TWI826131B - 擴增實境顯示裝置 - Google Patents

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Abstract

一種擴增實境顯示裝置，用以配置於一使用者的一眼睛前方。擴增實境顯示裝置包括一顯示器、一偏振分光器及一反射式液晶面板。顯示器用以提供一影像光束，偏振分光器配置於影像光束的路徑上。反射式液晶面板配置於來自偏振分光器的影像光束的路徑上。反射式液晶面板用以形成多個彼此分離的調變反射區，這些調變反射區用以調變影像光束的偏振方向，並將影像光束反射回偏振分光器。偏振分光器用以將經調變的影像光束傳遞至使用者的眼睛，且反射式液晶面板用以變化這些調變反射區的節距。

Description

擴增實境顯示裝置
本發明是有關於一種顯示裝置，且特別是有關於一種擴增實境顯示裝置。
近年來，虛擬實境(virtual reality,VR)顯示技術及擴增實境(augmented reality,AR)顯示技術蓬勃發展，至今已有多種頭戴式顯示器(head-mounted display,HMD)的光學系統。現行的頭戴式顯示器具有視覺輻輳調節衝突(vergence-accommodation conflict,VAC)問題。
視覺輻輳調節衝突是由於單眼對焦距離(accommodation distance)與雙眼合焦距離(vergence distance)不相同，造成人腦混亂，使用者會容易頭暈。在虛擬實境顯示裝置及擴增實境顯示裝置都會有這個問題。尤其是擴增實境顯示裝置，因為使用虛擬影像與現實物體互動，這個問題更是明顯。
一種解決視覺輻輳調節衝突是採用針孔小鏡來形成虛像，並達到長景深的效果，以使單眼可對焦的距離的範圍較大，而涵蓋了雙眼合焦距離，進而解決了視覺輻輳調節衝突。然而， 當採用多個針孔小鏡來形成虛像時，會容易有多個影像的串擾(crosstalk)問題。假設有兩個小鏡子反射影像來源的影像，如果眼睛調節在虛像距離設計值下，眼睛視網膜成像沒有串擾；但如果眼睛對焦在其他距離下，則會產生串擾，即產生多重影像。
本發明提供一種擴增實境顯示裝置，其可有效改善影像串擾的問題。
本發明的一實施例提出一種擴增實境顯示裝置，用以配置於一使用者的一眼睛前方。擴增實境顯示裝置包括一顯示器、一偏振分光器及一反射式液晶面板。顯示器用以提供一影像光束，偏振分光器配置於影像光束的路徑上。反射式液晶面板配置於來自偏振分光器的影像光束的路徑上。反射式液晶面板用以形成多個彼此分離的調變反射區，這些調變反射區用以調變影像光束的偏振方向，並將影像光束反射回偏振分光器。偏振分光器用以將經調變的影像光束傳遞至使用者的眼睛，且反射式液晶面板用以變化這些調變反射區的節距。
在本發明的實施例的擴增實境顯示裝置中，採用反射式液晶面板來形成多個彼此分離的調變反射區，且讓這些調變反射區的節距可以變化，以適應使用者的眼睛的不同對焦距離。因此，本發明的實施例的擴增實境顯示裝置可有效改善影像串擾的問題。
50:眼睛
60:來自外界的光
100、100a、100b:擴增實境顯示裝置
110:顯示器
112:影像光束
120:偏振分光器
121、123、151、153:稜鏡
130:反射式液晶面板
132:調變反射區
134:其他區域
140:偏振片
150:分光器
160:二分之一波片
170:相機
180:控制器
192、194:透鏡
D1:最大外徑
L1:節距
P1、P1’:第一偏振方向
P2、P2’:第二偏振方向
圖1為本發明的一實施例的擴增實境顯示裝置的光路結構示意圖。
圖2A、圖2B及圖2C為圖1中的反射式液晶面板於三種不同狀態下的調變反射區的分布情形的正視示意圖。
圖3為本發明的另一實施例的擴增實境顯示裝置的光路結構示意圖。
圖4為本發明的又一實施例的擴增實境顯示裝置的光路結構示意圖。
圖1為本發明的一實施例的擴增實境顯示裝置的光路結構示意圖，而圖2A、圖2B及圖2C為圖1中的反射式液晶面板於三種不同狀態下的調變反射區的分布情形的正視示意圖。請參照圖1及圖2A至圖2C，本實施例的擴增實境顯示裝置100用以配置於一使用者的一眼睛50前方。擴增實境顯示裝置100包括一顯示器110、一偏振分光器120及一反射式液晶面板130。顯示器110用以提供一影像光束112。在本實施例中，顯示器110例如為一有機發光二極體顯示器(organic light-emitting diode display,OLED display)、一液晶顯示器、一微型發光二極體顯示器(micro light-emitting diode display,micro-LED display)或其他適當的顯示器。
偏振分光器120配置於影像光束112的路徑上，而反射式液晶面板130配置於來自偏振分光器120的影像光束112的路徑上。反射式液晶面板130用以形成多個彼此分離的調變反射區132，這些調變反射區132用以調變影像光束112的偏振方向，並將影像光束112反射回偏振分光器120。偏振分光器120用以將經調變的影像光束112傳遞至使用者的眼睛50。
在本實施例中，擴增實境顯示裝置100更包括一偏振片(polarizer)140，配置於影像光束112的路徑上，且位於顯示器110與偏振分光器120之間。若顯示器110為有機發光二極體顯示器或微型發光二極體顯示器，則顯示器110發出非經偏振的光，而偏振片140過濾此非經偏振的光，而讓具有一第一偏振方向P1的影像光束112通過。若顯示器110為液晶顯示器，則偏振片140為液晶顯示器的一部分，也就是液晶顯示器表面覆蓋的膜層，而液晶顯示器發出具有第一偏振方向P1的影像光束112。在本實施例中，偏振分光器120用以將來自顯示器110的影像光束112反射至反射式液晶面板130，且用以讓來自反射式液晶面板130的經調變的影像光束112穿透。
舉例而言，第一偏振方向P1相對於偏振分光器120而言例如是s偏振方向，因此經偏振片140過濾且具有第一偏振方向P1的影像光束112會被偏振分光器120反射至反射式液晶面板 130。反射式液晶面板130的調變反射區132透過電場或不施加電場達成的液晶排列方向的配置，而形成四分之一波片的效果，因此具有第一偏振方向P1的影像光束112在依序通過調變反射區132的液晶層、被液晶層底部的反射層反射及再次通過調變反射區132的液晶層後，會變成具有一第二偏振方向P2。第二偏振方向P2對於偏振分光器120而言例如為p偏振方向，且偏振分光器120適於讓具有第二偏振方向P2的影像光束112穿透。另一方面，反射式液晶面板130在調變反射區132以外的其他區域134則不施加電場或透過電場達成另一種液晶排列方向的配置，而形成不具有相位延遲效果的透明層。如此一來，具有第一偏振方向P1的影像光束112在依序通過其他區域134的液晶層、被液晶層底部的反射層反射及再次通過其他區域134的液晶層後，會維持原來的第一偏振方向P1，此被反射的具有第一偏振方向P1的影像光束112則會被偏振分光器120阻擋(即反射)而不會進入眼睛50。因此，反射式液晶面板130加上偏振分光器120的作用，相當於把調變反射區132視為針孔小鏡，以反射來自顯示器110的影像光束112，進而使被針孔小鏡反射的影像光束112傳遞至使用者的眼睛50。在本實施例中，反射式液晶面板130例如為矽基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel,LCOS panel)。
在本實施例中，擴增實境顯示裝置100更包括一分光器150，配置於來自偏振分光器120的經調變的影像光束112的路徑上，用以將至少部分經調變的影像光束112反射至眼睛，且用以 讓至少部分來自外界的光60穿透而傳遞至眼睛50。在本實施例中，分光器120為另一偏振分光器，且擴增實境顯示裝置100更包括一個二分之一波片160，配置於來自偏振分光器120的經調變的影像光束112的路徑上，且位於偏振分光器120與分光器150之間。舉例而言，來自偏振分光器120且具第二偏振方向P2(即p偏振方向)的影像光束112在經過二分之一波片160後，其偏振方向會被二分之一波片160轉換為第一偏振方向P1。此第一偏振方向P1相對於分光器150而言即為s偏振方向。來自二分之一波片160且具第一偏振方向P1的影像光束112會被分光器150(即偏振分光器)反射至眼睛50，進而讓使用者看到位於眼睛前方的虛像(即顯示器110所提供的影像)。另一方面，分光器150(即偏振分光器)會讓部分來自外界的光60穿透(例如讓來自外界的光60中具有p偏振方向的部分穿透)而傳遞至眼睛50。如此一來，使用者的眼睛50便能夠同時看到虛像(即顯示器110所提供的影像)與外界的物體，而達到擴增實境的效果。
在其他實施例中，分光器150也可以是部分穿透部分反射器(例如是半穿透半反射器)，且擴增實境顯示裝置100不包括二分之一波片160，而來自偏振分光器120且具有第二偏振方向P2的影像光束112的一部分被分光器150反射至眼睛50。另一方面，部分來自外界的光50穿透分光器150而傳遞至眼睛50。
在本實施例中，反射式液晶面板130用以變化這些調變反射區132的節距L1。具體而言，反射式液晶顯示面板130具有 多個排成陣列的畫素，藉由對這些畫素施加或不施加電壓，可以產生各種不同的調變反射區132的分布，而其中三種分布即如同圖2A、圖2B及圖2C的分布。不同的節距L1可適應使用者的眼睛50的不同對焦距離，而可以使這些調變反射區132所反射的影像光束112不會在使用者的眼睛的視網膜上產生影像的串擾(即多重影像彼此部分重疊或分離)。因此，本實施例的擴增實境顯示裝置100可有效改善影像串擾的問題，而調變反射區132可以模擬針孔小鏡的光學效果，達到對影像光束112的針孔成像，故可有效避免視覺輻輳調節衝突。在一實施例中，每一調變反射區132的最大外徑D1(例如是調變反射區132的對角線長度)是落在0.5毫米至4毫米的範圍內，以使調變反射區132可以有效模擬針孔小鏡。在一實施例中，每一調變反射區132的最小尺寸可以是反射式液晶面板130的一個像素的尺寸，例如每一調變反射區132的對角線長度的最小值可以是反射式液晶面板130的一個像素的對角線長度。
在本實施例中，偏振分光器120可夾設於稜鏡121與稜鏡123之間，分光器150可夾設於稜鏡151與稜鏡153之間，而二分之一波片160可夾設於稜鏡123與稜鏡151之間，但本發明不以此為限。在另一實施例中，擴增實境顯示裝置100也可以不具有稜鏡121、123、151及153。
在本實施例中，擴增實境顯示裝置100更包括一相機170，用以拍攝眼睛50，以取得眼睛50的聚焦距離。此外，在本 實施例中，擴增實境顯示裝置100更包括一控制器180，電性連接至相機170與反射式液晶面板130。控制器180接收來自相機170所拍攝到的影像的訊號，且控制器180可根據相機170所拍攝到的眼睛50的瞳孔的位置計算出眼睛50的聚焦距離。或者，可利用一紅外光源發出紅外光至眼睛50，並利用相機170(例如紅外光相機)拍攝眼睛50中的紅外光點，且利用控制器180計算出眼睛50的聚焦距離。控制器180計算出聚焦距離後，可命令反射式液晶面板130顯示具有適合此聚焦距離的節距L1的調變反射區132分布，以使眼睛50在此聚焦距離下不會看到多重影像。
在另一實施例中，擴增實境顯示裝置100也可以不具有相機170，而控制器180電性連接至反射式液晶面板130與顯示器110，且反射式液晶面板130依序顯示具有不同節距L1的調變反射區132的分布，且顯示器110對應於這些不同的節距L1分別顯示適合此節距L1的聚焦距離的影像。由於反射式液晶面板130變化節距L1的速度夠快，藉由視覺暫留現象，使用者會感到對應於這些節距的這些影像是同時顯示的。這樣的效果相當於使用者的眼睛可以自行選擇要看哪個聚焦距離的影像。
在一實施例中，控制器180例如為中央處理單元(central processing unit,CPU)、微處理器(microprocessor)、數位訊號處理器(digital signal processor,DSP)、可程式化控制器、可程式化邏輯裝置(programmable logic device,PLD)或其他類似裝置或這些裝置的組合，本發明並不加以限制。此外，在一實施例中，控制 器180的各功能可被實作為多個程式碼。這些程式碼會被儲存在一個記憶體中，由控制器180來執行這些程式碼。或者，在一實施例中，控制器180的各功能可被實作為一或多個電路。本發明並不限制用軟體或硬體的方式來實作控制器180的各功能。
圖3為本發明的另一實施例的擴增實境顯示裝置的光路結構示意圖。請參照圖3，本實施例的擴增實境顯示裝置100a類似於圖1的擴增實境顯示裝置100，而兩者的差異如下所述。本實施例的擴增實境顯示裝置100a包括一透鏡192，配置於影像光束112的路徑上，且位於偏振片140與偏振分光器120之間。此外，在本實施例中，擴增實境顯示裝置100a更包括一透鏡194，配置於來自二分之一波片160的經調變的影像光束112的路徑上，且位於二分之一波片160與分光器150之間。透鏡192與透鏡194可以達到使影像光束112準直化或會聚影像光束112的效果。
圖4為本發明的又一實施例的擴增實境顯示裝置的光路結構示意圖。請參照圖4，本實施例的擴增實境顯示裝置100b類似於圖1的擴增實境顯示裝置100，而兩者的差異如下所述。在本實施例的擴增實境顯示裝置100b中，偏振分光器120用以讓來自顯示器110的影像光束112穿透而傳遞至反射式液晶面板130，且用以將來自反射式液晶面板130的經調變的影像光束112反射至眼睛50，且偏振分光器120用以讓至少部分來自外界的光60穿透而傳遞至眼睛50。
具體而言，在本實施例中，來自顯示器110的影像光束 112在通過偏振片140後，會被偏振片140過濾成具有第一偏振方向P1’的影像光束112。第一偏振方向P1’對偏振分光器120而言為p偏振方向。因此，此具有第一偏振方向P1’的影像光束112會穿透偏振分光器120而傳遞至反射式液晶面板130。
反射式液晶面板130的調變反射區132透過電場或不施加電場達成的液晶排列方向的配置，而形成四分之一波片的效果，因此具有第一偏振方向P1’的影像光束112在依序通過調變反射區132的液晶層、被液晶層底部的反射層反射及再次通過調變反射區132的液晶層後，會變成具有一第二偏振方向P2’。第二偏振方向P2’對於偏振分光器120而言例如為s偏振方向，且偏振分光器120適於將具有第二偏振方向P2’的影像光束112反射至眼睛50。另一方面，反射式液晶面板130在調變反射區132以外的其他區域134則不施加電場或透過電場達成另一種液晶排列方向的配置，而形成不具有相位延遲效果的透明層。如此一來，具有第一偏振方向P1’的影像光束112在依序通過其他區域134的液晶層、被液晶層底部的反射層反射及再次通過其他區域134的液晶層後，會維持原來的第一偏振方向P1’，此被反射的具有第一偏振方向P1’的影像光束112則會穿透偏振分光器120而不會進入眼睛50。
本實施例的擴增實境顯示裝置100b相對於圖1的擴增實境顯示裝置100省略了分光器150，因此架構更為精簡。
綜上所述，在本發明的實施例的擴增實境顯示裝置中， 採用反射式液晶面板來形成多個彼此分離的調變反射區，且讓這些調變反射區的節距可以變化，以適應使用者的眼睛的不同對焦距離。因此，本發明的實施例的擴增實境顯示裝置可有效改善影像串擾的問題。
50:眼睛
60:來自外界的光
100:擴增實境顯示裝置
110:顯示器
112:影像光束
120:偏振分光器
121、123、151、153:稜鏡
130:反射式液晶面板
140:偏振片
150:分光器
160:二分之一波片
170:相機
180:控制器
P1:第一偏振方向
P2:第二偏振方向

Claims (11)

  1. 一種擴增實境顯示裝置，用以配置於一使用者的一眼睛前方，該擴增實境顯示裝置包括：一顯示器，用以提供一影像光束；一偏振分光器，配置於該影像光束的路徑上；以及一反射式液晶面板，配置於來自該偏振分光器的該影像光束的路徑上，其中該反射式液晶面板用以形成多個彼此分離的調變反射區，該些調變反射區用以調變該影像光束的偏振方向，並將該影像光束反射回該偏振分光器，該偏振分光器用以將經調變的該影像光束傳遞至該使用者的該眼睛，且該反射式液晶面板用以變化該些調變反射區的節距。
  2. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中每一調變反射區的最大外徑是落在0.5毫米至4毫米的範圍內。
  3. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，更包括一偏振片，配置於該影像光束的路徑上，且位於該顯示器與該偏振分光器之間。
  4. 如請求項3所述的擴增實境顯示裝置，更包括一透鏡，配置於該影像光束的路徑上，且位於該偏振片與該偏振分光器之間。
  5. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，更包括一分光器，配置於來自該偏振分光器的經調變的該影像光束的路徑上， 用以將至少部分經調變的該影像光束反射至該眼睛，且用以讓至少部分來自外界的光穿透而傳遞至該眼睛。
  6. 如請求項5所述的擴增實境顯示裝置，其中該分光器為另一偏振分光器，且該擴增實境顯示裝置更包括一個二分之一波片，配置於來自該偏振分光器的經調變的該影像光束的路徑上，且位於該偏振分光器與該另一偏振分光器之間。
  7. 如請求項6所述的擴增實境顯示裝置，更包括一透鏡，配置於來自該二分之一波片的經調變的該影像光束的路徑上，且位於該二分之一波片與該另一偏振分光器之間。
  8. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，更包括一相機，用以拍攝該眼睛，以取得該眼睛的聚焦距離。
  9. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該偏振分光器用以將來自該顯示器的該影像光束反射至該反射式液晶面板，且用以讓來自該反射式液晶面板的經調變的該影像光束穿透。
  10. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該偏振分光器用以讓來自該顯示器的該影像光束穿透而傳遞至反射式液晶面板，且用以將來自該反射式液晶面板的經調變的該影像光束反射至該眼睛，且該偏振分光器用以讓至少部分來自外界的光穿透而傳遞至該眼睛。
  11. 如請求項1所述的擴增實境顯示裝置，其中該反射式液晶面板為矽基液晶面板。
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