TWI710805B

TWI710805B - 近眼顯示裝置

Info

Publication number: TWI710805B
Application number: TW108145970A
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: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2020-11-21
Also published as: US20210181508A1; US11209653B2; EP3839608A1; EP3839608B1; TW202125042A

Abstract

一種近眼顯示裝置，包括至少一顯示單元。至少一顯示單元包括一顯示元件以及一光學系統。顯示元件適於提供一光束。光束包括帶有不同影像資訊及不同偏振狀態的一第一光束及一第二光束。光學系統包括沿光軸依序排列的一第一半反射元件、一第一偏振轉換元件以及一偏振反射元件，其中偏振反射元件適於讓具有一第一偏振狀態的光束通過且反射具有一第二偏振狀態的光束。第二光束的光路徑大於第一光束的光路徑。第二光束的像距大於第一光束的像距，且第一光束與第二光束由至少一顯示單元射出以形成合成光束。

Description

近眼顯示裝置

本發明是有關於一種光學裝置，且特別是有關於一種近眼顯示裝置。

一般而言，立體影像的視覺呈現是藉由使用者的左眼與右眼分別投射帶有視角差的不同影像。因此，使用者可藉由左眼與右眼分別匯聚在不同的平面而產生立體影像。

然而，在目前的立體影像顯示裝置中，雖然已有顯示裝置可產生出另人眼產生具立體感的影像，但此立體影像並未讓人眼可分別對焦調節於不同的成像平面上。換句話說，人眼無法從所產生的立體影像產生對焦調節時的清晰或非對焦時的模糊感。因此，與實際人在真實世界中所觀察到的影像有所差異。如此一來，將造成部分的使用者產生視覺輻輳調節衝突（vergence-accommodation conflict，VAC），進而引起暈眩的問題。

本發明提供一種近眼顯示裝置，可產生立體影像且避免使用者因視覺輻輳調節衝突而引起的暈眩問題。

本發明提供一種近眼顯示裝置，適於提供一合成光束至一使用者。近眼顯示裝置包括至少一顯示單元。至少一顯示單元適於提供合成光束。至少一顯示單元包括一顯示元件以及一光學系統。顯示元件適於提供一光束。光束包括帶有不同影像資訊及不同偏振狀態的一第一光束及一第二光束。光學系統配置於光束的傳遞路徑上。光學系統包括沿光軸依序排列的一第一半反射元件、一第一偏振轉換元件以及一偏振反射元件，其中偏振反射元件適於讓具有一第一偏振狀態的光束通過且反射具有一第二偏振狀態的光束。第二光束的光路徑大於第一光束的光路徑。第二光束的像距大於第一光束的像距，且第一光束與第二光束由至少一顯示單元射出以形成合成光束。

基於上述，在本發明的近眼顯示裝置中，顯示元件所提供帶有不同影像資訊及不同偏振狀態的第一光束及第二光束，可藉由光學系統中針對不同偏振狀態進行透射與反射作用，而產生出不同的光程。因此，可使使用者可觀察到像距不同的第一光束及第二光束。如此一來，使用者可獲得不同深度大小分別對應置不同像距所結合的影像，進而可觀察立體影像而避免因視覺輻輳調節衝突而引起的暈眩問題。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1A及圖1B分別為本發明一實施例的近眼顯示裝置的不同偏振狀態光路的示意圖。請參考圖1A及圖1B。在本實施例中，近眼顯示裝置100適於提供一合成光束LC至一使用者10，例如是直接提供畫面到人眼，如圖1A所繪示。或者是，近眼顯示裝置100可配合額外的光學系統，將合成光束LC傳遞至人眼中，以達到虛擬實境（Virtual Reality，VR）或擴增實境（Augmented Reality，AR）的應用，本發明並不限於此。

近眼顯示裝置100包括至少一顯示單元105，用以提供出具有不同成像平面（即成像距離不同）的合成光束LC。在本實施例中，顯示單元105的數量例如為一個，但在一些實施例中，顯示單元105的數量可以是多個，本發明並不限於此。

顯示單元105包括一顯示元件110以及一光學系統120。顯示元件110適於提供一光束L，而光束L包括帶有不同影像資訊及不同偏振狀態的一第一光束L1及一第二光束L2。舉例而言，在本實施例中，顯示元件110例如為可提供右旋圓偏振狀態（下稱R偏振態）的第一光束L1，如圖1A所繪示。以及，左旋圓偏振狀態（下稱L偏振態）的第二光束L2的顯示器，如圖1A所繪示。但在一些實施例中，第一光束L1及第二光束L2亦可以為其他不同種類的相異偏振光，本發明並不限於此。顯示元件110提供不同偏振狀態的方式可以是同時或週期性交錯提供，本發明並不限於此。

光學系統120配置於光束L的傳遞路徑上。光學系統120包括沿光軸I依序排列的一第一半反射元件121、一第一偏振轉換元件122以及一偏振反射元件123。第一半反射元件121例如為具有半穿透半反射鍍膜的聚光透鏡，用以讓光束L的百分之五十通過以及反射光束L的另外百分之五十，但本發明並不限制其反射率與穿透率的比值，反射率與穿透率亦可以是百分之六十與百分之四十或百分之七時獲百分之三十的比例。

第一偏振轉換元件122例如為四分之一波片，用以轉換第一光束L1及第二光束L2的偏振狀態。舉例而言，在本實施例中，第一偏振轉換元件122可讓通過的第一光束L1從R偏振態轉換成P偏振態，且讓通過的第二光束L2從L偏振態轉換成S偏振態。

偏振反射元件123例如為反射單一偏振狀態的光學元件，用以反射指定偏振狀態光並讓非指定偏振狀態光通過。換句話說，偏振反射元件123適於讓具有第一偏振狀態的光束通過且反射具有第二偏振狀態的光束。舉例而言，在本實施例中，偏振反射元件123為反射S偏振態的光學元件。換句話說，即偏振反射元件123可讓已轉換成P偏振態的第一光束L1通過，且反射轉換成S偏振態的第二光束L2。因此，第一光束L1將通過偏振反射元件123以傳遞出光學系統120。第二光束L2則藉由偏振反射元件123反射回光學系統120，以增加所傳遞路徑長度。

在本實施例中，光學系統120還包括具有屈光度的至少一透鏡124，位於第一半反射元件121與第一偏振轉換元件122之間，但本發明並不限於此。

藉由偏振反射元件123反射回光學系統120的第二光束L2將依序傳遞第一偏振轉換元件122以及第一半反射元件121。當偏振反射元件123反射第二光束L2回光學系統120傳遞通過第一偏振轉換元件122時，第二光束L2將從S偏振態轉換成R偏振態。接著，再藉由第一半反射元件121的反射作用，將具有R偏振態的第二光束L2的百分之五十再次朝第一偏振轉換元件122傳遞。因此，再次朝第一偏振轉換元件122傳遞的第二光束L2將通過第一偏振轉換元件122而轉換成P偏振態，進而可傳遞通過用以讓P偏振態光通過的偏振反射元件123，如圖1B所繪示。

以下表一將列出圖1A及圖1B中第一光束L1及第二光束L2詳細的傳遞路徑及其所轉換的偏振狀態（為簡化說明將省略列出傳遞至透鏡124的偏振狀態）。然而，下文所列出的數據資料並非用以限定本發明。任何熟習此領域技術之人士在參照本發明之後，當可對其參數或設定作適當的更動，惟其仍應屬於本發明之範疇內。表一

第一光束L1	第二光束L2
元件	傳遞方式	偏振狀態	元件	傳遞方式	偏振狀態
顯示元件110	傳遞至121	R	顯示元件110	傳遞至121	L
第一半反射元件121	50%透射至122	R	第一半反射元件121	50%透射至122	L
第一偏振轉換元件122	透射至123	R→P	第一偏振轉換元件122	透射至123	L→S
偏振反射元件123	透射至10	P	偏振反射元件123	反射回122	S
使用者10		P	第一偏振轉換元件122	透射至121	S→R
			第一半反射元件121	50%反射至122	R
			第一偏振轉換元件122	透射至123	R→P
			偏振反射元件123	透射至10	P
			使用者10		P

圖2為圖1A的近眼顯示裝置的合成光束的成像平面示意圖。請參考圖2。第一光束L1與第二光束L2由顯示單元105射出以形成合成光束LC，並藉由上述第一半反射元件121、第一偏振轉換元件122以及偏振反射元件123的光學作用，將使得第二光束L2的光路徑大於第一光束L1的光路徑。因此，將使得使用者可觀察到第一光束L1成像於成像平面E1以及第二光束L2成像於成像平面E2。換句話說，即使用者可觀察到第二光束L2的像距大於第一光束L1的像距，如圖2所繪示。而在本實施例中，第一光束L1例如是帶有實景深度較小影像資訊的光束，而第二光束L2例如是帶有實景深度較大影像資訊的光束。如此一來，使用者可獲得不同深度大小分別對應置不同像距所結合的影像，進而可觀察立體影像而避免因視覺輻輳調節衝突而引起的暈眩問題。

圖3A及圖3B分別為本發明另一實施例的近眼顯示裝置的不同偏振狀態光路的示意圖。請參考圖3A及圖3B。本實施例的近眼顯示裝置100A類似於圖1A及圖1B的近眼顯示裝置100。兩者不同之處在於，在本實施例中，顯示元件110提供P偏振態的第一光束L1以及S偏振態的第二光束L2，且光學系統120A還包括一第二偏振轉換元件125，位於顯示元件110與第一半反射元件121之間。第二偏振轉換元件125與第一偏振轉換元件122例如同為四分之一波片，用以轉換第一光束L1及第二光束L2的偏振狀態。因此，在本實施例中，第二偏振轉換元件125可讓通過的第一光束L1從P偏振態轉換成R偏振態，且讓通過的第二光束L2從S偏振態轉換成L偏振態。

以下表二將列出圖3A及圖3B中第一光束L1及第二光束L2詳細的傳遞路徑及其所轉換的偏振狀態（為簡化說明將省略列出傳遞至透鏡124的偏振狀態）。然而，下文所列出的數據資料並非用以限定本發明。任何熟習此領域技術之人士在參照本發明之後，當可對其參數或設定作適當的更動，惟其仍應屬於本發明之範疇內。表二

第一光束L1	第二光束L2
元件	傳遞方式	偏振狀態	元件	傳遞方式	偏振狀態
顯示元件110	傳遞至125	P	顯示元件110	傳遞至125	S
第二偏振轉換元件125	傳遞至121	R	第二偏振轉換元件125	傳遞至121	L
第一半反射元件121	50%透射至122	R	第一半反射元件121	50%透射至122	L
第一偏振轉換元件122	透射至123	R→P	第一偏振轉換元件122	透射至123	L→S
偏振反射元件123	透射至10	P	偏振反射元件123	反射回122	S
使用者10		P	第一偏振轉換元件122	透射至121	S→R
			第一半反射元件121	50%反射至122	R
			第一偏振轉換元件122	透射至123	R→P
			偏振反射元件123	透射至10	P
			使用者10		P

圖4為本發明另一實施例的近眼顯示裝置的示意圖。圖5為圖4的近眼顯示裝置的合成光束的成像平面示意圖。請參考圖4及圖5。本實施例的近眼顯示裝置100B類似於圖1A及圖1B的近眼顯示裝置100。兩者不同之處在於，在本實施例中，顯示單元105A、105B的數量為兩個，且顯示單元105A、105B所提供合成光束LC1、LC2中的第一光束L11、L21的像距、第二光束L12、L22或上述的組合的像距不同。具體而言，在本實施例中，顯示單元105A所提供的第一光束L11的像距與顯示單元105B所提供的第一光束L21的像距不同，且顯示單元105A所提供的第二光束L21的像距與顯示單元105B所提供的第二光束L22的像距不同。因此，將使得使用者可觀察到顯示單元105A所提供的第一光束L11成像於成像平面E11以及第二光束L12成像於成像平面E12，而顯示單元105B所提供的第一光束L21成像於成像平面E21以及第二光束L22成像於成像平面E22，如圖5所繪示。在本實施例中，第一光束L11、L21例如是帶有實景深度較小影像資訊的光束，而第二光束L21、L22例如是帶有實景深度較大影像資訊的光束。如此一來，使用者可獲得不同深度大小分別對應置不同像距所結合的影像，進而可觀察立體影像而避免因視覺輻輳調節衝突而引起的暈眩問題。

除此之外，在本實施例中，近眼顯示裝置100B還包括一光學擴充模組130，配置於合成光束LC1、LC2的傳遞路徑上，其中光學擴充模組130為虛擬實境光學模組或擴增實境光學模組。詳細而言，光學擴充模組130包括一第一分光元件131、一中繼元件132、一第二分光元件133及一第一聚焦元件134。

第一分光元件131配置於合成光束LC1、LC2的傳遞路徑上，第一分光元件131例如為偏振分光鏡（polarizing beam splitter，PBS），用以讓具有P偏振態的光通過且反射具有S偏振態的光。中繼元件132配置於合成光束LC1、LC2的其中一者的傳遞路徑上。中繼元件132例如為四分之一波片，用以轉換光束的偏振狀態。舉例而言，在本實施例中，由顯示單元105A、105B所提供的合成光束LC1、LC2皆為P偏振態，而中繼元件132配置於合成光束LC2的傳遞路徑上可使合成光束LC2從P偏振態轉換為S偏振態。因此，第一分光元件131可讓具有P偏振態的合成光束LC1通過，且反射具有S偏振態的合成光束LC2，近而彙整合成光束LC1及合成光束LC2成同一傳遞路徑，如圖4所繪示。

第二分光元件133例如為半穿透半反射的平板透光元件，用以讓合成光束LC1、LC2的百分之五十通過以及反射合成光束LC1、LC2的另外百分之五十，但本發明並不限制其反射率與穿透率的比值。第一聚焦元件134例如為半穿透半反射的曲面透光元件，用以讓合成光束LC1、LC2的百分之五十通過以及反射合成光束LC1、LC2的另外百分之五十，但本發明亦不限制其反射率與穿透率的比值。在本實施例中，第二分光元件133配置於第一分光元件131與第一聚焦元件134之間，而一環境光束LE適於依序通過第一聚焦元件134及第二分光元件133至使用者10。因此，由第一分光元件131彙整合提供的合成光束LC1、LC2將藉由第二分光元件133部份反射至第一聚焦元件134。接著，合成光束LC1、LC2再藉由第一聚焦元件134的反射與環境光束LE彙整並部份傳遞通過第二分光元件133至使用者10。

圖6為本發明另一實施例的近眼顯示裝置的示意圖。請參考圖6。本實施例的近眼顯示裝置100C類似於圖4的近眼顯示裝置100B。兩者不同之處在於，在本實施例中，光學擴充模組130A的第二分光元件133A具有聚焦功能。第二分光元件133A配置於第一分光元件131與使用者10之間，用以反射部份合成光束LC1、LC2至使用者10，且環境光束LE適於通過第二分光元件133A並傳遞至使用者10。換句話說，即此實施例相較於圖4的實施例省略了配置第一聚焦元件134。如此一來，可節省元件並縮小整體體積。

圖7為本發明另一實施例的近眼顯示裝置的示意圖。請參考圖7。本實施例的近眼顯示裝置100D類似於圖4的近眼顯示裝置100B。兩者不同之處在於，在本實施例中，光學擴充模組130B還包括一第三偏振轉換元件136、一第四偏振轉換元件137以及一第二聚焦元件135，而一環境光束LE適於依序通過第一聚焦元件134、第三偏振轉換元件136以及第二分光元件133至使用者10。其中，本實施例的第二分光元件133例如為偏振分光鏡，第二聚焦元件135例如為曲面反射鏡，用以讓具有P偏振態的光通過且反射具有S偏振態的光。第三偏振轉換元件136及第四偏振轉換元件137例如為四分之一波片，用以轉換光束的偏振狀態。

因此，在本實施例中，由第一分光元件131提供具有P偏振態的合成光束LC1將傳遞通過第二分光元件133並藉由第四偏振轉換元件137轉換成L偏振態。接著，具有L偏振態的合成光束LC1藉由第二聚焦元件135反射再次通過第四偏振轉換元件137以轉換成S偏振態。最後，具有S偏振態的合成光束LC1將藉由第二分光元件133反射至使用者10。另一方面，由第一分光元件131提供具有S偏振態的合成光束LC2將藉由第二分光元件133反射至第三偏振轉換元件136以轉換成R偏振態。接著，具有R偏振態的合成光束LC2傳遞至第一聚焦元件134並藉由第一聚焦元件134反射再次通過第三偏振轉換元件136以轉換成P偏振態。最後，具有P偏振態的合成光束LC2將通過第二分光元件133並傳遞至使用者10。因此，合成光束LC1、LC2可與環境光束LE彙整並傳遞至使用者10。如此一來，使用者可獲得不同深度大小分別對應置不同像距所結合的影像，進而可觀察立體影像而避免因視覺輻輳調節衝突而引起的暈眩問題。

綜上所述，在本發明的近眼顯示裝置中，顯示元件所提供帶有不同影像資訊及不同偏振狀態的第一光束及第二光束，可藉由光學系統中針對不同偏振狀態進行透射與反射作用，而產生出不同的光程。因此，可使使用者可觀察到像距不同的第一光束及第二光束。如此一來，使用者可獲得不同深度大小分別對應置不同像距所結合的影像，進而可觀察立體影像而避免因視覺輻輳調節衝突而引起的暈眩問題。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10:使用者

100、100A、100B、100C、100D:近眼顯示裝置

105、105A、105B:顯示單元

110:顯示元件

120、120A:光學系統

121:第一半反射元件

122:第一偏振轉換元件

123:偏振反射元件

124:透鏡

125:第二偏振轉換元件

130、130A、130B:光學擴充模組

131:第一分光元件

132:中繼元件

133、133A:第二分光元件

134:第一聚焦元件

135:第二聚焦元件

136:第三偏振轉換元件

137:第四偏振轉換元件

E1、E11、E12、E2、E21、E22:成像平面

I:光軸

L:光束

L1、L11、L21:第一光束

L2、L12、L22:第二光束

LC、LC1、LC2:合成光束

LE:環境光束

圖1A及圖1B分別為本發明一實施例的近眼顯示裝置的不同偏振狀態光路的示意圖。圖2為圖1A的近眼顯示裝置的合成光束的成像平面示意圖。圖3A及圖3B分別為本發明另一實施例的近眼顯示裝置的不同偏振狀態光路的示意圖。圖4為本發明另一實施例的近眼顯示裝置的示意圖。圖5為圖4的近眼顯示裝置的合成光束的成像平面示意圖。圖6為本發明另一實施例的近眼顯示裝置的示意圖。圖7為本發明另一實施例的近眼顯示裝置的示意圖。

10:使用者

100:近眼顯示裝置

105:顯示單元

110:顯示元件

120:光學系統

121:第一半反射元件

122:第一偏振轉換元件

123:偏振反射元件

124:透鏡

I:光軸

L:光束

L2:第二光束

LC:合成光束

Claims

一種近眼顯示裝置，適於提供一合成光束至一使用者，包括：至少一顯示單元，適於提供該合成光束，包括：一顯示元件，適於提供一光束，該光束包括帶有不同影像資訊及不同偏振狀態的一第一光束及一第二光束，其中該第一光束具有第一偏振狀態，該第二光束具有第二偏振狀態；以及一光學系統，配置於該光束的傳遞路徑上，該光學系統包括沿光軸依序排列的一第一半反射元件、一第一偏振轉換元件以及一偏振反射元件，其中該偏振反射元件適於讓具有該第一偏振狀態的光束通過且反射具有該第二偏振狀態的光束，該第二光束的光路徑大於該第一光束的光路徑，該第二光束的像距大於該第一光束的像距，且該第一光束與該第二光束由該至少一顯示單元射出以形成該合成光束。
如申請專利範圍第1項所述的近眼顯示裝置，其中該光學系統還包括一第二偏振轉換元件，位於該顯示元件與該第一半反射元件之間。
如申請專利範圍第1項所述的近眼顯示裝置，其中該光學系統還包括具有屈光度的至少一透鏡，位於該第一半反射元件與該第一偏振轉換元件之間。
如申請專利範圍第1項所述的近眼顯示裝置，其中該至少一顯示單元的數量為兩個，且該些顯示單元所提供該些合成光束中的該些第一光束、該些第二光束或上述的組合的像距不同。
如申請專利範圍第4項所述的近眼顯示裝置，還包括：一光學擴充模組，配置於該些合成光束的傳遞路徑上，其中該光學擴充模組為虛擬實境光學模組或擴增實境光學模組。
如申請專利範圍第5項所述的近眼顯示裝置，其中該光學擴充模組包括一第一分光元件以及一中繼元件，該中繼元件配置於該些合成光束的其中一者的傳遞路徑上，且該第一分光元件適於反射該些合成光束的上述其中一者以及讓該些合成光束的其中另一者通過。
如申請專利範圍第6項所述的近眼顯示裝置，其中該光學擴充模組還包括一第二分光元件及一第一聚焦元件，該第二分光元件配置於該第一分光元件與該第一聚焦元件之間，一環境光束適於通過該第一聚焦元件及該第二分光元件並傳遞至該使用者。
如申請專利範圍第6項所述的近眼顯示裝置，其中該光學擴充模組還包括一第二分光元件，該第二分光元件配置於該第一分光元件與該使用者之間，其中一環境光束適於通過該第二分光元件並傳遞至該使用者。
如申請專利範圍第6項所述的近眼顯示裝置，其中該光學擴充模組還包括一第二分光元件、一第三偏振轉換元件、一第四偏振轉換元件、一第一聚焦元件以及一第二聚焦元件，該第二分光元件配置於該第一分光元件與該使用者之間，該些合成光束的其中一者適於藉由該第二分光元件反射通過該第三偏振轉換元件並傳遞至該第一聚焦元件，該些合成光束的其中另一者適於通過該第二分光元件以及該第四偏振轉換元件並傳遞至該第二聚焦元件。
如申請專利範圍第9項所述的近眼顯示裝置，其中一環境光束適於通過該第一聚焦元件、該第三偏振轉換元件以及該第二分光元件並傳遞至該使用者。