TWI748580B - 近眼光場顯示裝置 - Google Patents
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Abstract
Description
本發明是有關於一種顯示裝置,且特別是有關於一種近眼光場顯示裝置。
隨著顯示技術的進步及人們對於高科技的渴望,近眼顯示器(Near Eye Display, NED)以及頭戴式顯示器(Head-mounted Display, HMD)是目前極具發展潛力的產品。在近眼顯示技術中,光場顯示器(Light field near eye display, LFNED)由於具有當下的光場資訊,可解決輻輳衝突(Vergence-Accommodation Conflict, VAC)問題,並能藉此提供有深度的影像資訊,而被應用於近眼顯示技術的擴增實境(Augmented Reality, AR)技術以及虛擬實境(Virtual Reality, VR)技術中。
一般而言,空間多工式的光場顯示器使用微發光二極體顯示器(Micro‐LED Display)、微有機發光二極體顯示器(Micro‐OLED Display)及液晶顯示器(LCD)等顯示元件,將光場子影像透過光學元件,如:微透鏡陣列(Micro‐Lens Array),而將視差影像堆疊於視網膜上,以令使用者可觀看到有深度的光場影像。
然而,由於微透鏡陣列是光場顯示器中的關鍵元件,因此,微透鏡陣列的成像品質也會影響整體光場影像效果。當顯示角度增加(或視場角增加)時,則微透鏡陣列無法將大角度的像差(Aberration)消除,此會造成邊緣影像模糊。為解決此大角度像差問題,可增加微透鏡陣列的數量,但如此一來會增加系統成本,且這些微透鏡陣列之間需要精準地對位,因而提高組裝難度。
“先前技術”段落只是用來幫助了解本發明內容,因此在“先前技術”段落所揭露的內容可能包含一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的習知技術。在“先前技術”段落所揭露的內容,不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題,在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。
本發明提供一種近眼光場顯示裝置,能夠提升邊緣影像的成像品質。
本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。
為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的,本發明的一實施例提出一種近眼光場顯示裝置。近眼光場顯示裝置包括顯示元件、微透鏡陣列、第一透鏡以及第二透鏡。顯示元件適於提供影像光束。微透鏡陣列,位於影像光束的傳遞路徑上,其中微透鏡陣列具有多個微透鏡。第一透鏡位於影像光束的傳遞路徑上,其中微透鏡陣列位於第一透鏡與顯示元件之間。第二透鏡,位於影像光束的傳遞路徑上,其中第二透鏡位於微透鏡陣列與顯示元件之間,且符合:,以及,其中fMLA
為這些微透鏡的等效焦距、f1
為第一透鏡的等效焦距、f2
為第二透鏡的等效焦距。
在本發明的一實施例中,上述的第一透鏡為雙凸透鏡,且第二透鏡為平凸透鏡或雙凸透鏡。
在本發明的一實施例中,上述的第一透鏡與第二透鏡為非球面透鏡。
在本發明的一實施例中,上述的第二透鏡與微透鏡陣列的間距小於0.2mm。
在本發明的一實施例中,上述的影像光束依序通過第二透鏡、微透鏡陣列以及第一透鏡,且在影像光束通過第二透鏡、微透鏡陣列以及第一透鏡的傳遞路徑上,影像光束並未匯聚成實像。
在本發明的一實施例中,上述的微透鏡陣列具有第一表面與第二表面,第一表面朝向第一透鏡,第二表面朝向第二透鏡,各微透鏡分別具有第一光學面與第二光學面,各微透鏡的第一光學面形成第一表面,各微透鏡的第二光學面形成第二表面,且每一微透鏡的第一光學面的中心與距離最近的微透鏡的第一光學面的中心具有第一間距,每一微透鏡的第二光學面的中心與距離最近的微透鏡的第二光學面的中心具有第二間距,其中第一間距小於第二間距。
在本發明的一實施例中,上述的這些微透鏡中位於微透鏡陣列中心位置的微透鏡的焦距小於位於微透鏡陣列邊緣位置的微透鏡的焦距。
在本發明的一實施例中,上述的近眼光場顯示裝置更包括遮光元件。遮光元件位於第二透鏡與微透鏡陣列之間,其中遮光元件的一側與第二透鏡的間距小於0.2mm,遮光元件的另一側與微透鏡陣列的間距小於0.2mm。
在本發明的一實施例中,上述的近眼光場顯示裝置更包括遮光元件。遮光元件設置於微透鏡陣列的第二表面上,且位於這些微透鏡之間。
在本發明的一實施例中,上述的近眼光場顯示裝置更包括第三透鏡。第一透鏡位於第三透鏡與微透鏡陣列之間,或第三透鏡位於第二透鏡與顯示元件之間。
基於上述,本發明的實施例至少具有以下其中一個優點或功效。在本發明的實施例中,近眼顯示裝置能夠通過第二透鏡的設置,以及使微透鏡陣列上的各微透鏡的焦距符合下列關係式:,以及,其中fMLA
為這些微透鏡的等效焦距、f1
為第一透鏡的等效焦距、f2
為第二透鏡的等效焦距,來有效消除邊緣像差,並提升邊緣成像品質。
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。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效,在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中,將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語,例如:上、下、左、右、前或後等,僅是參考附加圖式的方向。因此,使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。
圖1A是本發明一實施例的一種近眼光場顯示裝置的光學架構示意圖。圖1B是圖1A的顯示元件的顯示畫面的示意圖。圖1C是圖1A的微透鏡陣列的側視示意圖。請參照圖1A,在本實施例中,近眼顯示裝置100用於配置在使用者的至少一眼睛EY前方。近眼光場顯示裝置100包括顯示元件110、微透鏡陣列120、第一透鏡130以及第二透鏡140。舉例而言,顯示元件110為光場顯示器,且其可為微發光二極體顯示器(Micro‐LED)、微有機發光二極體顯示器(Micro‐OLED)及液晶型顯示器(LCD)等顯示元件。此外,在本實施例中,第一透鏡130例如可為雙凸透鏡,且第二透鏡140例如可為平凸透鏡或雙凸透鏡。進一步來說,第一透鏡130與第二透鏡140可為非球面透鏡,且第一透鏡130與第二透鏡140的折射率可介於1.4至1.9之間,第一透鏡130與第二透鏡140的阿貝數可大於20。
具體而言,如圖1A與圖1B所示,在本實施例中,顯示元件110可提供影像光束IL,詳細來說,顯示元件110顯示多個子顯示影像110S,而可分別提供子影像光束SL,各子影像光束SL形成影像光束IL。並且,影像光束IL的多個子影像光束SL具有當下的光場資訊,能夠達成事後對焦的效果,並能藉此提供有深度的影像資訊,而可透過光學元件堆疊於使用者的視網膜上而形成視差影像,以令使用者可觀看到具有深度的光場影像IM,但本發明不以此為限。
更具體而言,如圖1A所示,在本實施例中,第二透鏡140、微透鏡陣列120以及第一透鏡130依序位於影像光束IL的傳遞路徑上,且微透鏡陣列120位於第一透鏡130與顯示元件110之間,第二透鏡140位於微透鏡陣列120與顯示元件110之間。具體而言,如圖1A所示,第二透鏡140與微透鏡陣列120的間距G(例如兩者間的最小距離)小於0.2mm,例如第二透鏡140可直接接觸微透鏡陣列120,意即,第二透鏡140與微透鏡陣列120之間不具有其他光學元件,但本發明不以此為限。在其他實施例中,為避免透鏡產生摩擦損傷,第二透鏡140與微透鏡陣列120的間距G可為0.1mm~0.2mm,意即,第二透鏡140與微透鏡陣列120之間具有微小間距,但不具有其他光學元件。並且,如圖1A所示,影像光束IL的這些子影像光束SL依序通過第二透鏡140、微透鏡陣列120以及第一透鏡130,因此,各子影像光束SL通過第二透鏡140、微透鏡陣列120以及第一透鏡130所形成的影像皆為虛像,而沒有產生實像之光場影像。
進一步而言,如圖1A與圖1C所示,微透鏡陣列120具有第一表面S1與第二表面S2,第一表面S1朝向第一透鏡130,第二表面S2朝向第二透鏡140,且微透鏡陣列120具有多個微透鏡ML。各微透鏡ML分別具有第一光學面OS1與第二光學面OS2,各微透鏡ML的第一光學面OS1形成第一表面S1,各微透鏡ML的第二光學面OS2形成第二表面S2。
更進一步而言,如圖1A所示,通過微透鏡陣列120的中央處的光軸處的子影像光束SL的路徑與微透鏡陣列120的離軸處邊緣的子影像光束SL的路徑並不相同,因此在本實施例中,為了消除因子影像光束路徑不同所產生的像差,微透鏡陣列120上每個微透鏡ML的第一光學面OS1與第二光學面OS2的曲率或間距可設為不同,也就是說,微透鏡陣列120上每個微透鏡ML的焦距隨不同位置可以是不同的。舉例而言,在本實施例中,位於微透鏡陣列120中心位置的微透鏡ML的焦距會小於位於微透鏡陣列120邊緣位置的微透鏡ML的焦距,或位於微透鏡陣列120中心位置的微透鏡ML的曲率會小於位於微透鏡陣列120邊緣位置的微透鏡ML的曲率,但不以此為限。
具體來說,如圖1C所示,位於微透鏡陣列120最中心O的微透鏡ML的第一光學面OS1的中心O1及第二光學面OS2的中心O2是重疊的,且每一微透鏡ML的第一光學面OS1的中心O1與距離最近的微透鏡ML的第一光學面OS1的中心O1具有第一間距P1,每一微透鏡ML的第二光學面OS2的中心O2與距離最近的微透鏡ML的第二光學面OS2的中心O2具有第二間距P2。這些第一間距P1彼此相同,這些第二間距P2彼此相同但第一間距P1與第二間距P2不同。在本實施例中,第一間距P1小於第二間距P2。
更詳細而言,由於微透鏡陣列120上的微透鏡ML具有厚度,且各微透鏡ML的焦點位於各微透鏡ML與顯示元件110之間,因此,可將第一間距P1與第二間距P2設為不同,以使得各子影像光束SL可通過位於微透鏡陣列120上的各自對應之微透鏡ML,且可從第二表面S2入射的各子影像光束SL可以在沒有遮蔽(Vignetting)情況下從第一表面S1射出。並且,由於從第二表面S2入射的各子影像光束SL會向微透鏡陣列120的中心行進後再從第一表面S1射出,因此,設置於第一光學面OS1上的第一間距P1會小於設置於第二光學面OS2上的第二間距P2。特別說明的是,在本實施例中微透鏡ML的第一光學面OS1與第二光學面OS2的曲率為相同的,但在其他的實施例中,第一光學面OS1與第二光學面OS2的曲率可以是不同的。
更進一步而言,微透鏡陣列120上的各微透鏡ML的焦距會符合下列關係式:,以及,其中fMLA
為這些微透鏡ML的等效焦距、f1
為第一透鏡130的等效焦距、f2
為第二透鏡140的等效焦距。如此,通過第一透鏡130、微透鏡陣列120以及第二透鏡140的設置,近眼光場顯示裝置100可調整不同光學元件的相關光學參數,而可進一步減少像差,並提升邊緣影像的成像品質。並且,在本實施例中,通過第二透鏡140、微透鏡陣列120以及第一透鏡130的影像光束IL並未匯聚成實像以及第二透鏡140可緊鄰於微透鏡陣列120上(例如直接接觸或具有微小間距)的配置,光機厚度也可以減少,而有利於近眼光場顯示裝置100的小型化。
以下將搭配圖2A至圖3B,進行進一步地解說。
圖2A是一對照例的近眼光場顯示裝置的不同光路示意圖。圖2B是本發明一實施例的近眼光場顯示裝置的不同光路示意圖。圖3A是圖2A的近眼光場顯示裝置的影像光束的調製傳遞函數圖。圖3B是本發明一實施例的近眼光場顯示裝置的影像光束的調製傳遞函數圖。請參照圖2A,此對照例的近眼光場顯示裝置100’與圖2B的近眼光場顯示裝置100類似,而兩者的差異在於圖2A的對照例的近眼光場顯示裝置100’不包括圖2B的實施例的第二透鏡140的設置。進一步而言,如圖2A與圖2B所示,在圖2B的近眼光場顯示裝置100中,通過第二透鏡140的設置,亦可使顯示元件110所提供的子影像光束SL具有較大的視場角,反之,如圖2A所示,若未設置第二透鏡140,則顯示元件110需要延伸其邊緣區域才能提供具有相同視場角的子影像光束SL’。也就是說,圖2A的對照例的近眼光場顯示裝置100’所提供的子影像光束SL’並無法顯示出圖2B的近眼光場顯示裝置100能顯示的最大視角區域的光場子影像。據此可知,圖2B的近眼光場顯示裝置100能提供具有較大的視場角的影像,並且也可增加顯示元件110的使用率。
另一方面,如圖2A與圖2B所示,在近眼光場顯示裝置100中,光束SL1(SL1’)與光束SL2(SL2’)分別表示顯示元件110的一個子顯示影像110S(繪示於圖1B)的子影像光束SL(SL’)的最高處及最低處,而隨著子顯示影像110S越靠近顯示元件110邊緣,其所提供的子影像光束SL的光束SL1與光束SL2之間的光程差也會越大,如此,其所形成的像差也會越大,而由圖2A與圖2B可知,對照例的近眼光場顯示裝置100’靠近顯示元件110邊緣的子影像光束SL’的光束SL1’與光束SL2’之間的光程差會大於近眼光場顯示裝置100靠近顯示元件110邊緣的子影像光束SL的光束SL1與光束SL2之間的光程差,進而導致近眼光場顯示裝置100’的像差也會大於近眼光場顯示裝置100。換言之,通過第二透鏡140的設置,可將靠近顯示元件110邊緣的子顯示影像110S所提供的子影像光束SL的像差進行修正,進而提升邊緣影像的成像品質。
進一步而言,如圖3A與圖3B所示,圖3A與圖3B分別繪示了圖2A對照例的近眼光場顯示裝置100’與圖2B的近眼光場顯示裝置100的對角線視場角為±53°時,其所提供的邊緣子影像的調製傳遞函數(Modulation Transfer Function, MTF)曲線的變化。在圖3A與圖3B中,其橫座標為顯示元件110所提供的各子影像光束SL所對應形成的光場子影像的位置,離原點越遠表示此光場子影像的位置離中心越遠,縱座標為調製傳遞函數的數值,因此在圖中可判斷每個對應的光場子影像的調製傳遞函數的數值,此縱座標是以調製傳遞函數值為60lp/mm時的狀況進行歸一化,調製傳遞函數值為60lp/mm時的意義為其影像的解析度具有成像時可以清楚鑑別每毫米有60對黑白線條的成像密度,其單位為對比度,當其值越小,對比度也就愈小,其中虛線表示了每個對應的光場子影像在弧矢(Sagittal) 方向的調製傳遞函數的數值,實線為表示了每個對應的光場子影像在子午(Tangential) 方向的調製傳遞函數的數值。
如圖3A所示,對照例的近眼光場顯示裝置100’所提供的邊緣子影像的調製傳遞函數的數值隨著所對應形成的光場子影像的位置離中心越遠而對應降低。以在弧矢(Sagittal) 方向為例,除了少數位於中心附近的光場子影像的調製傳遞函數值大於0.6外,其他的光場子影像隨著遠離中心而逐漸降低。相對於此,如圖3B所示,本實施例的近眼光場顯示裝置100則可將遠離中心的弧矢(Sagittal) 方向上的光場子影像的調製傳遞函數值皆提升至大於0.6。也就是說,近眼光場顯示裝置100通過第二透鏡140的設置,可有效消除邊緣像差,並提升邊緣成像品質。
圖4是本發明另一實施例的近眼光場顯示裝置的光學架構示意圖。請同時參照圖1A及圖4,近眼光場顯示裝置500與圖1A的近眼光場顯示裝置100類似,而兩者的差異在於近眼光場顯示裝置500更包括遮光元件550。遮光元件550位於第二透鏡140與微透鏡陣列120之間,遮光元件550具有多個遮光區域551與多個透光區域552,其中各透光區域552對應於各微透鏡ML設置,而適於使各子影像光束SL通過,各遮光區域551的設置適於遮蔽雜光,亦即,各遮光區域551對應設置於各微透鏡ML之間(例如對應於微透鏡陣列120的第二表面S2的凹入處)。具體而言,遮光元件550例如包括透明基板(圖未示)及設置於透明基板上的遮光層,其中遮光層即形成多個遮光區域551,而各遮光區域551之間即形成多個透光區域552,各微透鏡ML於遮光元件550上的投影區域與各透光區域552重疊,而微透鏡陣列120的第二表面S2的凹入處於遮光元件550上的投影區域與各遮光區域551重疊,但本發明不限於此。進一步來說,如圖4所示,在本實施例中,遮光元件550的一側與第二透鏡140直接接觸(或具有微小間距,例如0.1mm~0.2mm),遮光元件550的另一側與微透鏡陣列120直接接觸(或具有微小間距,例如0.1mm~0.2mm)。換言之,第二透鏡140、微透鏡陣列120與遮光元件550可彼此緊靠。如此,可進一步減少光機厚度,而有利於近眼光場顯示裝置500的小型化,但本發明不以此為限。在另一實施例中,遮光元件550的多個遮光區域551可為設置於微透鏡陣列120的第二表面S2上的遮蔽層,且位於這些微透鏡ML之間,而形成微透鏡陣列120的一部分,而可有利於近眼光場顯示裝置500的小型化。
具體而言,如圖4所示,在本實施例中,近眼顯示裝置500仍可通過第二透鏡140的設置,以及使微透鏡陣列120上的各微透鏡ML的焦距符合下列關係式:,以及,其中fMLA
為這些微透鏡ML的等效焦距、f1
為第一透鏡130的等效焦距、f2
為第二透鏡140的等效焦距,來有效消除邊緣像差,並提升邊緣成像品質,而亦能達到前述的近眼顯示裝置100的類似效果與優點,在此就不再贅述。
圖5是本發明又一實施例的近眼光場顯示裝置的光學架構示意圖。請參照圖5,近眼光場顯示裝置600與圖1A的近眼光場顯示裝置100類似,而兩者的差異如下所述。在本實施例中,近眼光場顯示裝置600更包括第三透鏡660,其中第三透鏡660位於第二透鏡140與顯示元件110之間,或是,第一透鏡130可位於第三透鏡660與微透鏡陣列120之間。更具體而言,當第三透鏡660位於第二透鏡140與顯示元件110之間時,近眼顯示裝置還可通過第三透鏡660的設置,來進一步地消除邊緣像差,並提升邊緣成像品質。
此外,近眼顯示裝置600仍可通過第二透鏡140的設置以及使微透鏡陣列120上的各微透鏡ML的焦距符合下列關係式:,以及,其中fMLA
為這些微透鏡ML的等效焦距、f1
為第一透鏡130的等效焦距、f2
為第二透鏡140的等效焦距,來有效消除邊緣像差,並提升邊緣成像品質,而亦能達到前述的近眼顯示裝置100的類似效果與優點,在此就不再贅述。
綜上所述,本發明的實施例至少具有以下其中一個優點或功效。在本發明的實施例中,近眼顯示裝置能夠通過第二透鏡的設置,以及使微透鏡陣列上的各微透鏡的焦距符合下列關係式:,以及,其中fMLA
為這些微透鏡的等效焦距、f1
為第一透鏡的等效焦距、f2
為第二透鏡的等效焦距,來有效消除邊緣像差,並提升邊緣成像品質。
惟以上所述者,僅為本發明之較佳實施例而已,當不能以此限定本發明實施之範圍,即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾,皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外,摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用,並非用來限制本發明之權利範圍。此外,本說明書或申請專利範圍中提及的“第一”、“第二”等用語僅用以命名元件(element)的名稱或區別不同實施例或範圍,而並非用來限制元件數量上的上限或下限。
100、100’、500、600:近眼光場顯示裝置
110:顯示元件
110S:子顯示單元
120:微透鏡陣列
130:第一透鏡
140:第二透鏡
550:遮光元件
551:遮光區域
552:透光區域
660:第三透鏡
EY:眼睛
G:間距
ML:微透鏡
IL:影像光束
IM:光場影像
O、O1、O2:中心
OS1:第一光學面
OS2:第二光學面
P1:第一間距
P2:第二間距
S1:第一表面
S2:第二表面
SL:子影像光束
SL1、SL2:光束
圖1A是本發明一實施例的一種近眼光場顯示裝置的光學架構示意圖。
圖1B是圖1A的顯示元件的顯示畫面的示意圖。
圖1C是圖1A的微透鏡陣列的側視示意圖。
圖2A是一對照例的近眼光場顯示裝置的不同光路示意圖。
圖2B是圖1A的近眼光場顯示裝置的不同光路示意圖。
圖3A是圖2A的近眼光場顯示裝置的多個子影像的調製傳遞函數圖。
圖3B是圖1A的近眼光場顯示裝置的多個子影像的調製傳遞函數圖。
圖4是本發明另一實施例的近眼光場顯示裝置的光學架構示意圖。
圖5是本發明又一實施例的近眼光場顯示裝置的光學架構示意圖。
100:近眼光場顯示裝置
110:顯示元件
120:微透鏡陣列
130:第一透鏡
140:第二透鏡
EY:眼睛
G:間距
ML:微透鏡
IL:影像光束
IM:光場影像
SL:子影像光束
Claims (9)
- 如請求項1所述的近眼光場顯示裝置,其中該第一透鏡為雙凸透鏡,且該第二透鏡為平凸透鏡或雙凸透鏡。
- 如請求項1所述的近眼光場顯示裝置,其中該第一透鏡與該第二透鏡為非球面透鏡。
- 如請求項1所述的近眼光場顯示裝置,其中該第二透鏡與該微透鏡陣列的間距小於0.2mm。
- 如請求項1所述的近眼光場顯示裝置,其中該微透鏡陣列具有一第一表面與一第二表面,該第一表面朝向該第一透鏡,該第二表面朝向該第二透鏡,各該微透鏡分別具有一第一光學面與一第二光學面,各該微透鏡的該第一光學面形成該第一表面,各該微透鏡的該第二光學面形成該第二表面,且每一該微透鏡的該第一光學面的中心與距離最近的該微透鏡的該第一光學面的中心具有一第一間距,每一該微透鏡的該第二光學面的中心與距離最近的該微透鏡的該第二光學面的中心具有一第二間距,其中該第一間距小於該第二間距。
- 如請求項1所述的近眼光場顯示裝置,其中該些微透鏡中位於該微透鏡陣列中心位置的該微透鏡的焦距小於位於該微透鏡陣列邊緣位置的該微透鏡的焦距。
- 如請求項1所述的近眼光場顯示裝置,更包括:一遮光元件,位於該第二透鏡與該微透鏡陣列之間,其中該遮光元件的一側與該第二透鏡的間距小於0.2mm,該遮光元件的另一側與該微透鏡陣列的間距小於0.2mm。
- 如請求項1所述的近眼光場顯示裝置,更包括:一遮光元件,該遮光元件設置於該微透鏡陣列的該第二表面上,且位於該些微透鏡之間。
- 如請求項1所述的近眼光場顯示裝置,更包括:一第三透鏡,其中該第一透鏡位於該第三透鏡與該微透鏡陣列之間,或該第三透鏡位於該第二透鏡與該顯示元件之間。
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