組130可為矽基液晶(Liquid Crystal On Silicon；LCOS)。LCOS中，在矽基板132上，每個畫素134包含主動元件(未繪示)、反射層(未繪示)、液晶層(未繪示)以及上電極層，液晶層夾設於反射層與上電極層之間，並使液晶層的配向方向搭配偏振片160的方向，如此一來，各個畫素134可決定是否轉換光線的偏振態。光線被反射後，偏振態經轉換的光線將會受到導光組件150的反射，偏振態未經轉換的光線將會穿透導光組件150，而不反射至第二透鏡群124與第三透鏡群126。

於本發明之部分實施方式中，導光組件150包含第一分光介面152以及第二分光介面154。第一分光介面152以及第二分光介面154為偏振分光介面。在此，第一分光介面152以及第二分光介面154的偏振分光性質相同。第一分光介面152以及第二分光介面154的分光性質可以與偏振片160搭配，而使來自偏振片160的光線穿透。舉例而言，第一分光介面152以及第二分光介面154可反射s偏振光，並使p偏振光穿透，此時偏振片160可設計為使p偏振光穿透。或者，第一分光介面152以及第二分光介面154可反射p偏振光，並使s偏振光穿透，此時偏振片160可設計為使s偏振光穿透。

於部分實施方式中，第一分光介面152以及第二分光介面154的配置將編碼孔徑模組130劃分為第一區域R1以及第二區域R2，具體而言，第一分光介面152用以使來自第一透鏡群122的第一部分之影像的光線穿過而抵達第一區域R1，且當第一區域R1反射此第一部分之影像的光線後，第一分光介面152可將來自第一區域R1的第一部份之影像的光線反射至第二透鏡群124。第二分光介面154用以使來自第一透鏡群122的第二部分之影像的光線穿過而抵達第二區域R2，且當第二區域R2反射此第二部分之影像的光線後，第二分光介面154可將來自第二區域R2的第二部份之影像的光線反射至第三透鏡群126。在此，以此第一區域R1以及第二區域R2大略地劃分傳送至編碼孔徑模組130影像的光線為第一部份以及第二部分。

於部分實施方式中，第一分光介面152以及第二分光介面154可以是相連的。第一分光介面152以及第二分光介面154的連接處可以是一直線，而使第一區域R1以及第二區域R2的的連接處可以是一直線，如第3圖所示。於其他實施方式中，第一分光介面152以及第二分光介面154的連接處可能並非為直線，可以是曲線(未繪示)，也可以是週期性的鋸齒狀或弦波(未繪示)，第一區域R1以及第二區域R2的的連接處可以有對應的形狀。於部分實施方式中，第一分光介面152以及第二分光介面154可以是不相連的，而使第一區域R1以及第二區域R2不相連。

於此，第一區域R1以及第二區域R2位於同一編碼孔徑模組130(例如：LCOS)上。於其他實施方式中，第一區域R1以及第二區域R2可分別位於不同編碼孔徑模組130(例如：兩個LCOS)上，此時第一區域R1以及第二區域R2自然不結構相連。於本發明之多個實施方式中，第一區域R1以及第二區域R2可不相連分別有各自的反射圖案，兩者不必然有設計上的對應關係。

於部分實施方式中，導光組件150是立方體型的分光鏡。第一分光介面152以及第二分光介面154可由兩個晶體所組合而成，其中一個晶體具有V型凹槽，另一個稜鏡具有V型凸塊，V型凹槽與V型凸塊相接而有兩個互不平行的介面，在介面上鍍有多層透明介質薄膜(未繪示)，而形成第一分光介面152以及第二分光介面154。於本發明之多個實施方式中，第一分光介面152的分光介面與第二分光介面154互不平行。於部分實施方式中，第一分光介面152與第二分光介面154分別與系統光軸夾-45、+45度。當然不應此以角度限制本發明之範圍，於其他實施方式中，可以設計第一分光介面152與第二分光介面154可以有其他角度，但仍能將光線傳送至後續的光學元件。

導光組件150還可以有其他配置方式。舉例而言，參考第4圖，第4圖為本發明之部分實施方式之近眼顯示裝置100之部分元件之上視示意圖。本實施方式與第1圖之實施方式的差別在於：導光組件150可以包含第一分光鏡150a與第二分光鏡150b。於本發明之多個實施方式中，第一分光鏡150a與第二分光鏡150b可以是立方體型。第一分光鏡150a可能由兩個稜鏡152a、152b所組合而成，在稜鏡152a、152b相鄰的介面上鍍有多層透明介質薄膜(未繪示)，而形成第一分光介面152。第二分光鏡150b可能由另兩個稜鏡154a、154b所組合而成，在稜鏡154a、154b相鄰的介面上鍍有多層透明介質薄膜(未繪示)，而形成第二分光介面154。

於部分實施方式中，第一分光鏡150a的稜鏡與第二分光鏡150b的稜鏡相連。於部分實施方式中，第一分光鏡150a以及第二分光鏡150b之間可以填入透明黏著膠(未繪示)，以固定第一分光鏡150a以及第二分光鏡150b。於其他實施方式中，第一分光鏡150a以及第二分光鏡150b可以有適當的間隙，亦即兩者是不相連的。

於其他實施方式中，雖然在此並未繪示，第一分光鏡150a以及第二分光鏡150b可以是平面型的偏振分光鏡，在透明基板或薄膜透鏡上鍍多層透明介質薄膜(未繪示)，而形成第一分光介面152以及第二分光介面154。

再回到第1圖與第2圖，於其他實施方式中，編碼孔徑模組130可以不是LCOS。具體而言，編碼孔徑模組130中，基板132可以是透明的，畫素134可包含主動元件(未繪示)、至少一電極層(未繪示)以及液晶層(未繪示)，還可以設計其他偏振片與畫素134搭配，進而以決定各個畫素134的穿透與否。換句話說，編碼孔徑模組130可以控制光線穿透的圖案，其他的光線將被偏振片吸收。此時，編碼孔徑模組130係位於導光組件150與第一透鏡群122之間，導光組件150可以包含兩個反射鏡，而將來自第一區域R1的第一部份之影像的光線反射至第二透鏡群124，且將來自第二區域R2的第二部份之影像的光線反射至第三透鏡群126，至此，也可以達到導光組件150分別取出左右眼資訊的功效。

於本發明之部分實施方式中，近眼顯示裝置100更包含偏振分光鏡182、184、四分之一波板186、188以及反射鏡192、194。反射鏡192、194用以接收來自物鏡組120的光線。於此，反射鏡192、194可為凹面鏡，物鏡組120適用於將來自第一區域R1、第二區域R2之影像之光線分別聚集至反射鏡192、194上，並在反射鏡192、194上形成左眼影像、右眼影像。偏振分光鏡182、184分別光學耦合物鏡組120之第二透鏡群124、第三透鏡群126之出光路徑。於此，偏振分光鏡182與四分之一波板186位於反射鏡192的光軸上，且偏振分光鏡182還位於第一目鏡組142的光軸與第二透鏡群124的光軸上。於部分實施方式中，偏振分光鏡182位於反射鏡192與第一目鏡組142之間。相似地，偏振分光鏡184與四分之一波板188位於反射鏡194的光軸上，且偏振分光鏡184還位於第二目鏡組144的光軸與第三透鏡群126的光軸上。於部分實施方式中，偏振分光鏡184位於反射鏡194與第二目鏡組144之間。

於此，第1圖與第2圖中，偏振分光鏡182、184採用平面型的偏振分光鏡，而導光組件150採用立方體型的偏振分光鏡，當然不應以此限制本發明之範圍。於其他實施方式中，亦可以配置偏振分光鏡182、184採用立方體型的偏振分光鏡。

於本發明之部分實施方式中，第二透鏡群124與第三透鏡群126分別設置於導光組件150之相對兩側，使得偏振分光鏡182、184、四分之一波板186、188、反射鏡192、194以及第一目鏡組142與第二目鏡組144亦分別設置於導光組件150之相對兩側。在配戴近眼顯示裝置100時，使用者的眼睛對應於第一位置P1與第二位置P2，而使影像輸出模組110、物鏡組120、編碼孔徑模組130與導光組件150在大約位於兩眼中央上方的區域，例如前額至頭頂。如此一來，近眼顯示裝置100的重量可以大致位於使用者兩眼中央上方的區域，例如前額至頭頂，使用者的配戴可以較為穩定。

實際操作上，影像輸出模組110以時序提供N個影像，編碼孔徑模組130之第一區域R1以相同之時序提供N個第一編碼圖案，編碼孔徑模組130之第二區域R2以相同之時序提供N個第二編碼圖案。如此一來，在反射鏡192上依序形成N個左眼影像，且在反射鏡194上依序形成N個右眼影像。N為正整數，理想上至少為2。由於人眼視覺暫留的因素，N個左眼影像將經第一目鏡組142形成一個光場，提供左眼觀察，N個右眼影像經第二目鏡組144將形成另一個光場，提供右眼觀察。至此，可以使左右兩眼分別觀察到不同光場，而能有較佳景深的立體視覺效果。

於此，影像輸出模組110所提供之N個影像事實上為一總影像的N個子影像，透過此N個子影像與編碼孔徑模組130搭配，可將此總影像轉換為光場，以能有較佳景深的立體視覺效果。多個總影像可以依序提供而達成動態顯示的效果，其中多個總影像可以以每秒60個的速度輸出，而N個影像可以以每秒60*N個的速度輸出，以達到視覺暫留的效果。

於本發明之部分實施方式中，影像輸出模組110包含多個陣列排列的微型發光二極體，可透過直接操控微型發光二極體的開關而達成提供影像的目的，其效果如同以背光模組搭配顯示控制面板(例如液晶面板)而提供影像。於部分實施方式中，影像輸出模組110亦可以包含多個陣列排列的微型有機發光二極體。於部分實施方式中，影像輸出模組110可以包含背光模組以及另一個矽基液晶，矽基液晶可以控制反射圖案，進而形成影像。當然，於部分實施方式中，影像輸出模組110亦可以包含背光模組以及顯示控制面板(例如液晶面板)而提供影像。

於本發明之部分實施方式中，影像輸出模組110可以同時提供帶有左右眼資訊的影像。於其他實施方式中，亦可以設計兩個的影像輸出模組相鄰並同時分別提供左右眼資訊的影像，亦可以達到相同的效果。

本發明之多個實施方式中，提供一種近眼顯示裝置，採用時間多工(time-multiplex)顯示方法與並配合多個不同的反射圖案對影像進行編碼，利用視覺暫留重疊多個經編碼圖案的光線，可達到光場效果。於此，同時提供帶有左右眼資訊的影像圖案，並透過導光組件分別取出左右眼資訊，可避免因左右眼的時間多工而造成亮度下降。

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

100‧‧‧近眼顯示裝置

110‧‧‧影像輸出模組

120‧‧‧物鏡組

122‧‧‧第一透鏡群

124‧‧‧第二透鏡群

126‧‧‧第三透鏡群

130‧‧‧編碼孔徑模組

142‧‧‧第一目鏡組

144‧‧‧第二目鏡組

150‧‧‧導光組件

150a‧‧‧第一分光鏡

150b‧‧‧第二分光鏡

152‧‧‧第一分光介面

152a‧‧‧稜鏡

152b‧‧‧稜鏡

154‧‧‧第二分光介面

154a‧‧‧稜鏡

154b‧‧‧稜鏡

160‧‧‧偏振片

170‧‧‧四分之一波板

182‧‧‧偏振分光鏡

184‧‧‧偏振分光鏡

186‧‧‧四分之一波板

188‧‧‧四分之一波板

192‧‧‧反射鏡

194‧‧‧反射鏡

R1‧‧‧第一區域

R2‧‧‧第二區域

P1‧‧‧第一位置

P2‧‧‧第二位置

第1圖為本發明之部分實施方式之近眼顯示裝置之上視示意圖。 第2圖為第1圖之近眼顯示裝置之光路示意圖。 第3圖為第1圖之近眼顯示裝置之部分元件之立體示意圖。 第4圖為本發明之部分實施方式之近眼顯示裝置之部分元件之上視示意圖。

Claims (11)

1. 一種近眼顯示裝置，包含：一影像輸出模組，用以提供至少一影像；一編碼孔徑模組，用以編碼來自該影像輸出模組的該至少一影像的光線而產生至少一左眼影像與至少一右眼影像；以及一導光組件，用以將該左眼影像與該右眼影像分別往不同方向傳送，其中該導光組件包含：一第一分光介面，對應該編碼孔徑模組之一第一區域；一第二分光介面，對應該編碼孔徑模組之一第二區域，其中該第一分光介面不平行於該第二分光介面。
2. 如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中該導光組件係用以將該左眼影像與該右眼影像往實質上相反的兩方向傳送。
3. 如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中該導光組件包含至少一分光鏡。
4. 如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中該影像輸出模組包含複數個微型發光二極體。
5. 如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中該編碼孔徑模組為矽基液晶(Liquid Crystal On Silicon；LCOS)。
6. 如請求項1所述之近眼顯示裝置，更包含：至少一透鏡群，光學耦合該導光組件之至少一出光路徑；以及至少一偏振分光鏡，光學耦合該透鏡群之一出光路徑。
7. 如請求項6所述之近眼顯示裝置，更包含：至少一反射鏡；以及至少一目鏡組，其中該偏振分光鏡位於該反射鏡與該目鏡組之間。
8. 如請求項7所述之近眼顯示裝置，其中該反射鏡為凹面鏡。
9. 如請求項6所述之近眼顯示裝置，其中二個該些透鏡群分別設置於該導光組件之相對兩側。
10. 如請求項1所述之近眼顯示裝置，更包含一偏振片，用以將該影像的光線轉換為偏振光後傳送至該編碼孔徑模組。
11. 如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中該導光組件包含：一第一分光鏡；以及一第二分光鏡，其中該第一分光鏡與該第二分光鏡結 構相連。