TWI627451B - 多光束繞射格柵式近眼顯示器 - Google Patents

多光束繞射格柵式近眼顯示器 Download PDF

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Abstract

本發明提供了一近眼顯示器以及一近眼雙目顯示系統，該顯示器及系統係將一影像的複數個不同視像提供至適眼區中的不同位置處，藉此將焦深提示提供給使用者。近眼顯示器係包括用於提供不同視像的一多光束繞射格柵式顯示器，以及用於將不同視像轉送至適眼區中的不同位置的一光學系統。雙目近眼顯示系統係包括一對多光束繞射格柵式顯示器以及一雙目光學系統，用於提供並且將代表一三維情景的一對立體影像轉送至對應的一對橫向偏移的適眼區。

Description

多光束繞射格柵式近眼顯示器
本發明屬於一種顯示器；特別是一種使用多光束繞射格柵的近眼顯示器。
對於種類廣泛的裝置及產品的使用者而言，電子顯示器是一個幾乎無處不在的媒體，用於傳播資訊給使用者。其中最常見的電子顯示器是陰極射線管（cathode ray tube, CRT）、電漿顯示面板（plasma display panels ,PDP）、液晶顯示器（liquid crystal displays, LCD）、電致發光顯示器（electroluminescent displays, EL）、有機發光二極體（organic light emitting diode, OLED）和主動式有機發光二極體（active matrix OLEDs, AMOLED）顯示器、電泳顯示器（electrophoretic displays, EP），以及各種採用機電或電流體光調變（例如，數位微鏡裝置、電潤濕顯示器等等）的顯示器。在一般情況下，電子顯示器可以分為主動顯示器（即，會發光的顯示器）或被動顯示器（即，調變由另一個光源提供的光的顯示器）的其中一者。在主動顯示器的分類中，最明顯的例子是CRTs、PDPs及OLEDs/AMOLEDs。在上述以發射光進行分類的情況下，LCDs及EP顯示器一般是被歸類在被動顯示器的分類中。被動顯示器雖然經常表現出包括但不限於如固有的低功率消耗等具有吸引力的性能特徵，但由於其缺乏發光的能力，被動顯示器在許多實際應用中可能有使用上的限制。
除了以主動式或被動式來進行分類以外，也可以根據電子顯示器的預期觀看距離來對判斷電子顯示器的特徵。舉例來說，大多數的電子顯示器的設計是必須放置在與人眼具有一定距離的正常或「自然」的調視範圍中。因此，該種電子顯示器可以在不需要額外的光學元件的情況下供使用者直接且自然地觀看。另一方面，某些顯示器是特別設計成需擺放在比正常調視範圍更靠近人眼的位置。這些電子顯示器經常被稱為「近眼」顯示器，且通常係包括某種形式的光學元件以方便使用者觀看。舉例來說，該光學元件可以提供位於正常調視範圍內的實體電子顯示器的虛像，如此一來，縱使無法直接觀看到實體電子顯示器本身，使用者仍然可以舒服的進行觀看。使用近眼顯示器之應用的範例包括了頭戴式顯示器(Head Mounted Display, HMD)、類似的穿戴式顯示器，以及某些抬頭式顯示器；但近眼顯示器的範例並不受限於此。由於近眼顯示器相對於傳統的顯示器來說可以提供使用者更為身歷其境的體驗，各種虛擬實境系統以及擴增實境系統經常也會包含有近眼顯示器。
下文的實施例與範例係依據本發明的原理，提供了一種能夠提供調視支援功能的近眼顯示器。尤其，根據本說明書中所描述原理的各個實施例，本發明係提供了一種採用多視角顯示器的近眼顯示器，藉此產生一影像的多個視像。該些不同的視像係被投射或被排列到一適眼區中的不同位置，其中，該近眼顯示器所顯示的影像係在該適眼區中供使用者觀看。根據本發明的各個實施例，位於不同位置的不同視像可以相對於所顯示的影像支援調視功能（即，幫助眼睛聚焦於一物體上）。
根據本發明的各個實施例，多視角顯示器係包括一多光束繞射格柵式背光板。所述的多光束繞射格柵式背光板係利用一多光束繞射格柵將光從導光體中繞射耦合出來，藉此產生對應於該些不同視像的光束。在某些實施例中，該些不同視像可以大致類似於根據某些實施例之基於多光束繞射格柵式背光板的一三維電子顯示器（例如，立體顯示器或「裸眼」的三維電子顯示器）所產生的不同視像。因此，多視角顯示器又可以稱為多光束繞射格柵式顯示器。
根據各個實施例，多光束繞射格柵式顯示器具有多光束繞射格柵的陣列。多光束繞射格柵係用於從一導光體中耦合光，並且用於提供對應於多光束繞射格柵式顯示器的像素的耦合出光束，或者用於提供所顯示之影像的不同視像的等同像素。尤其，根據本發明的各個實施例，耦合出光束係具有彼此不同的主要角度方向。此外，在某些實施例中，這些由多光束繞射格柵所產生之具有不同定向的光束，可以經調變後做為對應於所顯示之影像的不同視像的像素。
在本文中，「導光體」被定義為一種在其結構中使用全內部反射來引導光的結構。尤其，導光體可包括一核心，在導光體的操作波長中，該核心基本上是透明的。「導光體」一詞一般指的是一介電質的光波導，其係利用全內部反射在導光體的介電質的物質和圍繞導光體的物質或介質之間的界面引導光。根據定義，全內部反射的條件是，該導光體的折射率大於相鄰於導光體物質表面的周圍介質的折射率。在某些實施例中，導光體可以在利用上述的折射率差之外另外包括一塗層，或者利用塗層取代前述的折射率差，藉此進一步促成全內部反射。舉例來說，該塗層可以是反射塗層。導光體可以是數種導光體中的任一種，其可以包括但不限於，一平板或厚板的導光體及一條狀導光體的其中一者或兩者。
此外，在本文中，當「平板」一詞被應用於導光體中時，如「平板導光體」，其係被定義為一片狀、一差異平面層狀或一薄片，並且在某些情況中被稱為「薄片」導光體。尤其，一平板導光體係被定義為在由導光體的上表面及下表面（換言之，兩個相對的表面）所界定的兩個大致正交的方向上引導光的一導光體。此外，在本說明書的定義中，上表面及下表面兩者間彼此分離，並且根據本發明的某些實施例，至少在區隔的意義上兩者為大致彼此平行的表面。也就是說，在平板導光體的任何不同的小區域內，上表面和下表面是大致上為平行或共面的表面。
在某些實例中，一平板導光體可以具有大致為平坦的結構（即，限制在一個平面上），因而使平板導光體成為平面導光體。在其它實施例中，平板導光體可以具有在一個或兩個正交維度中為彎曲的結構。例如，平板導光體可以具有在一單一維度中為彎曲的結構，以形成圓柱形的平板導光體。然而，任何曲率都需具有足夠大的曲率半徑，以確保平板導光體中能保持全內部反射來引導光。
在此，「繞射格柵」，更具體來說「多光束繞射格柵」，通常被定義為複數個構造特徵（即，繞射結構特徵），用於提供入射於繞射格柵之光的繞射。在某些實施例中，複數個構造特徵可以以週期性或準週期性的方式設置。舉例來說，繞射格柵可以包括佈置在一個一維陣列中之複數個構造特徵（例如，在一材料表面的複數個凹槽）。在其他實例中，繞射格柵可以是構造特徵的二維陣列。舉例來說，繞射格柵可以是在材料表面上的凸部或者在材料表面中的孔洞的二維陣列。
因此，如本說明書中的定義，「繞射格柵」為一種結構，其可以提供入射於繞射格柵之光的繞射。如果光是由一導光體入射到繞射格柵上，其所提供的繞射或者繞射地散射可能導致並且因此可以被稱為「繞射耦合」，繞射耦合可以藉由繞射的方式將光耦合離開導光體。繞射格柵也藉由繞射的方式（即，以一繞射角度）重新定向或改變光的角度。尤其，由於繞射的緣故，離開繞射格柵的光（即，繞射光）通常具有與入射於繞射格柵的光（即，入射光）的傳導方向不同的傳導方向。藉由繞射產生之光的傳導方向上的變化於本文中被稱為「繞射地重新定向」。因此，繞射格柵可被理解為經由繞射方式將入射在繞射格柵上的光重新定向之具有繞射特徵的結構，以及，如果光是由導光體射出，繞射格柵也可將來自導光體的光繞射地耦合出。
此外，如本說明書中的定義，繞射格柵的特徵係被稱為「繞射結構特徵」，並且可以是位在一表面、在一個表面之內或在一個表面之上（換言之，「表面」所指的是兩個材料之間的一邊界）的一個以上的繞射結構特徵。該表面可以是平板導光體的一個表面。繞射結構特徵可包括任何種類的光繞射結構，其可以包含但不限於：在表面、在表面內或在表面上的一個以上的凹槽、脊部、孔洞和凸起。例如，繞射格柵可以包括​​在材料表面內的複數個平行的凹槽。在另一實例中，繞射格柵可以包括自材料表面上升突出的複數個平行的脊部。繞射結構特徵（不論是凹槽、脊部、孔洞、凸部等）可以具有得以提供繞射功能之各種橫截面形狀或輪廓中的任一者，該些橫截面形狀或輪廓係包括但不限於：一正弦狀輪廓、一矩形輪廓（例如，一二元化繞射格柵）、一三角形輪廓和一鋸齒輪廓（例如，一閃耀光柵）的其中一個或多個。
根據本說明書中的定義，「多光束繞射格柵」是產生由繞射方式重新定向之光束（例如，繞射地耦合出的光）的繞射格柵。此外，如本說明書中之定義，由多光束繞射格柵所產生的該等光束係具有彼此不同的主要角度方向。更詳而言之，如本發明的定義，由於多光束繞射格柵對入射光進行繞射耦合以及繞射地重新定向的緣故，該等光束中的一光束係具有與該等光束中的另一光束不同的一預定主要角度方向。該等光束可以代表一光場。舉例來說，該等光束可能會包括具有八種不同主要角度方向的八條光束。舉例來說，該八條光束的結合（即，該等光束）可以代表一光場。根據本發明的各個實施例，各條光束的不同的主要角度方向，是由以下兩個因素的結合所決定，該兩個因素分別為格柵柵距或間隔，以及多光束繞射格柵的繞射結構特徵在各個光束的起始點相對於入射在多光束繞射格柵上的光線的傳導方向的方向性或轉動。
具體而言，根據本文中之定義，由該多光束繞射格柵產生之一光束具有一由角度分量{θ ,f }給出之主要角度方向。角度分量θ 在本文中係稱作光束之「仰角分量（elevation component）」或「仰角（elevation angle）」。在本文中，角度分量f 係稱作光束之「方位分量（azimuth component）」或「方位角（azimuth angle）」。根據定義，仰角θ 係為一垂直平面（例如，垂直於多光束繞射格柵之一平面）中之一角度，而方位角f 係為一水平平面（例如，平行於多光束繞射格柵平面）中之一角度。第1圖顯示了根據本文所述原理之一實例的具有一特定主要角度方向之一光束10之角度分量{θ ,f }。另外，根據本文中之定義，該光束係自一特定點發射或散發。即，根據定義，光束10具有與多光束繞射格柵內之一特定起點相關聯之一中心射線。第1圖也顯示了光束的起點O 。在第1圖中，入射光的傳導方向的範例是以粗體箭頭12所顯示。
根據本發明的各個實施例，可透過多光束繞射格柵與其結構特徵（即，「繞射特徵」）之特性來控制下列各項其中之一或二者：光束之角度方向性，及多光束繞射格柵相對於一個以上的光束的波長或色彩選擇性。可用於控制角度方向性及波長選擇性之特性包含但不限於如下各項其中之一或多者：格柵長度、格柵間距（結構特徵間隔）、結構特徵的形狀、特徵的尺寸（例如，凹槽或脊部的寬度），以及格柵的定向。在某些實例中，各種用於控制之特性可為在一光束之起點附近局部處之特性。
根據本說明書中所描述的各個實施例，由繞射格柵（例如，多光束繞射格柵）耦合出導光體的光係代表了電子顯示器的像素。尤其，具有多光束繞射格柵並且用於產生具有不同主要角度方向之光束的導光體，可以是電子顯示器的背光板的一部分，或者，可以是結合電子顯示器一起使用的背光板的一部分。其中，所述的電子顯示器可以包括但不限於多視角顯示器及「裸眼」的三維電子顯示器（又稱為「全像」電子顯示器，或者稱為立體顯示器）。由此可知，透過多光束繞射格柵將導光從導光體中耦合出而產生的具有不同定向的光束，可以是或可以代表所顯示的影像（例如，「三維影像」）的不同視像。此外，該些不同定向的光束係具有對應於不同影像的不同觀看角度的方向。
在本文中，「準直器」係被定義為任何用於準直光的光學元件或裝置。舉例來說，準直器可以包括但不限於，一準直鏡或反射器、一準直透鏡以及上述各種準直器的組合。在某些實施例中，準直器係包括一準直反射器，該準直反射器的反射表面可以具有拋物線曲線或拋物線形狀的特徵。在另一實例中，準直反射器可以為類拋物線形的反射器。「類拋物線形」在此係指拋物線形反射器的曲形反射表面與「真正」的拋物線曲線有所偏離，藉以達到預定的反射特質（例如，準直度）。類似地，準直透鏡可以包括球形的表面（例如，雙凸球面透鏡）。
在某些實施例中，準直器可以為連續的反射器或連續的透鏡（即，具有大致平滑且連續的反射表面或透鏡），而在其他的實施例中，準直反射器或準直透鏡可以包括大致不連續的表面，如用於提供光線準直的菲涅耳反射器（Fresnel reflector）或菲涅耳反射鏡（Fresnel mirror），但其並不受限於此。根據本發明的各個實施例，由準直反射器所提供的準直量可以在預定的準直程度或準直量之間根據不同的實施例而有所不同。此外，準直反射器可以被配置為提供一個或兩個正交方向上的準直（例如，一垂直方向以及一水平方向）。換句話說，根據本發明的各個實施例，準直反射器可以具有在一個或兩個正交方向上的拋物線形或類拋物線形。
在本文中，「光源」一詞係被定義為光的來源（例如，提供並且發出光線的裝置或元件）。舉例來說，光源可以為當啟動時會發出光線的發光二極體（light emitting diode, LED）。在此，光源可以為任何一種來源的光或光發射器，其係包括但不限於，一個以上的LED、一雷射、一有機發光二極體（organic light emitting diode, OLED）、高分子發光二極體、等離子光發射器、日光燈、白熾燈，以及任何其他視覺可見的燈光來源。由光源所產生的光線可以具有顏色，或者可以具有一定範圍的波長。由此，「具有不同顏色的多個光源」在本說明書中係被明確地定義為一組或者一群光源，其中，該些光源中的至少一個光源所產生的光的顏色或等同的波長，與該些光源中的至少另一個光源所產生的顏色或波長不同。此外，只要該些光源中有兩個不同顏色的光源（即，在至少兩個光源之間產生不同顏色的光），「具有不同顏色的多個光源」可以包括具有相同或大致類似的顏色的一個以上的光源。因此，根據本文中的定義，具有不同顏色的多個光源可以包括了產生第一顏色的第一光源以及產生第二顏色的第二光源，其中，第一顏色不同於第二顏色。
在本說明書使用的「調視」一詞，係指藉由改變眼睛的光學能量來聚焦在一物品或影像元件上的過程。換言之，調視係指眼睛聚焦的能力。在本文中，「調視範圍」或等同的「調視距離」係被定義為與眼睛有相距一距離的並且能達成聚焦的距離範圍。雖然每個個體的調視範圍可能會有所不同，作為範例，在本文中係以簡單的方式將最小的「正常」調視距離設定為大約等於25公分。據此，當一物品在所述的「正常調視範圍」中時，一般應理解為該物品位在距離眼睛超過25公分以外的位置。此外，根據本說明書中的定義，近眼顯示器係指至少有一部分的顯示器位在與近眼顯示器的使用者的眼睛距離小於25公分的位置處的顯示器。
在本說明書中，「適眼區」係指使用者可以觀看顯示器或其他光學系統（例如，透鏡系統）所形成的影像的區域或空間。換言之，適眼區界定了為了觀看由顯示系統所產生的影像，使用者的眼睛在空間中適合放置的位置。在某些實施例中，適眼區代表了二維的空間區域（例如，具有長度與寬度但沒有實際深度的區域），然而在其他實施例中，適眼區可以包括三維的空間區域（例如，具有長度、寬度以及深度的區域）。此外，當在本說明書中提到「區」時，適眼區並不受限於具有四邊形的區域。舉例來說，在某些實施例中，適眼區可以是圓柱形的空間區域。
此外，在本說明書中所使用的冠詞「一」具有專利領域中的普遍含義，即，意指「一個或多個」。例如，「一格柵」指一個或多個格柵，更確切來說，「該格柵」於此意指「該（等）格柵」。此外，任何本文所指的「頂部」、「底部」、「上部」、「下部」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、或「右」並非意使其成為任何限制。本文中，當應用到一個值時，除非有另外特別說明，「大約」一詞一般是指用於產生該值的設備的公差範圍內，或在一些實施例中，是指正負10%，或正負5%，或正負1%。此外，舉例來說，「大致」一詞在本文中代表了大多數、幾乎全部或全部，或者代表落於大約51%至大約100%之間的範圍中的值。再者，本說明書中的實施例旨在對本發明進行說明，並且是為了討論之目的呈現，而不應用於限制本發明。
根據與本說明書中所描述的原理一致的某些實施例，本發明係提供一種近眼顯示器。第2圖為根據與本發明所描述的原理一致的實施例，顯示了一近眼顯示器的範例的方塊圖。近眼顯示器100係被配置以在近眼顯示器100的適眼區102提供一影像（即，所顯示的影像）。更具體來說，近眼顯示器100可以被配置以提供所顯示影像的多個不同視像104。根據本發明的各個實施例，提供在適眼區102中的不同位置的不同視像104，係被配置以將焦深提示提供給近眼顯示器100的使用者。舉例來說，焦深提示可以讓使用者能夠基於焦深提示察覺出所顯示影像的深度或距離。由近眼顯示器100所提供給使用者的焦深提示可以包括調視與視網膜模糊等提示，但其並不受限於此。
如第2圖所示，近眼顯示器100係包括一多光束繞射格柵式顯示器110。多光束繞射格柵式顯示器110係用於提供所顯示影像的複數個不同視像104。根據本發明的某些實施例，可以提供任何數量的視像作為該些不同視像104。舉例來說，所顯示影像的該些不同視像104的數量，可以包括兩個、三個、四個、五個、六個、七個、八個或更多個的不同視像。在其他範例中，所顯示影像的不同視像104係包括相對大數量的不同視像，該些不同視像的數量可以包括十六個、三十二個、六十四個、一百二十八個或兩百五十六個不同視像，但該些不同視像的數量並不受限於此。在某些實施例中，該些不同視像104係包括至少四個不同視像。
在某些實施例中，近眼顯示器100所提供或所顯示的影像，係包括一三維影像或該三維影像的某些部分。舉例來說，所顯示的影像可以是完整的三維或「多視角」影像。在另一實例中，顯示的影像可以包括部分三維影像以及部分二維影像。當所顯示的影像包括三維影像時，該些不同視像104可以代表三維影像的不同立體視像（即，「三維視像」）。根據與本說明書中所描述的原理，作為範例，該些不同視像（例如，三維視像）可以透過調視或視網膜模糊的方式，增進使用者在所顯示的影像中對於景深的感知。在某些實例中（例如，在近眼雙目顯示系統中，如下文所述），調視功能可以減緩三維圖像與三維顯示器中常常遇到的調視-收斂差異所造成的效果。
第2圖中顯示的近眼顯示器100進一步包括一光學系統120。根據本發明的各個實施例，光學系統120係用於將所顯示的影像轉送至近眼顯示器100的適眼區102。更具體來說，根據本發明的各個實施例，光學系統120係用於將所顯示影像的該些不同視像104轉送至適眼區102中對應的不同位置。根據本發明的各個實施例，將不同視像104轉送至適眼區102中不同位置的過程，目的在於將焦深提示提供給近眼顯示器100的使用者。舉例來說，所顯示影像的第一視像可以由光學系統120轉送至第一位置，而第二視像可以由光學系統轉送至適眼區102中與該第一位置分離的一第二位置。作為範例，上述的第一位置與第二位置可以與彼此橫向偏移。透過第一視像與第二視像在對應的第一位置與第二位置的分離，可以允許使用者在所顯示的影像中相對於該等位置的兩個視像不同地調視。
根據本發明的某些實施例，由多光束繞射格柵式顯示器110在光學系統120的輸入孔所提供的該些不同視像104的完全角度範圍，係經配置以對應於該輸入孔的尺寸。更具體來說，對向於該些不同視像的結合的角度，係以沒有該些視像的任何部分位於該輸入孔外或超出該輸入孔的方式配置。換言之，根據本發明的某些實施例，幾乎所有多光束繞射格柵式顯示器110的與該些不同視像104相關聯的輸出光束，皆是在光學系統120的輸入孔中被接收。在某些實例中，該些不同視像104的完全角度範圍（即，對向角度）係被配置以下列兩種方式的其中之一或同時以下列兩種方式大致對應於輸入孔尺寸：以多光束繞射格柵式顯示器110與該光學系統輸入孔之間的一預定距離，以及，以多光束繞射格柵式顯示器110所提供的該些不同視像104的預定角分散。
根據本發明的某些實施例，光學系統120係包括一放大鏡。在某些實施例中，該放大鏡為一簡易放大鏡。簡易放大鏡係用於提供位在與適眼區102具有一距離的所顯示影像的虛像，在此，適眼區102係對應於使用者的眼睛的一正常調視範圍。此外，根據本發明的各個實施例，由簡易放大鏡所提供的虛像係包括所顯示影像的該些不同視像104。在其他的實施例中，放大鏡可以是一複雜的放大鏡（例如，用於提供放大功能的多個透鏡）。
在本說明書中，「簡易放大鏡」一詞係定義為能夠形成一小型物品或影像的放大虛像的一透鏡或相似的光學裝置（即，簡易放大鏡能夠提供角度放大）。由簡易放大鏡所形成的虛像，可以形成在簡易放大鏡的輸出部、等同的輸出孔或者簡易放大鏡的光圈（例如，在適眼區102）。此外，根據本說明書中的定義，簡易放大鏡可以在大於物體的實際距離之表觀或虛擬距離處形成該放大虛像。如此，當物品的位置與使用者的眼睛之間的距離小於正常調視範圍或距離時，簡易放大鏡可以用來提供使用者或「觀看者」聚焦於該物品的能力。在此，根據本發明的某些實施例，「正常調視」一般可以在與使用者的眼睛之間的距離大於二十五公分時達成，因此在本說明書中係將其距離定義為此。據此，雖然提供所顯示影像的多光束繞射格柵式顯示器110與使用者的眼睛之間的距離係小於正常調視距離（即，小於25公分）（即，或等同於近眼顯示器100的適眼區102），光學系統120的簡易放大鏡可以允許使用者舒服地觀看聚焦的所顯示影像（即，「物品」）的該些不同視像104。
第3圖為根據與本發明所描述的原理一致的實施例，顯示了近眼顯示器100的光學元件的範例的示意圖。如圖中所示，光學系統120係包括了一簡易放大鏡122，且該簡易放大鏡122具有一焦距f 。作為本發明的範例而非限制，第3圖中顯示的簡易放大鏡122為一雙凸面透鏡。簡易放大鏡122的位置與適眼區102之間的距離可以對應於簡易放大鏡122的焦距f （例如，如第3圖所示）。此外，簡易放大鏡122是位在多光束繞射格柵式顯示器110以及適眼區102之間。簡易放大鏡122係經配置，以提供多光束繞射格柵式顯示器110的該些不同視像（例如，第2圖中的不同視像104）（即，當透過簡易放大鏡122於適眼區102看到的視像）所形成的所顯示影像的一虛像106。由於放大效果是由簡易放大鏡122所提供，虛像106與適眼區102之間的距離係大於（或者至少看起來大於）由多光束繞射格柵式顯示器110所產生的實像（即，顯示影像）與適眼區102之間的實際距離。尤其，根據某些實施例，當從適眼區102觀看時，虛像106可以位於人眼的一正常調視範圍或正常調視距離da 中，而多光束繞射格柵式顯示器110（或等同的，多光束繞射格柵式顯示器110所產生或所顯示的影像）與適眼區102之間的距離可以小於正常調視範圍。因此，作為範例，簡易放大鏡122可以使得使用者在適眼區102中更舒服的觀看多光束繞射格柵式顯示器110（或者，等同的多光束繞射格柵式顯示器110的輸出或虛像106）。
如下文中所述，由多光束繞射格柵式顯示器110所發散出的光線108，在第3圖中係進一步以實線與虛線顯示。實線係代表與多光束繞射格柵式顯示器110提供的所顯示影像的不同視像104相關聯的光線108，而虛線係代表對應於虛像106的光線投射。作為範例，如下文中所述，第3圖中所顯示的光線108可以對應於多光束繞射格柵式顯示器110所產生的各個耦合出光束（即，光線）。此外，如圖所示，在適眼區102中於不同點收斂的光線108係代表了被轉送至適眼區102中的不同位置後的多光束繞射格柵式顯示器110提供的所顯示影像的不同視像。
根據本發明的某些實施例，多光束繞射格柵式顯示器110以及光學系統120係位在使用者的視域（Field-of-view, FOV）中，並且大致阻擋使用者的視域的一部分。在這些實施例中，近眼顯示器可以是虛擬實境顯示器。尤其，近眼顯示器100可以被配置，藉以在阻擋的視域部分中以近眼顯示影像取代或至少大致取代實體環境中的景象（即，現實世界的景象）。換句話說，近眼顯示影像可以大致替換阻擋的視域部分中的實體環境景象。根據本發明的各個實施例，阻擋的視域部分可以包括使用者的某些視域或使用者的全部視域。藉由取代實體環境景象，使用者可以透過近眼顯示影像所提供的虛擬實境景象（以及相關的多個視像）來取代實體環境景象。
在本文中，「實體環境的景象」或「實體環境景象」係被定義為使用者在沒有近眼顯示器100時會看到的景象。相同的，根據本說明書中的定義，實體環境係指近眼顯示器100以外使用者可以看見的所有事物，且實體環境「景象」係指位於使用者的視域中的任何事物，但不包括近眼顯示器100對使用者的景象所造成的任何效果。
在其他的實施例中，多光束繞射格柵式顯示器110係位在使用者的視域外，而光學系統120或光學系統120的一部分則是位於所述的視域中。在這些實施例中，近眼顯示器100可以為擴增實境顯示器。尤其，近眼顯示器100可以被配置以透過近眼顯示影像（以及相關聯的多個視像104）擴增實體環境的景象。此外，作為擴增實境顯示器，近眼顯示器100係被配置為將近眼顯示影像與近眼顯示器100以外的實體環境景象的重疊或組合作為視像提供給使用者。
在某些實施例中，近眼顯示器100的光學系統120係被配置為具有自由曲面稜鏡的擴增實境顯示器。自由曲面稜鏡係用於將包含該些不同視像104的所顯示影像從多光束繞射格柵式顯示器110轉送至適眼區102，以供使用者觀看。此外，自由曲面稜鏡係用於轉送位於使用者的視域以外或外側的多光束繞射格柵式顯示器110的顯示影像。根據本發明的各個實施例，自由曲面稜鏡係利用自由曲面稜鏡的兩個表面（例如，前表面與後表面）之間的完全內部反射來轉送顯示影像。在某些實施例中，自由曲面稜鏡可以是或者可以作為簡易放大鏡（例如，簡易放大鏡122）。
在某些實施例中，被配置為擴增實境顯示器的光學系統120係進一步包括一自由曲面補償透鏡。自由曲面補償透鏡又可以被稱為自由曲面校正器。更具體來說，自由曲面補償透鏡係用於補償或校正自由曲面透鏡對從光學系統120以外的實體環境通過光學系統120到適眼區102的光所造成的效果。換句話說，根據本發明的各個實施例，自由曲面補償透鏡讓使用者可以接收到實體環境的完整景象（即，使用者的視域中），並且不會受到自由曲面稜鏡所造成的明顯變形的影響。
第4圖為根據與本發明所描述的原理一致的實施例，顯示了具有光學系統120的近眼顯示器100的範例的剖視圖，其中，該光學系統具有自由曲面稜鏡124。如第4圖所示，光學系統120的自由曲面稜鏡124的位置是設置在多光束繞射格柵式顯示器110以及近眼顯示器100的適眼區102（即，出射瞳）之間。代表由多光束繞射格柵式顯示器110所提供之包含該些不同視像104的所顯示影像的光，是由自由曲面稜鏡124從其輸入孔轉送至適眼區102。在第4圖中，來自多光束繞射格柵式顯示器110的光係顯示為光線108。根據本發明的各個實施例，將光從自由曲面稜鏡124的輸入口轉送至其輸出口的過程，可以由自由曲面稜鏡124中的完全內部反射所提供。
第4圖中也顯示了使用者的視域。虛像106係位於視域中，界以提供虛像106與視域中的實體環境的景象的疊加。此外，如第4圖所示，多光束繞射格柵式顯示器110係位在視域外。如此，作為本發明的範例，第4圖中顯示了近眼顯示器100的擴增實境顯示器的實施例。
第4圖中顯示的光學系統120進一步包括了自由曲面補償透鏡126。根據本發明的各個實施例，自由曲面補償透鏡126可以設置在實體環境（例如，供使用者觀看的實體環境）與適眼區102之間的光學路徑中。尤其，如圖中所示，自由曲面補償透鏡126的位置是相鄰於自由曲面稜鏡124，並且是位於實體環境與自由曲面稜鏡124之間。自由曲面補償透鏡126係用於校正自由曲面稜鏡124的效果，使得來自實體環境中的物體的光線（未顯示於圖中）係根據一大致直線的路徑（即，光線基本上未失真）通過至適眼區102。在某些實施例中（如圖所示），部分反射器或部分反射表面128可以設置於自由曲面補償透鏡126以及自由曲面稜鏡124之間。部分反射表面128係用於反射從自由曲面稜鏡124中入射在部分反射表面128上的光，並且經配置以允許來自實體環境的光通過部分反射表面128。
請再次參照第2圖，在某些實施例中，多光束繞射格柵式顯示器110係包括一平板導光體，用於以一非零值傳導角度引導一準直光束。在某些實施例中，多光束繞射格柵式顯示器110係進一步包括位於或者相鄰於平板導光體的一表面的一多光束繞射格柵陣列。根據本發明的各個實施例，多光束繞射格柵陣列係用於將經引導的準直光束的一部分繞射耦合出成為具有不同主要角度方向的複數條耦合出光束，其中，該些不同主要角度方向係對應於所顯示影像的不同視像104的不同觀看方向。
第5A圖為根據與本發明所描述的原理一致的實施例，顯示一多光束繞射格柵式顯示器110的範例的剖視圖。第5B圖為根據與本發明所描述的原理一致的另一實施例，顯示一多光束繞射格柵式顯示器110的範例的剖視圖。根據本發明的各個實施例，第5A圖至第5B圖中所示的多光束繞射格柵式顯示器110係用於產生「方向性」的光，即，用於產生包含具有不同主要角度方向的光線或光束的光。
舉例來說，如第5A圖至第5B圖所示，多光束繞射格柵式顯示器110係用於提供或產生以箭頭顯示，並且往外並遠離多光束繞射格柵式顯示器110的方向以不同預定主要角度方向定向的多條光束（例如，一光場）。接著，如下文中所述，可以對該些光束進行調變，以達到資訊的顯示，即，一影像的不同視像（例如，所顯示影像）。在某些實施例中，具有不同預定主要角度方向的光束，係形成多光束繞射格柵式顯示器110所顯示的一三維影像的多個三維視像。此外，根據本發明的某些實施例，多光束繞射格柵式顯示器110可以是俗稱為「裸眼」三維電子顯示器（例如，多視角、「全像」或自動立體顯示器）。尤其，相對於近眼顯示器100而言，不同的預定主要角度方向係形成所顯示影像的不同視像（例如，如第2圖中所示的不同視像104）。如此，如下文中所述，經調變的光束可以是光線或光線108。
如第5A圖及第5B圖所示，多光束繞射格柵式顯示器110係包括一平板導光體112。平板導光體112係用於將光束引導為導光束（如下文中進一步所述，圖中顯示為在平板導光體112中傳導的延伸箭頭）。舉例來說，平板導光體112可以包括被配置為光波導的介電材料。所述的介電材料具有一第一折射係數，環繞介電光波導的一介質具有一第二折射係數，其中，第一折射係數係大於第二折射係數。作為示例，透過兩個材料的折射係數的差異，可以讓導光根據平板導光體112之一個以上的引導模式達到完全內部反射。
根據本發明的各個實施例，光係由平板導光體112沿著平板導光體112的長度引導。此外，平板導光體112係用於將光以非零值傳導角度引導為導光束。作為範例，導光束係透過完全內部反射在平板導光體112中以非零值傳導角度引導。尤其，導光束係藉由反射或「彈跳」的方式在平板導光體112的上表面與下表面之間以非零值傳導角度引導（例如，在圖中顯示為延長、具有角度的箭頭係代表導光束的光線）。
根據本說明書中的定義，「非零值傳導角度」係指相對於平板導光體112的一表面的角度。此外，根據本發明的各個實施例，非零值傳導角度係大於零，並且同時小於平板導光體中的完全內部反射的關鍵角度。舉例來說，導光束的非零值傳導角度可以介於大約10度與大約50度之間；或者，在某些實例中，可以介於大約20度以及大約40度之間；或者，可以介於大約25度以及大約35度之間。舉例來說，所述的非零值傳導角度可以為大約30度。在其他的實例中，所述的非零值傳導角度可以大約為20度，或者大約為25度，或者大約為35度。
作為平板導光體112中的導光束的導光可以被以非零值傳導角度（例如，大約30-35度）引入或耦合進入平板導光體112中。舉例來說，可以透過一個以上的透鏡、一鏡子或相似的反射器（例如，傾斜準直反射器）以及稜鏡（未顯示）來將光以非零值傳導角度耦合進入平板導光體112的輸入端成為光束。在耦合進入平板導光體112後，導光束係在平板導光體112中沿著大致遠離輸入端的方向傳導（例如，如第5A圖-第5B圖中沿著x軸指向的粗箭頭所示）。
此外，根據本發明的各個實施例，經由耦合進入平板導光體112而產生的導光束可以為一準直光束。更具體來說，本文中的「準直光束」是指導光束中的光線在導光束中係大致與彼此平行。根據本說明書中的定義，從導光束的準直光束發散或散發的光線不屬於準直光束的一部分。為了產生準直的導光束而對光線進行的準直過程可以由準直器提供，而該準直器可以包括如上文中所述之用於將光耦合進入平板導光體112的透鏡或鏡子（例如，傾斜反射鏡等），然而其並不受限於此。
在某些實施例中，平板導光體112可以是片狀或板狀的光波導，且該光波導可以包括一加長且大致為平面薄板狀的光學透明介電材料。所述之大致為平面薄板狀的介電材料，係透過完全內部反射來引導導光束。根據本發明的各個實施例，平板導光體112的光學透明材料可以包括各種不同的介電材料或者可以由各種不同的介電材料所形成，其中，該等介電材料可以包括但不限於，一種以上之各種種類的玻璃（例如，矽玻璃、鹼性矽酸鋁玻璃、硼矽玻璃等），以及大致為光學透明的塑膠或高分子材料（例如，聚甲基丙烯酸甲酯或「壓克力玻璃」、聚碳酸等）。在某些實例中，平板導光體112可以進一步包括設置於平板導光體112的一表面（例如，上表面以及下表面兩者的其中之一或者同時設置於上述兩者上）的至少一部分上的一披覆層（未顯示於圖中）。根據本發明的某些實例，披覆層可以被用於進一步促成上述的完全內部反射。
在第5A圖以及第5B圖中，多光束繞射格柵式顯示器110進一步包括多光束繞射格柵114的陣列。如第5A圖-第5B圖所示，多光束繞射格柵114係位於平板導光體112的一表面上（例如，上表面或前表面）。在其他的實例中（未顯示），一個以上的多光束繞射格柵114可以位在平板導光體112中。在其他進一步的實例中（未顯示），一個以上的多光束繞射格柵114可以位於平板導光體112的下表面或後表面，或者位在平板導光體112的下表面或後表面上（即，與圖中所示的多光束繞射格柵114的表面相對的表面）。結合起來，平板導光體112以及多光束繞射格柵114的陣列係提供或者作為多光束繞射格柵式顯示器110的多光束繞射格柵式背光板。
根據本發明的各個實施例，多光束繞射格柵114的陣列係用於將導光束的一部分散射或繞射耦合出成為具有不同主要角度方向的複數條光束，其中，該些不同主要角度方向係對應於多光束繞射格柵式顯示器110的不同視像。舉例來說，導光束的該些部分可以由多光束繞射格柵114通過平板導光體表面（例如，通過平板導光體112的上表面）繞射耦合出。此外，多光束繞射格柵114係被配置為將導光束的部分繞射耦合出成為耦合出光束，並且將該些耦合出光束往遠離平板導光體表面的方向定向。如上文中所述，該些耦合出光束中的每一者皆具有不同的預定主要角度方向，且該些預定主要角度方向係由多光束繞射格柵114的繞射結構特徵的特性所決定。
更具體來說，多光束繞射格柵114的陣列係包括用於提供繞射效果的複數個繞射結構特徵。所提供的繞射效果係負責將導光束的該部分繞射耦合出平板導光體112。舉例來說，多光束繞射格柵114係包括在平板導光體112的一表面上設置有凹槽，或者在平板導光表面上設置有突出的脊部的兩種繞射結構特徵的其中一者，或可以兩者一起並用。凹槽以及脊部可以是以彼此平行或者彼此大致平行的方式設置，並且，至少在某些位置點與被多光束繞射格柵114耦合出來的導光束的傳導方向垂直。
在某些實例中，該些凹槽或脊部是透過蝕刻、銑銷或者模製方式形成或者施加在該表面上。如此一來，多光束繞射格柵114的材料可以包括平板導光體112的材料。如第5A圖所示，舉例來說，多光束繞射格柵114係包括穿入平板導光體112表面並大致平行的凹槽。在第5B圖中，多光束繞射格柵114係包括從平板導光體112的表面突出之彼此大致平行的脊部。在其他的實例中（未顯示於圖中），多光束繞射格柵114可以包括貼附於導光表面上的薄膜或貼層。
根據本發明的某些實施例，多光束繞射格柵114可以是或者可以包括一啁啾式繞射格柵。根據本說明書中的定義，「啁啾式」繞射格柵（“chirped” diffraction grating）係展現或者具有隨著該啁啾式繞射格柵的一定幅度或長度而改變之繞射結構特徵的繞射間隔，如第5A圖以及第5B圖所示。在此，隨之改變的繞射間隔係被稱為「啁啾」。如此一來，導光束被繞射耦合出平板導光體112的部分係離開或者從啁啾式繞射格柵被以不同的繞射角度發射出並成為耦合出光束，其中，該等繞射角度係指對應於橫跨多光束繞射格柵114的該啁啾式繞射格柵上不同起點的繞射角度。由本文中啁啾的定義可知，啁啾式繞射格柵係對上述之該些光束的耦合出光束的預定且不同的主要角度方向。
在某些實例中，多光束繞射格柵114的啁啾式繞射格柵可能具有或者可能會展示出隨著距離而線性變化之啁啾的繞射間隔。如此一來，根據本說明書中的定義，啁啾式繞射格柵又可以被稱為線性啁啾式繞射格柵。第5A圖-第5B圖中以範例而非限制的方式顯示了作為線性啁啾式繞射格柵的多光束繞射格柵114。更具體來說，如圖所示，相較於多光束繞射格柵114的第一端來說，繞射結構特徵在多光束繞射格柵114的第二端彼此之間係更為靠近。此外，如圖所示，圖中所示的繞射結構特徵的繞射間隔係從第一端到第二端線性變化。
在另一實例中（未顯示），多光束繞射格柵114的啁啾式繞射格柵可以展現出繞射間隔的非線性啁啾。用於實現多光束繞射格柵114的各種非線性啁啾可以包括但不限於，指數啁啾、對數啁啾，或者隨之改變的啁啾、大致不平均，或者隨機但以單調的方式分布之啁啾。本發明中使用的非單調式的啁啾可以包括正弦啁啾、三角啁啾或鋸齒啁啾，但其並不受限於此。本發明中亦可以使用上述任何種類之啁啾的組合。
根據本發明的某些實施例，多光束繞射格柵114可以包括彎曲及啁啾式的繞射結構特徵中的其中之一，或者可以同時包括兩種繞射結構特徵。第5C圖為根據與本發明所描述的原理一致的實施例，顯示多光束繞射格柵114的範例的立體圖。如第5C圖所示，多光束繞射格柵114是位於平板導光體112的一表面中、位於平板導光體112的一表面或者位於平板導光體112的一表面上。此外，圖中所示的多光束繞射格柵114係同時包括彎曲以及啁啾式的兩種繞射結構特徵（即，第5C圖中的多光束繞射格柵114為彎曲與啁啾式的繞射格柵）。
如第5C圖所示，導光束具有相對於多光束繞射格柵114的入射方向，在圖中係以粗箭頭顯示於多光束繞射格柵114的第一端。圖中也在平板導光體112的表面以遠離多光束繞射格柵114的箭頭顯示了複數條耦合出光束或射出光束。該些光束係往多個預定的不同主要角度方向射出。尤其，如圖中所示，射出光束的預定的不同主要角度方向之仰角以及方位角都不同。根據本發明的各個實例，繞射結構特徵之預先定義的啁啾以及繞射結構特徵的曲度，皆對射出光束的不同的預定主角度方向做出貢獻。
尤其，在沿著繞射結構特徵的曲線上的不同點處，多光束繞射格柵114中與彎曲的繞射結構特徵相關聯的「底層繞射格柵」係具有不同的方位角。在本說明書中，「底層繞射格柵」係指疊加設置的多個非彎曲繞射格柵中的繞射格柵，產生了多光束繞射格柵114的彎曲的繞射結構特徵。在沿著繞射結構特徵之曲線上的一定點處，該曲線會具有與沿著該等繞射結構特徵之曲線上的另一點大致不同的特定方位角。此外，該特定方位角會造成從該點發出的光束的主要角度方向之對應的方位分量。在某些實例中，繞射結構特徵（例如，凹槽、脊部等）的曲線係代表了一圓形的區段。該圓形可以與導光體表面共面。在其他的實例中，舉例來說，曲線亦可以代表與導光體表面共面的一橢圓形或者其他彎曲形狀的一區段。
根據本發明的某些實施例，多光束繞射格柵式顯示器110係進一步包括光閥的陣列或一光閥陣列116。光閥陣列116可以被配置以選擇性地將該些耦合出光束調變為對應於所顯示影像的不同視像的像素的複數個像素（即，調變像素）。舉例來說，參照第5A圖-第5B圖，光閥陣列116在圖中係顯示為相鄰於平板導光體表面。根據本發明的各個實施例，光閥陣列116係用於調變對應於所顯示影像的不同視像之具有不同定向的光束（即，來自多光束繞射格柵114的具有不同的預定主要角度方向的該些光束）。尤其，該些光束中的光束係通過光閥陣列116的各個光閥，並且係由光閥陣列116的各個光閥進行調變。根據本發明的各個實施例，根據耦合出光束的不同定向，經調變後具有不同定向的光束（即，光線108）可以代表所顯示影像的不同視像的像素。在各個實施例中，光閥陣列116中可以採用不同種類的光閥，該些光閥可以包括但不限於，一種以上的液晶光閥、電泳光閥以及電潤濕式的光閥。
根據本發明的某些實施例（例如，如第5A圖-第5B圖所示），多光束繞射格柵式顯示器110可以進一步包括一光源118。光源118係用於將準直光束提供至平板導光體112。尤其，光源118可以位在相鄰於平板導光體112的入口表面或入口端（輸入端）。在本發明的各個實施例中，光源118可以包括大致任何種類的光源（例如，光發射器），該些光源係包括一個以上的LED或雷射（例如，雷射二極體），但其並不受限於此。在某些實施例中，光源118可以包括一光發射器，用於產生代表特定顏色之具有窄頻光譜的基本上為單色的光。尤其，單色光的顏色可以是特定色彩空間或色彩模型（例如，紅-綠-藍（RGB）色彩模型）的主要顏色。在某些實施例中，光源118可以包括複數個不同的光發射器，用於提供不同顏色的光。不同的光發射器可以被配置以提供具有不同且顏色特定的非零值傳導角度的準直光束的光，其中，該些準直光束係對應於各個不同顏色的光。
在某些實施例中，光源118可以進一步具有一準直器（如第5A圖-第5B圖中的陰影區域所示）。準直器可以用於接收來自光源的一個以上的光發射器的非準直光。準直器係進一步用於將該些非準直光轉換為準直光束。更具體來說，根據本發明的某些實施例，準直器可以提供在兩個大致正交的方向上準直的一準直光束。此外，當採用了不同顏色的光發射器時，準直器可以提供具有不同、顏色特定與非零值傳導角度的準直光束。準直器係進一步將準直光束傳達給平板導光體112，藉此以上文中所述的方式將其傳導為具有非零值傳導角度的準直導光束。
根據與本說明書中所述的原理一致的某些實施例，本發明係提供一近眼雙目顯示系統。第6圖為根據與本發明所描述的原理一致的實施例，顯示一近眼雙目顯示系統200的範例的方塊圖。近眼雙目顯示系統200係提供三維情景的一對立體影像202，並且將該對立體影像202轉送至對應的一對適眼區204中以供使用者觀看。根據本發明的各個實施例，該對適眼區204係彼此橫向偏移，以對應於使用者的眼睛的位置。更具體來說，使用者可以在該對橫向偏移的適眼區204中舒服且自然的觀看該對立體影像202。此外，根據本發明的某些實施例，該對立體影像202可以提供三維體驗，並且可以同時解決經常與近眼立體顯示器相關聯的各種收斂-調視的問題。
如第6圖所示，近眼雙目顯示系統200係包括一對多光束繞射格柵式顯示器210。根據本發明的各個實施例，各個多光束繞射格柵式顯示器210係被配置為提供與該對多光束格柵式顯示器210中的另一多光束繞射格柵式顯示器210所提供的影像202不同的影像202。該對不同的影像202為一三維情景的立體影像202。在某些實施例中，該對多光束繞射格柵式顯示器210中的其中之一或兩者可以大致相似於上文中針對近眼顯示器100所描述的多光束繞射格柵式顯示器110。
尤其，如圖中所示，各個多光束繞射格柵式顯示器210係包括一平板導光體212，以及多光束繞射格柵214的陣列或「多光束格柵214」（例如，如圖所示）。在某些實施例中，平板導光體212可以大致相似於多光束繞射格柵式顯示器110的平板導光體112，而多光束繞射格柵214的陣列可以大致相似於多光束繞射格柵式顯示器110的多光束繞射格柵114的陣列。尤其，多光束繞射格柵214可以位在平板導光體212的表面，或者可以相鄰於平板導光體212的表面。此外，在某些實施例中，多光束繞射格柵214的陣列可以將平板導光體212中的導光繞射耦合出成為複數條耦合出光束。在某些實施例中，多光束繞射格柵214係包括具有彎曲的繞射結構特徵的啁啾式繞射格柵。在某些實施例中，啁啾式繞射格柵的啁啾為線性啁啾。
根據本發明的某些實施例，由該對多光束繞射格柵式顯示器210所提供的該對立體影像的各個影像202係包括該三維情景的複數個不同視像。作為範例，該些不同視像係代表了三維情景的不同視角。此外，在本發明的各個實施例中，該些耦合出光束可以具有對應於該三維情景的該些不同視像（即，三維立體視像）的不同視角的三維觀看方向的不同主要角度方向。
第6圖中顯示的近眼雙目顯示系統200係進一步包括一雙目光學系統220。雙目光學系統220係將該對多光束繞射格柵式顯示器210所提供的該對立體影像的不同影像202分別轉送至該對適眼區204中的對應一者處。根據本發明的各個實施例，該對適眼區204係彼此橫向偏移。如上文中特別提及，作為範例，適眼區204的橫向偏移可以使得使用者更為方便觀看。第6圖中的垂直虛線係代表適眼區204之間的橫向偏移。
在某些實施例中，儘管是以雙目的形式配置，雙目光學系統220可以大致相似於近眼顯示器100的光學系統120。尤其，雙目光學系統220係用於將該些不同視像（例如，三維視像）轉送至適眼區204中的對應的不同位置。此外，適眼區204中的不同位置係被配置為將景深提示提供給近眼雙目顯示系統200的使用者。更具體來說，根據本發明的各個實施例，焦深提示可以對應於該對立體影像所提供的影像202之間的雙目視差。
此外，根據某些實施例，雙目光學系統220可以包括一第一自由曲面稜鏡以及一第二自由曲面稜鏡（未顯示於第6圖中）。第一自由曲面稜鏡可以將該對多光束繞射格柵式顯示器中的第一多光束繞射格柵式顯示器210所提供的影像202轉送至該對適眼區中的第一適眼區204。類似地，第二自由曲面稜鏡可以將該對多光束繞射格柵式顯示器中的第二多光束繞射格柵式顯示器210所提供的影像202轉送至該對適眼區中的第二適眼區204。在其他的實施例中（未顯示於圖中），雙目光學系統220可以包括一對放大鏡（例如，與上文中所述的簡易放大鏡122相似的一對簡易放大鏡）。
在某些實施例中，近眼雙目顯示系統200係被配置為一虛擬實境顯示系統。更具體來說，該對立體影像所提供的不同影像202可以至少在適眼區204中被用於替換實體環境中的雙目景象。在其他的實施例中，第6圖中顯示的近眼雙目顯示系統200可以被配置為擴增實境顯示系統。當被配置為擴增實境顯示系統時，該對立體影像所提供的不同影像202可以擴增適眼區中的實體環境景象，但一般來說不會取代實體環境景象。換言之，被配置為擴增實境顯示系統的近眼雙目顯示系統200係將實體環境的景象與該對立體影像的光學疊加提供給使用者。此外，當被配置為擴增實境顯示器時，雙目光學系統220可以進一步包括一對自由曲面補償透鏡。根據本發明的各個實施例，自由曲面補償透鏡可以用於將實體環境的影像提供至該對適眼區204。
根據本發明的某些實施例，多光束繞射格柵式顯示器210可以進一步包括光閥216的陣列以及光源218。在某些實施例中，光閥216的陣列可以大致相似於上文中針對近眼顯示器100的多光束繞射格柵式顯示器110所描述的光閥陣列116。舉例來說，光閥216的陣列可以位在相鄰於平板導光體212的表面的位置。根據本發明的各個實施例，光閥216係選擇性地將來自多光束繞射格柵214的耦合出光束調變成為對應於該對立體影像所提供的影像202的複數個像素或調變光束。在某些實施例中，光閥216的陣列係包括一液晶光閥。在其他的實施例中，作為範例，光閥216的光閥陣列可以包括其他種類的光閥，該些光閥可以包括電潤濕光閥、電泳光閥、上述光閥的組合，或者液晶光閥其他種類的光閥的組合，但光閥的種類並不受限於此。
根據本發明的某些實施例，多光束繞射格柵式顯示器210可以進一步包括一光源218。光源218係用於將光提供至平板導光體212。在某些實施例中，光源218可以包括用於準直光源218所提供的光的一光準直器。根據本發明的各個實施例，多光束繞射格柵式顯示器210的平板導光體212可以以非零值傳導角度將準直光引導為準直光束。根據本發明的某些實施例，光源218可以大致相似於上文中針對近眼顯示器100所描述的多光束繞射格柵式顯示器110的光源118。
在某些實施例中，光源218可以包括用於提供不同顏色的光的複數個不同的發光二極體（LEDs）（為了方便進行說明，下文中將其稱為「不同顏色的LED」）。在某些實施例中，不同顏色的LED係彼此偏移（例如，橫向偏移），或者係與準直器結合配置以在平板導光體212中提供不同、顏色特定且具有非零值傳導角度的準直光束。此外，不同、顏色特定的非零值傳導角度可以對應於光源218所提供的各個不同顏色的光。
在某些實施例中（未顯示於圖中），不同顏色的光可以包括紅-綠-藍色彩模型中的紅色、綠色以及藍色。此外，平板導光體212可以用於不同顏色以不同的顏色相關的非零值傳導角度在平板導光體212中引導為準直光束。舉例來說，根據本發明的某些實施例，可以以第一顏色相關的非零值傳導角度引導第一導光束（例如，紅色光束），以第二顏色相關的非零值傳導角度引導第二導光束（例如，綠色光束），並且以第三顏色相關的非零值傳導角度引導第三導光束（例如，藍色光束）。
根據與本說明書中所述原理一致的其他實施例，本發明係提供一種近眼顯示器的操作方法。第7圖為根據與本發明描述的原理一致的實施例，顯示近眼顯示器的操作方法300的範例的流程圖。如第7圖所示，近眼顯示器的操作方法300係包括了步驟310，在平板導光體中以非零值傳導角度引導準直光束。根據本發明的各個實施例，可以透過與上文中針對近眼顯示器100所述的平板導光體112相似的方式，在平板導光體中引導準直光束。此外，在步驟310中，可以透過上文中針對近眼顯示器100所述的方式以非零值傳導角度引導準直光束。
近眼顯示器的操作方法300係進一步包括步驟320，利用多光束繞射格柵將經引導的準直光束從導光體中繞射耦合出以產生往遠離導光體的方向定向並且具有不同主要角度方向的複數條耦合出光束，藉此構成一光場。根據本發明的各個實施例，光場係提供了對應於該等耦合出光束的不同主要角度方向的影像（例如，所顯示影像）的不同視像。在某些實施例中，多光束繞射格柵係大致相似於上文中針對近眼顯示器100所述的多光束繞射格柵114。更具體來說，在步驟310中引導準直光束使用的導光體，以及在步驟320中將準直光束的部分繞射耦合出所使用的多光束繞射格柵，可以是大致相似於近眼顯示器100的多光束繞射格柵是顯示器110的多光束繞射格柵式顯示器的一部分。
如第7圖所示，近眼顯示器的操作方法300係進一步包括步驟330，利用一光學系統將一影像的該等不同視像轉送至一適眼區。在某些實施例中，該光學系統可以大致相似於上文中針對近眼顯示器100所述的光學系統120。更具體來說，根據本發明的某些實施例，在步驟330中將一影像的不同視像轉送的步驟，係將該等不同視像中的不同者轉送到適眼區中的不同位置處，藉此將焦深提示提供給在觀看適眼區中的影像的使用者。舉例來說，焦深提示可以方便使用者的眼睛進行影像調視。
在某些實施例中，轉送的影像可以包括一三維影像，且該些不同視像的不同視角可以代表三維影像的不同立體視像。在某些實施例中，被轉送的影像是該對立體影像的影像。此外，在某些實例中，該影像的該些不同視像可以包括至少四個不同的視像。在某些實施例中，轉送一影像的該些不同視像的步驟330係包括將影像放大以提供與適眼區具有一距離的虛像，其中，該適眼區係對應於使用者的眼睛的正常調視範圍。在某些實施例中，將該些不同視像轉送的步驟330係提供了擴增實境顯示器及虛擬實境顯示器的其中一者的影像，或同時提供了兩種顯示器的影像。
因此，本發明中提供了近眼顯示器、雙目近眼顯示系統以及近眼顯示器的操作方法的實例與實施例，其中，該些裝置與方法係採用了多光束繞射格柵式顯示器以提供一影像的多個不同視像。熟知該領域的技術人士應當瞭解，上文中所敘述的實例僅為代表本發明之原理的眾多實例與實施例中的說明性範例。顯然地，熟知該領域的技術人士可以在不脫離本發明的申請專利範圍所限定之範疇的條件下做出多種其他的配置。
10‧‧‧光束
12‧‧‧傳導方向
100‧‧‧近眼顯示器
102‧‧‧適眼區
104‧‧‧不同視像
106‧‧‧虛像
108‧‧‧光線
110‧‧‧多光束繞射格柵式顯示器
112‧‧‧平板導光體
114‧‧‧多光束繞射格柵
116‧‧‧光閥陣列
118‧‧‧光源
120‧‧‧光學系統
122‧‧‧簡易放大鏡
124‧‧‧自由曲面稜鏡
126‧‧‧自由曲面補償透鏡
128‧‧‧部分反射表面
200‧‧‧近眼雙目顯示系統
202‧‧‧立體影像/影像/不同影像
204‧‧‧適眼區/第一適眼區/第二適眼區
210‧‧‧多光束繞射格柵式顯示器/第一多光束繞射格柵式顯示器/第二多光束繞射格柵式顯示器
212‧‧‧平板導光體
214‧‧‧多光束繞射格柵/多光束格柵
216‧‧‧光閥
218‧‧‧光源
220‧‧‧雙目光學系統
300‧‧‧近眼顯示器的操作方法
310-330‧‧‧步驟
O‧‧‧起點
f‧‧‧焦距
{θ,f}‧‧‧角度分量/主要角度方向
f‧‧‧方位角/角度分量
θ‧‧‧仰角/角度分量
da ‧‧‧正常調視距離
按照此說明書中所描述的原理之各種示例性特徵，在參考附圖並結合下面的詳細描述下可以被更容易地理解，其中，相似的標號表示相似的結構元件，且該些附圖包括： 第1圖為根據與本發明所描述的原理一致的一範例，顯示了具有主要角度方向的一光束的角度分量{q ,f }的示意圖； 第2圖為根據與本發明所描述的原理一致的實施例，顯示了一近眼顯示器的範例的方塊圖； 第3圖為根據與本發明所描述的原理一致的實施例，顯示了一近眼顯示器的光學元件的範例的示意圖； 第4圖為根據與本發明所描述的原理一致的實施例，顯示了具有光學系統的近眼顯示器的範例的剖視圖，其中，該光學系統具有自由曲面稜鏡； 第5A圖為根據與本發明所描述的原理一致的實施例，顯示一多光束繞射格柵式顯示器的範例的剖視圖； 第5B圖為根據與本發明所描述的原理一致的另一實施例，顯示一多光束繞射格柵式顯示器的範例的剖視圖； 第5C圖為根據與本發明所描述的原理一致的實施例，顯示一多光束繞射格柵的範例的立體圖； 第6圖為根據與本發明所描述的原理一致的實施例，顯示一近眼雙目顯示系統的範例的方塊圖； 第7圖為根據與本發明描述的原理一致的實施例，顯示近眼顯示器的操作方法的範例的流程圖。 某些特定的例子可能會具有其他相較於上述圖式中的特徵而言相同、額外或者可以將之取代的特徵。在下文中將參照圖式針對這些特徵以及其他的特徵進行詳細說明。

Claims (23)

  1. 一種近眼顯示器，包括：一多光束繞射格柵式顯示器，用以提供一影像的複數個不同視像；以及一光學系統，用以將該影像的該等不同視像轉送至位於該近眼顯示器的一輸出部的一適眼區中的對應的複數個不同位置，其中，位於該適眼區中的對應的該等不同位置係用於將焦深提示提供給該近眼顯示器的一使用者，其中，該等不同視像係具有一完全角度範圍，該光學系統具有一輸入孔，該完全角度範圍係大致對應於該輸入孔的一尺寸。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之近眼顯示器，其中，該影像係包括一三維影像，且其中該等不同視像的不同視角係代表該三維影像的不同透視視像。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述之近眼顯示器，其中，該影像的該等不同視像係包括至少四個不同視像。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述之近眼顯示器，其中，該光學系統係包括一簡易放大鏡，用以在與該使用者的一眼睛的一正常調視範圍相對應的該適眼區相距一距離的位置提供該影像的一虛像。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述之近眼顯示器，其中，該多光束繞射格柵式顯示器以及該光學系統係位在該使用者的一視域中以大致阻擋該視域的一部分，該近眼顯示器為一虛擬實境顯示器，用以透過該影像取代該視域被阻擋的部分的一實體環境的景象。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述之近眼顯示器，其中，該多光束繞射格柵式顯示器係位在該使用者的一視域以外，該光學系統係位在該視域中，該近眼顯示器為一擴增實境顯示器，用以透過該影像擴增該視域中的一實體環境的景象。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述之近眼顯示器，其中，該光學系統係包括一自由曲面稜鏡。
  8. 根據申請專利範圍第7項所述之近眼顯示器，其中，該光學系統係進一步包括一自由曲面補償透鏡。
  9. 根據申請專利範圍第1項所述之近眼顯示器，其中，該多光束繞射格柵式顯示器係包括：一平板導光體，用以以一非零值傳導角度引導一準直光束；以及一多光束繞射格柵陣列，設置於該平板導光體的一表面，該多光束繞射格柵陣列中的一多光束繞射格柵係用以將經引導的該準直光束的一部分繞射耦合出，成為具有不同主要角度方向的複數條耦合出光束，其中，該等不同主要角度方向係對應於該影像的該等不同視像的觀看方向。
  10. 根據申請專利範圍第9項所述之近眼顯示器，其中，該多光束繞射格柵為一線性啁啾式繞射格柵。
  11. 根據申請專利範圍第9項所述之近眼顯示器，其中，該多光束繞射格柵式顯示器係進一步包括：一光源，用以將該準直光束提供至該平板導光體；以及一光閥陣列，相鄰於該平板導光體的表面，該光閥陣列係選擇性地將該等耦合出光束調變為對應於該影像的該等不同視像的複數個像素。
  12. 根據申請專利範圍第11項所述之近眼顯示器，其中，該光源係包括用以提供不同顏色的光的複數個不同光源，該等不同光源係被配置以提供對應於各個不同顏色的光的經引導的該準直光束的不同且顏色特定的該非零值傳導角度。
  13. 一種近眼雙目顯示系統，包括一對如申請專利範圍第1項所述之近眼顯示器，其中，該對近眼顯示器中的一第一近眼顯示器係被配置以將一第一影像的複數個不同第一視像提供至一第一適眼區，該對近眼顯示器中的一第二近眼顯示器係被配置以將一第二影像的複數個不同第二視像提供至一第二適眼區，該第二適眼區係自該第一適眼區橫向偏移，該第一影像與該第二影像係代表一對立體影像。
  14. 一種近眼雙目顯示系統，包括：一對多光束繞射格柵式顯示器，該對多光束繞射格柵式顯示器中的每一者係被配置以提供代表一三維情景之一對立體影像的一不同影像；以及一雙目光學系統，被配置以將該對立體影像的該等不同影像分開地轉送至對應的一對適眼區，該等適眼區係彼此橫向位移；其中，該對多光束繞射格柵式顯示器中的一多光束繞射格柵式顯示器係包括一平板導光體以及一多光束繞射格柵陣列，該多光束繞射格柵陣列中的一多光束繞射格柵係被配置以將導光從該平板導光體中繞射耦合出成為複數條耦合出光束，該等耦合出光束係被配置以提供該對立體影像的該不同影像，其中，該對立體影像的該等不同影像中的每一者係包括該三維情景的複數個不同視像，該等耦合出光束具有對應於該等耦合出光束的該等不同視像的三維觀看方向的不同主要角度方向，以及其中，該等不同視像係具有一完全角度範圍，該光學系統具有一輸入孔，該完全角度範圍係大致對應於該輸入孔的一尺寸。
  15. 根據申請專利範圍第14項所述之近眼雙目顯示系統，其中，該雙目光學系統係被配置以將該等不同視像轉送至該等適眼區中對應的複數個不同位置，該等適眼區中的該等不同視像的該等不同位置係用於將複數個焦深提示提供給該近眼雙目顯示系統的一使用者，該等焦深提示係對應於該對立體影像的該等不同影像之間的雙目視差。
  16. 根據申請專利範圍第14項所述之近眼雙目顯示系統，其中，該雙目光學系統係包括一第一自由曲面稜鏡以及一第二自由曲面稜鏡，該第一自由曲面稜鏡係用於將該對多光束繞射格柵式顯示器中的一第一多光束繞射格柵式顯示器所提供的一影像轉送至該對適眼區的一第一適眼區，該第二自由曲面稜鏡係用於將該對多光束繞射格柵式顯示器中的一第二多光束繞射格柵式顯示器所提供的一影像轉送至該對適眼區的一第二適眼區。
  17. 根據申請專利範圍第16項所述之近眼雙目顯示系統，其中，該雙目光學系統進一步包括用於將一實體環境的影像提供至該對適眼區的一對自由曲面補償透鏡，該近眼雙目顯示系統為一擴增實境顯示系統。
  18. 根據申請專利範圍第14項所述之近眼雙目顯示系統，其中，該對立體影像的該等不同影像係用於取代該等適眼區中的一實體環境的一雙目景象，該近眼雙目顯示系統為一虛擬實境顯示系統。
  19. 根據申請專利範圍第14項所述之近眼雙目顯示系統，其中，該多光束繞射格柵式顯示系統係進一步包括：一光源，用於提供光；一光學準直器，用於將該光源所提供的光準直；以及一光閥陣列，相鄰於該平板導光體，該光閥陣列係選擇性地將該等耦合出光束調變為複數個像素，且該等像素係對應於該對立體影像的該等影像的像素；其中，該平板導光體係被配置為以一非零值傳導角度將準直光引導為一準直光束。
  20. 一種近眼影像顯示器的操作方法，該方法包括以下步驟：在一導光體中以一非零值傳導角度引導一準直光束；利用一多光束繞射格柵將經引導的該準直光束的一部分從該導光體繞射耦合出，藉此產生以不同主要角度方向往遠離該導光體的方向定向的複數條耦合出光束，該等耦合出光束係形成一光場，該光場係提供對應於該等耦合出光束的該等不同主要角度方向的一影像的不同視像；以及利用一光學系統將該影像的該等不同視像轉送至一適眼區，其中，該等不同視像係具有一完全角度範圍，該光學系統具有一輸入孔，該完全角度範圍係大致對應於該輸入孔的一尺寸。
  21. 根據申請專利範圍第20項所述之近眼影像顯示器的操作方法，其中，將該等不同視像轉送的步驟係將該等不同視像中的不同者轉送至該適眼區中的不同位置，該等視像的該等不同位置係將焦深提示提供給觀看該適眼區中的該影像的一使用者。
  22. 根據申請專利範圍第20項所述之近眼影像顯示器的操作方法，其中，將該影像的該等不同視像轉送的步驟，係包括放大該影像以提供位在與該適眼區相距一距離之位置的一虛像，該適眼區係對應於一使用者的一眼睛的一正常調視範圍。
  23. 根據申請專利範圍第20項所述之近眼影像顯示器的操作方法，其中，將該影像的該等不同視角轉送的步驟，係提供一擴增實境顯示器及一虛擬實境顯示器中的一者或兩者的該影像。
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