CN109471259B

CN109471259B - 近眼显示装置

Info

Publication number: CN109471259B
Application number: CN201710803622.1A
Authority: CN
Inventors: 施智维; 郑权得
Original assignee: Coretronic Corp
Current assignee: Coretronic Corp
Priority date: 2017-09-08
Filing date: 2017-09-08
Publication date: 2023-10-20
Anticipated expiration: 2037-09-08
Also published as: CN109471259A

Abstract

本发明涉及一种近眼显示装置，包括影像***及第一波导元件。影像***用于提供影像光束，影像光束形成影像画面于使用者的眼睛的位置。第一波导元件配置于影像光束的传递路径上，且包括第一表面、第二表面、第一入光端及多个第一分光面。第一入光端位于第一表面与第二表面的一侧，且影像光束经由第一入光端进入第一波导元件。这些第一分光面相对于第一表面与第二表面倾斜地配置。这些第一分光面将在第一波导元件中传递的影像光束反射至眼睛。以眼睛直视的视轴为基准线在远离第一入光端的一侧的这些第一分光面的多个第一间距随着越远离第一入光端而越大，可有效改善影像画面中出现亮度不均匀条纹的情形。

Description

近眼显示装置

技术领域

本发明是有关于一种显示装置，且特别是有关于一种近眼显示装置。

背景技术

近眼显示器(near-eye display,NED)以及头戴式显示器(head-mounteddisplay,HMD)是目前极具发展潜力的下一代杀手级产品。近年来，随着微型显示器的发展(即解析度越来越高、尺寸、功耗越来越小的趋势)以及云端科技的发展(即随时随地可自云端下载大量资讯，而免去将庞大资料库随身携带的麻烦)，于是头戴式显示器发展成为一种携带式(portable)显示装置，除了在军事领域外，其它诸如工业生产、模拟训练、立体显示、医疗、运动和电子游戏等相关领域亦有所成长而占据了重要的地位。

在近眼显示技术的相关应用上，目前可分为扩增实境(augmented reality,AR)技术以及虚拟实境(virtual reality,VR)技术。对扩增实境技术而言，相关开发人员目前致力于如何在显示装置的重量与体积轻薄的前提下提供良好的影像品质。

“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的已知技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被本领域技术人员所知晓或认知。

发明内容

本发明提供一种近眼显示装置，其可有效改善影像画面中出现亮度不均匀条纹的情形。

本发明的一实施例提出一种近眼显示装置，包括影像***及第一波导元件。影像***用于提供影像光束。第一波导元件配置于影像光束的传递路径上，且包括第一表面、第二表面、第一入光端及多个第一分光面。第一表面朝向使用者的眼睛，且第二表面以相对于第一表面设置。第一入光端位于第一波导元件的端部，且影像光束经由第一入光端进入第一波导元件。这些第一分光面相对于第一表面与第二表面倾斜地配置，且从靠近第一入光端的一侧往远离第一入光端的一侧排列。这些第一分光面将在第一波导元件中传递的影像光束反射至眼睛。部分第一分光面之间的多个第一间距随着越远离第一入光端而越大，其中这些第一间距是指在平行于第一表面的方向上的间距。

在本发明的实施例的近眼显示装置中，由于采用了以眼睛直视的视轴为基准线在远离第一入光端的一侧的这些第一分光面的多个第一间距随着越远离第一入光端而越大的设计，因此减小了眼睛看到相邻两第一分光面的重叠区域。如此一来，可有效改善近眼显示装置所提供的影像画面中眼睛看到重叠区域所形成的暗纹的问题。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明的一实施例的近眼显示装置的立体示意图。

图2为图1的近眼显示装置的剖面示意图。

图3为绘示图1中的第一波导元件与使用者的眼睛的关系的剖面示意图。

图4为图3的第一波导元件与使用者的眼睛的关系的局部剖面示意图。

图5A为一对照实施例的第一波导元件与使用者的眼睛的关系的剖面示意图。

图5B为图5A的对照实施例的近眼显示装置所提供的影像画面。

图6A为另一对照实施例的第二波导元件与使用者的眼睛的关系的剖面示意图。

图6B为图6A的对照实施例的近眼显示装置所提供的影像画面。

图7为图1至图4的实施例的近眼显示装置所提供的影像画面。

具体实施方式

有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一优选实施例的详细说明中，将可清楚地呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1为本发明的一实施例的近眼显示装置的立体示意图，图2为图1的近眼显示装置的剖面示意图，而图3为绘示图1中的第一波导元件与使用者的眼睛的关系的剖面示意图。请参照图1至图3，本实施例的近眼显示装置100包括影像***110及第一波导元件120。影像***110用于提供影像光束112。在本实施例中，影像***110包括显示器114及透镜模块116。显示器114用于提供影像光束112，而透镜模块116配置于影像光束112的传递路径上，位于显示器114与第一波导元件120之间，且用于将影像光束112投射于使用者的眼睛50的位置。此外，在本实施例中，显示器114包括光阀或显示面板，其中光阀例如是数位微镜元件(digital micro-mirror device,DMD)、硅基液晶面板(liquid-crystal-on-siliconpanel,LCOS panel)或其它适当的空间光调变器(spatial light modulator,SLM)，而显示面板例如为穿透式液晶面板、有机发光二极管显示器(organic light-emitting diodedisplay,OLED display)、微发光二极管显示器(micro-light-emitting-diode display,micro-LED display)或其它适当的显示器。对于自身不会发光的光阀或显示面板而言，可设置光源模块照射不会发光的光阀或显示面板，进而产生影像光束112。此外，透镜模块116可包括一个或多个透镜或其它光束传递元件。

第一波导元件120配置于影像光束112的传递路径上，且包括一第一表面122、一第二表面124、一第一入光端E1及多个第一分光面B(图1中是以六个第一分光面B1、B2、B3、B4、B5及B6为例，但不以此为限)。第一表面122面向使用者的眼睛50，且第二表面124相对于第一表面122。第一入光端E1位于第一波导元件120的端部，影像光束112经由第一入光端E1进入第一波导元件120。这些第一分光面B相对于第一表面122与第二表面124倾斜地配置，且从靠近第一入光端E1的一侧往远离第一入光端E1的一侧排列。这些第一分光面B将在第一波导元件120中传递的影像光束112反射至眼睛50。

在本实施例中，近眼显示装置100还包括一第二波导元件130，配置于第一入光端E1旁，位于影像光束112的传递路径上，且位于影像***110与第一波导元件120之间。第二波导元件130包括第三表面132、第四表面134、第二入光端E2及多个第二分光面C(图1中是以四个第二分光面C1、C2、C3及C4为例)。第四表面134相对于第三表面132，且第二入光端E2位于第三表面132与第四表面134的一侧，其中来自影像***110的影像光束112经由第二入光端E2进入第二波导元件130中。在本实施例中，透镜模块116配置于影像光束112的传递路径上，且位于显示器114与第二波导元件130之间。

这些第二分光面C相对于第三表面132与第四表面134倾斜地配置，且从靠近第二入光端E2的一侧往远离第二入光端E2的一侧排列。这些第二分光面C使在第二波导元件130中传递的影像光束112传递至第一入光端E1。

在本实施例中，第一分光面B与第二分光面C例如是由可让光束部分穿透且部分反射的镀膜所形成的，形成第一分光面B的镀膜123夹设于第一波导元件120的导光本体121中，而形成第二分光面C的镀膜133夹设于第二波导元件130的导光本体131中。导光本体121与131例如是由透明材质所制成，例如透明塑胶制品或玻璃等。

举例而言，影像光束112在进入第二波导元件130后，部分的影像光束112会穿透第二分光面C1而传递至第一波导元件120，而部分的影像光束112则传递至第二分光面C2。第二分光面C2将部分影像光束112反射至第一波导元件120，且让部分影像光束112穿透而传递至第二分光面C3。第二分光面C3与C4对影像光束112的作用如同第二分光面C2对影像光束112的作用，在此不再重述。如此一来，第二分光面C1、C2、C3及C4便能够依据使影像光束112传递至第一波导元件120。在另一实施例中，随着影像光束112的入射方向的不同，也可以是第二分光面C1将部分影像光束112反射至第一波导元件120，而部分影像光束112穿透第二分光面C1而传递至第二分光面C2。

参照图3，在本实施例中，第一波导元件120还包括一反射端面126，位于第一入光端E1，且连接第一表面122与第二表面124。来自第二波导元件130的影像光束112经由第一入光端E1处的第一表面122进入第一波导元件120，然后被反射端面126朝向这些第一分光面B反射。在本实施例中，反射端面126可通过在导光本体121的表面上涂布反射镀膜而形成。

被反射端面126反射的影像光束112在第一波导元件120中传递，并传递至第一分光面B1。第一分光面B1将传递部分影像光束112往第一表面122反射，影像光束112接着穿透第一表面122而往眼睛50的方向传递。部分影像光束112则穿透第一分光面B1而传递至第一分光面B2。第一分光面B2、B3、B4、B5及B6对影像光束112的作用相同于第一分光面B1对影像光束112的作用，在此不再重述。如此一来，第一分光面B1、B2、B3、B4、B5及B6便能够依序将影像光束112往眼睛50的方向反射。

在本实施例中，以眼睛50直视的视轴D为基准线在远离第一入光端E1的一侧的这些第一分光面B的多个第一间距L1，随着越远离第一入光端E1而第一间距则变越大，其中这些第一间距L1是指在平行于第一表面122的方向上第一分光面B之间的间距。在本实施例中，这些第一间距L1是在x方向上的间距。在本实施例中，近眼显示装置100可视为是在x方向、y方向及z方向所形成的空间中，其中x方向为第一分光面B的排列方向，y方向为第二分光面C的排列方向，z方向为垂直于x方向与y方向的方向，且x方向垂直于y方向。

在本实施例中，每一第一分光面B与第一表面122的交界(其例如沿着y方向延伸)垂直于每一第二分光面C与第三表面132的交界(其例如沿着x方向延伸)。此外，在本实施例中，影像光束112为线偏振光，且影像光束112在进入第二波导元件130时的偏振方向平行于每一第一分光面B与第一表面122的交界的延伸方向(即y方向)。

图4为图3的第一波导元件与使用者的眼睛的关系的局部剖面示意图。请参照图1、图3及图4，在本实施例中，近眼显示装置100符合：H≧R(tan(β₂)-tan(β₁))，其中以眼睛50直视的视轴D为基准线在远离第一入光端E1的一侧或在视轴D上的任两相邻的第一分光面B中较靠近第一入光端E1者与较远离第一入光端E1者分别为第一A分光面BA与第一B分光面BB，H为第一A分光面BA在靠近第一表面122的端点P3在第二表面124上的正投影端点P1与第一B分光面BB在靠近第二表面124的端点P2的间距，R为眼睛50至第二表面124的距离，β₁为正投影端点P1至眼睛50的连线N1与眼睛50直视的视轴D的夹角，β₂为第一A分光面BA在靠近第一表面122的端点P3至眼睛50的连线N2与眼睛50直视的视轴D1的夹角。具体而言，若第一B分光面BB是配置于图4中的虚线B’的位置(其对应至图3中虚线B’的位置)，而使第一B分光面BB在靠近第二表面124的端点P2与正投影端点P1重合时，眼睛50从连线N1与连线N2之间的视线看过去时会看到第一A分光面BA与第一B分光面BB重叠的部分，此重叠的部分造成以眼睛观看的影像画面中出现如图5B铅直方向的暗纹K。然而，在本实施例中，由于近眼显示装置100符合H≧R(tan(β₂)-tan(β₁))，因此第一B分光面BB在靠近第二表面124的端点P2恰好在连线N2的延伸线上或在此延伸线的左方，此时眼睛50从连线N1与连线N2之间的视线看过去时不会有第一A分光面BA与第一B分光面BB重叠的情形，因此眼睛50所看到的影像画面如图7那样没有暗纹K。

在本实施例中，近眼显示装置100符合：L≧W·cot(θ)，其中L为以眼睛50直视的视轴D为基准线在靠近第一入光端E1的一侧，在视轴D上的任两相邻的第一分光面B的一第二间距L，第二间距L是指在平行于第一表面122的方向上的间距，在本实施例中即为x方向上的间距；W为第一表面122与第二表面124的距离，也是第一波导元件120的平均厚度，θ为此任两相邻的第一分光面B相对于第一表面122的倾斜角。当近眼显示装置100符合L≧W·cot(θ)时，这些第一分光面B在垂直于第一表面122的方向上(在本实施例中即为z方向上)彼此不重叠。如此一来，参照图3，当眼睛50直视或往图3中偏右方的方向看过去时，这些第一分光面B不会有重叠的情形，所以近眼显示装置100可以让使用者看到如图7的没有暗纹K的影像画面。另一方面，近眼显示装置100符合H≧R(tan(β₂)-tan(β₁))或者符合L1≧W·cot(θ)+R(tan(β₂)-tan(β₁))。

参照图2，在本实施例中，近眼显示装置100符合：其中M为任两相邻的第二分光面C的一第三间距M，第三间距M是指在平行于第三表面132的方向上的间距(在本实施例中即为y方向上的间距)，V为第三表面132与第四表面134的距离，也就是第二波导元件130的平均厚度，/>为此任两相邻的第二分光面C相对于第三表面132的倾斜角。当近眼显示装置100符合/>时，这些第二分光面C在垂直于第三表面132的方向上(在本实施例中即为z方向上)彼此不重叠，如此一来，近眼显示装置100所提供的影像画面就可以不具有如图6B水平的暗纹K’，而是提供如图7的无暗纹K’的影像画面。

此外，来自外界的物体(即第二表面124所朝向的一侧的物体)的环境光可穿透第一波导元件120而传递至使用者的眼睛50，其中环境光可穿透导光本体121且部分穿透第一分光面B，如此使用者便可同时看到近眼显示装置100所提供的显示画面与外界的物体，而达到扩增实境的效果。

图5A为一对照实施例的第一波导元件与使用者的眼睛的关系的剖面示意图，而图5B为图5A的对照实施例的近眼显示装置所提供的影像画面。请参照图5A与图5B，在本对照实施例中，近眼显示装置不符合H≧R(tan(β₂)-tan(β₁))，所以在眼睛50直视的视轴D往左偏的视线方向上，相邻的第一分光面B在视线的方向上会有部分重叠的情形，由于影像光束在重叠区域经过两次第一分光面B的作用而会在影像画面中产生如图5B的铅直方向的暗纹K。另一方面，在本对照实施例中，近眼显示装置不符合L≧W·cot(θ)，因此相邻的第一分光面B在z方向上有部分重叠，因此在影像画面中产生如图5B的铅直方向的暗纹K。

相较之下，图1至图4的实施例的近眼显示装置100符合H≧R(tan(β₂)-tan(β₁))及L≧W·cot(θ)，因此可提供如图7的无铅直方向的暗纹K的影像画面。

图6A为另一对照实施例的第二波导元件与使用者的眼睛的关系的剖面示意图，而图6B为图6A的对照实施例的近眼显示装置所提供的影像画面。请参照图6A与图6B，在本对照实施例中，近眼显示装置不符合因此第二分光面C在z方向上有部分重叠，由于影像光束在重叠区域经过两次第一分光面B的作用而会在影像画面中产生如图6B的水平方向的暗纹K'。

相较之下，图1至图4的实施例的近眼显示装置100符合因此可提供如图7的无水平方向的暗纹K'的影像画面。

综合上述可知，图1至图4的实施例的近眼显示装置100可提供如图7的既无水平方向的暗纹K'也无铅直方向的暗纹K的影像画面，因此近眼显示装置100可有效改善影像画面中出现亮度不均匀条纹的情形，进而使使用者眼睛所看到的影像画面的亮度均匀。

综上所述，在本发明的实施例的近眼显示装置中，由于采用了以眼睛直视的视轴为基准线在远离第一入光端的一侧的这些第一分光面的多个第一间距随着越远离第一入光端而越大的设计，因此减小了眼睛看到相邻两第一分光面的重叠区域。如此一来，可有效改善近眼显示装置所提供的影像画面中眼睛看到重叠区域所形成的暗纹的问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即所有依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修改，都仍属于本发明专利覆盖的范围。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要和发明名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用于命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。

附图标记说明

50：眼睛

100：近眼显示装置

110：影像***

112：影像光束

114：显示器

116：透镜模块

120：第一波导元件

121、131：导光本体

122：第一表面

123、133：镀膜

124：第二表面

126：反射端面

130：第二波导元件

132：第三表面

134：第四表面

B、B1、B2、B3、B4、B5、B6：第一分光面

B’：虚线

BA：第一A分光面

BB：第一B分光面

C、C1、C2、C3、C4：第二分光面

D：视轴

E1：第一入光端

E2：第二入光端

H：间距

K、K’：暗纹

L1：第一间距

L：第二间距

M：第三间距

N1、N2：连线

P1：正投影端点

P2、P3：端点

R、V、W：距离

x、y、z：方向

β₁、β₂：夹角

θ、倾斜角

Claims

1.一种近眼显示装置，其特征在于，所述近眼显示装置包括影像***以及第一波导元件，

所述影像***用于提供影像光束；

所述第一波导元件配置于所述影像光束的传递路径上，且包括第一表面、第二表面、第一入光端以及多个第一分光面，

所述第一表面朝向使用者的眼睛；

所述第二表面以相对于所述第一表面设置；

所述第一入光端位于所述第一波导元件的端部，其中所述影像光束经由所述第一入光端进入所述第一波导元件；

所述多个第一分光面相对于所述第一表面与所述第二表面倾斜地配置，且从靠近所述第一入光端的一侧往远离所述第一入光端的一侧排列，所述多个第一分光面将在所述第一波导元件中传递的所述影像光束反射至所述眼睛，其中部份所述第一分光面之间的多个第一间距随着越远离所述第一入光端而越大，所述多个第一间距是指在平行于所述第一表面的方向上的间距，

其中所述近眼显示装置符合：L≧W·cot(θ)，其中L为任两相邻的第一分光面的第二间距，所述第二间距是指在平行于所述第一表面的方向上的间距，W为所述第一表面与所述第二表面的距离，θ为所述任两相邻的第一分光面相对于所述第一表面的倾斜角。

2.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述近眼显示装置符合：H≧R(tan(β₂)-tan(β₁))，其中以所述眼睛直视的视轴为基准线在远离所述第一入光端的一侧或在所述视轴上的任两相邻的第一分光面中较靠近所述第一入光端者与较远离所述第一入光端者分别为第一A分光面与第一B分光面，H为所述第一A分光面在靠近所述第一表面的端点在所述第二表面上的正投影端点与所述第一B分光面在靠近所述第二表面的端点的间距，R为所述眼睛至所述第二表面的距离，β₁为所述正投影端点至所述眼睛的连线与所述眼睛直视的视轴的夹角，β₂为所述第一A分光面在靠近所述第一表面的所述端点至所述眼睛的连线与所述眼睛直视的视轴的夹角。

3.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述多个第一分光面在垂直于所述第一表面的方向上彼此不重叠。

4.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，还包括第二波导元件，配置于所述第一入光端旁，位于所述影像光束的传递路径上，且位于所述影像***与所述第一波导元件之间，所述第二波导元件包括第三表面、第四表面、第二入光端以及多个第二分光面，

所述第四表面相对于所述第三表面；

所述第二入光端位于所述第三表面与所述第四表面的一侧，其中来自所述影像***的所述影像光束经由所述第二入光端进入所述第二波导元件中；

所述多个第二分光面相对于所述第三表面与所述第四表面倾斜地配置，且从靠近所述第二入光端的一侧往远离所述第二入光端的一侧排列，所述多个第二分光面使在所述第二波导元件中传递的所述影像光束传递至所述第一入光端。

5.如权利要求4所述的近眼显示装置，其特征在于，所述近眼显示装置符合：其中M为任两相邻的第二分光面的第三间距，所述第三间距是指在平行于所述第三表面的方向上的间距，V为所述第三表面与所述第四表面的距离，/>为所述任两相邻的第二分光面相对于所述第三表面的倾斜角。

6.如权利要求4所述的近眼显示装置，其特征在于，所述多个第二分光面在垂直于所述第三表面的方向上彼此不重叠。

7.如权利要求4所述的近眼显示装置，其特征在于，每一第一分光面与所述第一表面的交界垂直于每一第二分光面与所述第三表面的交界。

8.如权利要求7所述的近眼显示装置，其特征在于，所述影像光束为线偏振光，且所述影像光束在进入所述第二波导元件时的偏振方向平行于每一第一分光面与所述第一表面的交界的延伸方向。

9.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述第一波导元件还包括反射端面，位于所述第一入光端，且连接所述第一表面与所述第二表面，所述影像光束经由所述第一入光端处的所述第一表面进入所述第一波导元件，然后被所述反射端面往所述多个第一分光面反射。

10.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述影像***包括显示器以及透镜模块，

所述显示器用于提供所述影像光束；

所述透镜模块配置于所述影像光束的传递路径上，位于所述显示器与所述第一波导元件之间，且用于将所述影像光束成像于所述眼睛内。

11.如权利要求10所述的近眼显示装置，其特征在于，所述显示器包括光阀或显示面板。