CN116413910A - 增强现实显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种增强现实显示设备，用以对使用者的眼睛提供增强现实图像，增强现实显示设备包括显示模块以及多个镜组。显示模块包括投影器及多个开关元件。投影器提供原始图像光束。多个开关元件依序设置于原始图像光束的路径上，每一开关元件反射或透射原始图像光束，原始图像光束的每一光线在开关元件上的反射路径相交于一点，形成多组图像光束。多个镜组设置于多组图像光束的路径上，多组图像光束在镜组上的反射角度不同，且镜组将多组图像光束反射至眼睛。

Description

增强现实显示设备

技术领域

本发明涉及一种显示设备，尤其涉及一种增强现实显示设备。

背景技术

在虚拟现实(virtual reality,VR)显示技术或增强现实(Augmented Reality)显示技术中，可以在使用者的左眼与右眼分别投射带有视角差(Disparity)的不同图像，让左眼与右眼分别聚焦在不同的平面上，即可产生立体视觉。但现阶段有研究指出，此种技术虽可以让用户产生立体感视觉，但左、右眼依然是分别对焦在不同平面、相同深度的位置，这与人眼在实际空间中对焦立体物体的不同深度位置比较，其视觉效果不尽相同。这样的差异是造成部分使用者晕眩的原因之一，这个效应称为视觉辐辏调节冲突(Vergence-Accommodation Conflict，VAC)。

为了解决视觉辐辏调节冲突，一种现有技术使用针孔小镜将图像光束反射至人眼，运用针孔成像技术达到长景深的效果，如此人眼的对焦距离的范围可以较广，而使得双眼视线相交的距离与人眼对焦距离可以一致，以有效解决视觉辐辏调节冲突。在现有技术的主要光学架构中，涵盖不同垂直视场(Field of View，FoV)的图像光束由面板的不同位置出光，透射光学透镜后，入射多个针孔小镜。要将光学镜片制造得更加轻薄化，就需要缩小光学透镜的直径，但这样就需缩小图像的垂直视场。

发明内容

本发明是针对一种增强现实显示设备，可以达到镜片轻薄化。

根据本发明一实施例，一种增强现实显示设备，用以对使用者的眼睛提供增强现实图像，增强现实显示设备包括显示模块以及多个镜组。显示模块包括投影器及多个开关元件。投影器提供原始图像光束。多个开关元件依序设置于原始图像光束的路径上，每一开关元件反射或透射原始图像光束，原始图像光束的每一光线在开关元件上的反射路径相交于一点，形成多组图像光束。多个镜组设置于多组图像光束的路径上，多组图像光束在镜组上的反射角度不同，且镜组将多组图像光束反射至眼睛。

基于上述，本发明的实施例提供的增强现实显示设备，因为原始图像光束在开关元件上的反射路径相交于一点，形成多组图像光束，而且图像光束在镜组上的反射角度不同，因此可以让图像光束所组成的光束变窄，可以达到镜片轻薄化。

附图说明

图1为依照本发明一实施例的增强现实显示设备的示意图；

图2为图1的增强现实显示设备的显示模块的示意图；

图3为图1的增强现实显示设备在使用者的眼睛前方形成虚像的示意图；

图4为图2的显示模块的投影器的示意图；

图5A为图2的显示模块的开关元件的剖面示意图；

图5B为图5A的开关元件的液晶相位调制器电压开启和关闭的剖面示意图；

图6为图1的增强现实显示设备的图像光束在不同时间的输出状态的示意图；

图7A为图1的增强现实显示设备的图像光束在不同时间的输出状态的另一实施例的示意图；

图7B为图7A的实施例的图像光束在不同时间在开关元件上的反射位置的示意图；

图8为依照本发明另一实施例的增强现实显示设备的示意图。

具体实施方式

现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。

图1为依照本发明一实施例的增强现实显示设备的示意图，图2为图1的增强现实显示设备的显示模块的示意图，图3为图1的增强现实显示设备在使用者的眼睛前方形成虚像的示意图。请参照图1至图3，增强现实显示设备100包括显示模块200以及多个镜组300。显示模块200包括投影器230及多个开关元件220。投影器230提供原始图像光束LB。多个开关元件220(例如开关元件220a、220b、220c)依序设置于原始图像光束LB的路径上，每一开关元件220反射或透射原始图像光束LB，原始图像光束LB的每一光线在开关元件220上的反射路径相交于一点，形成多组图像光束(例如T1、T2及T3)。多个镜组300设置于多组图像光束T1、T2及T3的路径上，多组图像光束T1、T2及T3在镜组300上的反射角度不同，且镜组300将多组图像光束T1、T2及T3反射至眼睛EY。

详细而言，在本实施例中，显示模块200还包括被投影板210，原始图像光束LB的多个光线在开关元件200上的反射路径相交于被投影板210上的多个点以形成多个像素212，每一个像素212各自提供出光角度不同的多组图像光束T1、T2及T3。在本实施例中，被投影板210为扩散器或微透镜阵列。光学透镜110设置于多组图像光束T1、T2及T3的路径上，用以接收多组图像光束T1、T2及T3。多个镜组300设置于来自光学透镜110的图像光束T1、T2及T3的路径上，每一个镜组300将图像光束T1、T2及T3的其中之一反射至眼睛EY。原始图像光束LB在开关元件220a、220b、220c彼此相对应的位置上的反射路径会相交于被投影板210上的一个点(即一个像素212)上。开关元件220反射的原始图像光束LB在透射被投影板210后形成图像光束，例如，在本实施例中，开关元件220a、220b、220c反射的光分别在被投影板210后方形成三组图像光束T1、T2、T3，但本发明的开关元件220不限于三个，图像光束也不限于三组。因为被投影板210的每一个像素212各自提供出光角度不同的图像光束T1、T2及T3，因此从各个像素212出射的图像光束T1、T2及T3在往光学透镜110的光路上部分重叠，如此一来可以让图像光束T1、T2及T3所组成的光束变窄，因此只需要使用直径较小的光学透镜110。

在本实施例中，每一个镜组300包括一个微反射镜310，且微反射镜310设置的角度彼此不同。或者，在另一个实施例中，每一个镜组300包括一个微反射镜310及一个反射镜320，来自每一开关元件220(例如开关元件220a、220b、220c之一)的一组图像光束(例如图像光束T1、T2、T3之一)依序被反射镜320及微反射镜310反射而传递至使用者的眼睛EY，且反射镜320设置的角度彼此不同，微反射镜310设置的角度彼此相同。其中微反射镜310例如是针孔小镜。

增强现实显示设备100用以对使用者的眼睛EY提供增强现实图像IMG，如图3所示。举例而言，请同时参照图1及图3，在本实施例中，多个镜组300为三个镜组300a、300b及300c，镜组300a、300b、300c分别包括微反射镜310a、310b、310c。在本实施例中，可以有多个微反射镜310a、多个微反射镜310b、多个微反射镜310c，这些微反射镜310a、310b、310c在图1中垂直于纸面的方向上排列。微反射镜310a、310b、310c分别将图像光束T1、T2、T3反射至使用者的眼睛EY，并在使用者的眼睛EY前方形成增强现实图像IMG。也就是说，增强现实图像IMG由图像光束T1、T2及T3的虚像共同构成。在本实施例中，镜组300a、300b、300c相对于使用者是从上到下排列(例如图1中角度不同的微反射镜310a、310b、310c从上到下排列)，因此图像光束T1、T2、T3的虚像是从上到下排列，也就是说，图像光束T1、T2、T3的虚像在使用者所看到的垂直方向上分别涵盖不同的视场角。然而在另一些实施例中，镜组300a、300b、300c也可以是相对于使用者从左到右排列(例如角度不同的微反射镜310a、310b、310c从左到右排列)，这么一来图像光束T1、T2、T3的虚像变成是从左到右排列，也就是在使用者所看到的水平方向上分别涵盖不同的视场角。虽然本实施例以三个镜组300a、300b、300c及相对应的三组图像光束T1、T2、T3为例，但本发明不以此为限。在又一些实施例中，镜组300相对于使用者从左到右且从上到下排列(例如角度不同的微反射镜310从左到右且从上到下排列)，因此多组图像光束的虚像是从左到右且从上到下排列，也就是在使用者所看到的水平方向及垂直方向上分别涵盖不同的视场角。

在本实施例中，开关元件220与原始图像光束LB之间的锐角是沿着原始图像光束LB的路径依序递增。具体而言，开关元件220c、220b、220a依序是原始图像光束LB的行进路径上的第一、第二、第三个开关元件220，三个开关元件之中，开关元件220c与原始图像光束LB的夹角最小，原始图像光束LB在开关元件220c上的入射角与反射角最大；开关元件220a与原始图像光束LB的夹角最大，原始图像光束LB在开关元件220a上的入射角与反射角最小；开关元件220b与原始图像光束LB的夹角大小介于开关元件220a与220c之间，原始图像光束LB在开关元件220b上的入射角与反射角也介于开关元件220a与220c之间。然而，在其他实施例中，开关元件220与原始图像光束LB之间的锐角也可以是沿着原始图像光束LB的路径依序递减，或者以其他适当的方式设置，使原始图像光束LB入射不同的开关元件220后的反射路径交会于被投影板210上的一个点(即像素212)。

图4为图2的显示模块的投影器的示意图。请参照图4，在本实施例中，投影器230包括激光扫描投影器232、准直透镜234及线偏振片236，原始图像光束LB由激光扫描投影器232出光，且依序通过准直透镜234及该线偏振片236。因此由投影器230出射的原始图像光束LB为一准直的线偏振光。

图5A为图2的显示模块的开关元件的剖面示意图，图5B为图5A的开关元件的液晶相位调制器电压开启和关闭的剖面示意图。请参照图5A及图5B，开关元件220包括液晶相位调制器222及偏振反射器224。每一个开关元件220的液晶相位调制器222及偏振反射器224在原始图像光束LB的光路上依序排列。液晶相位调制器222包括二个透明电极ITO、液晶层LC及控制器CRL。液晶层LC设置于二个透明电极ITO之间，控制器CRL耦接二个透明电极ITO。来自投影器230的原始图像光束LB具有第一偏振方向d1(第一偏振方向d1是p-偏振方向)，原始图像光束LB通过液晶相位调制器222时，若控制器CRL的电压开启(如图5B左侧的那个液晶相位调制器222)，则具有第一偏振方向d1(即p-偏振方向)的原始图像光束LB通过液晶层LC后不会被改变偏振，因此随后会透射偏振反射器224(如图5A示出的靠上方的那道光透射偏振反射器224)；若控制器CRL的电压关闭(如图5B右侧的那个液晶相位调制器222)，则具有第一偏振方向d1(即p-偏振方向)的原始图像光束LB通过液晶层LC后会被变为具有第二偏振方向d2(第二偏振方向d2是进出纸面的方向，即s-偏振方向)，因此随后会在偏振反射器224上被反射(如图5A示出的靠下方的那道光在偏振反射器224上被反射)。如此便可以借由控制器CRL控制开关元件220要反射原始图像光束LB或透射原始图像光束LB。在其他实施例中，随着液晶模态的不同，也可以是当控制器CRL的电压关闭时，使具有第一偏振方向d1的原始图像光束LB通过液晶层LC后会被变为具有第二偏振方向d2，且当控制器CRL电压开启时，原始图像光束LB通过液晶层LC后不会被改变偏振。

举例而言，在本实施例中，若开关元件220c、220b的控制器CRL的电压皆开启，则原始图像光束LB穿透开关元件220c、220b，入射到开关元件220a后被反射，在被投影板210后方产生图像光束T1。若开关元件220c、220b的控制器CRL的电压分别为开启及关闭，则原始图像光束LB穿透开关元件220c，被开关元件220b反射，在被投影板210后方产生图像光束T2。若开关元件220c的控制器CRL的电压为关闭，则原始图像光束LB被开关元件220c反射，在被投影板210后方产生图像光束T3。在本实施例中，开关元件220a可以替换为普通的反射镜。因为是用一台投影器230产生增强现实图像IMG的部分视场的图像，因此产生的图像分辨率比用一台投影器产生整个增强现实图像的分辨率高，在本实施例中，分辨率是三倍。

图6为图1的增强现实显示设备的图像光束在不同时间的输出状态的示意图。在本实施例中，开关元件220a、220b、220c轮流反射原始图像光束LB，且每一时刻有一个开关元件220是反射原始图像光束LB，形成一组图像光束。举例而言，请参考图6，图中用0和1来表示未输出和有输出。在时间Ta时，开关元件220c反射原始图像光束LB，在被投影板210后方形成图像光束T3；在时间Tb时，开关元件220b反射原始图像光束LB，在被投影板210后方形成图像光束T2；在时间Tc时，开关元件220a反射原始图像光束LB，在被投影板210后方形成图像光束T1。因此，图像光束T1、T2、T3会轮流产生在被投影板210后方，且图像光束T1、T2、T3会轮流照射到使用者的眼睛EY。若开关元件220的控制器CRL开关得够快，用户会对于图像光束T1、T2、T3的虚像产生视觉暂留的感受，使用者就会彷佛看到完整的增强现实图像IMG。

图7A为图1的增强现实显示设备的图像光束在不同时间的输出状态的另一实施例的示意图。图7B为图7A的实施例的图像光束在不同时间在开关元件220上的反射位置的示意图。在本实施例中，开关元件220包括多个像素PXL，每一个开关元件220的像素PXL轮流反射原始图像光束LB，且每一时刻有开关元件220中的多个是反射原始图像光束LB的一部份，形成多组图像光束中的一部分。其中像素PXL例如包括薄膜晶体管。参照图7A及图7B，其中图7A的纵轴是每一开关元件200的对应位置的像素PXL的输出(例如是第3、6、9……行像素PXL的输出)，图7B中最上方的一列由左到右依序示出开关元件220c、220b、220a在时间Ta时的反射状态，中间的一列由左到右依序示出开关元件220c、220b、220a在时间Tb时的反射状态，最下方的一列由左到右依序示出开关元件220c、220b、220a在时间Tc时的反射状态。

举例来说，在本实施例中，在时间Ta时，开关元件220c的第3、6、9……行像素PXL是反射原始图像光束LB，形成图像光束T3的一部份，原始图像光束LB未被开关元件220c反射的部分穿透开关元件220c的其余像素PXL，入射开关元件220b。开关元件220b的第1、4、7……行像素PXL是反射原始图像光束LB，形成图像光束T2的一部份，原始图像光束LB未被开关元件220b反射的部分穿透开关元件220b的其余像素PXL，入射开关元件220a(也可替换为普通的反射镜)，并且被反射，形成图像光束T1的一部份。在时间Tb时，开关元件220c的第2、5、8……行像素PXL是反射原始图像光束LB，形成图像光束T3的另一部份，原始图像光束LB未被开关元件220c反射的部分穿透开关元件220c的其余像素PXL，入射开关元件220b。开关元件220b的第3、6、9……行像素PXL是反射原始图像光束LB，形成图像光束T2的另一部份，原始图像光束LB未被开关元件220b反射的部分穿透开关元件220b的其余像素PXL，入射开关元件220a，并且被反射，形成图像光束T1的另一部份。在时间Tc时，开关元件220c的第1、4、7……行像素PXL是反射原始图像光束LB，形成图像光束T3的又一部份，原始图像光束LB未被开关元件220c反射的部分穿透开关元件220c的其余像素PXL，入射开关元件220b。开关元件220b的第2、5、8……行像素PXL是反射原始图像光束LB，形成图像光束T2的又一部份，原始图像光束LB未被开关元件220b反射的部分穿透开关元件220b的其余像素PXL，入射开关元件220a，并且被反射，形成图像光束T1的又一部份。因此，图像光束T1、T2、T3会同时照射到使用者的眼睛EY，且图像光束T1、T2、T3的不同部分会轮流照射到使用者的眼睛EY。若开关元件220的控制器CRL开关得够快，用户会对于图像光束T1、T2、T3的不同部分的虚像产生视觉暂留的感受，使用者就会彷佛看到完整的增强现实图像IMG。图像光束T1、T2、T3的不同部分轮流照射到使用者的眼睛EY的好处是可以达到更好的视觉暂留效果，减少增强现实图像IMG闪烁的现象。

图8为依照本发明另一实施例的增强现实显示设备的示意图。与图1的增强现实显示设备不同的地方是，图8的增强现实显示设备100的每一个镜组300包括一个微反射镜310及一个反射镜320，来自每一开关元件220的一组图像光束(例如图像光束T1、T2、T3之一)依序被反射镜320(例如反射镜320a、320b、320c之一)及微反射镜310(例如微反射镜310a、310b、310c之一)反射而传递至使用者的眼睛EY，且反射镜320设置的角度彼此不同，微反射镜310设置的角度彼此相同。在图8的实施例中，镜组300设置于导光板的内部，反射镜320可以是导光板内侧表面的镀膜，或是图像光束也可以直接在导光板的内侧表面产生全反射，因此反射镜320可以是导光板的内侧表面。使用反射镜320的好处是可以将微反射镜310设置为相同角度，降低制造的困难度，增加量产性。

综上所述，因为本发明的实施例提供的增强现实显示设备，原始图像光束在开关元件上的反射路径相交于一点，形成多组图像光束，而且图像光束在镜组上的反射角度不同，因此可以让图像光束所组成的光束变窄，可以达到镜片轻薄化。而且因为采用分时多任务的方式投射涵盖不同视场的图像，所以具有较佳的分辨率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (14)

1.一种增强现实显示设备，其特征在于，用以对使用者的眼睛提供增强现实图像，所述增强现实显示设备包括：

显示模块，包括：

投影器，提供原始图像光束；以及

多个开关元件，所述多个开关元件依序设置于所述原始图像光束的路径上，每一开关元件反射或透射所述原始图像光束，所述原始图像光束的每一光线在所述多个开关元件上的反射路径相交于一点，形成多组图像光束；以及

多个镜组，设置于所述多组图像光束的路径上，所述多组图像光束在所述多个镜组上的反射角度不同，且所述多个镜组将所述多组图像光束反射至所述眼睛。

2.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，其特征在于，每一镜组包括微反射镜，且所述多个微反射镜设置的角度彼此不同。

3.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，其特征在于，每一镜组包括微反射镜及反射镜，来自每一开关元件的一组图像光束依序被所述反射镜及所述微反射镜反射而传递至所述使用者的所述眼睛，且所述多个反射镜设置的角度彼此不同，所述多个微反射镜设置的角度彼此相同。

4.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，其特征在于，还包括光学透镜，设置于所述多组图像光束的路径上，用以接收所述多组图像光束。

5.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，其特征在于，所述显示模块还包括被投影板，所述原始图像光束的多个光线在所述多个开关元件上的反射路径相交于被投影板上的多个点以形成多个像素，每一像素各自提供出光角度不同的多组图像光束，所述被投影板为扩散器或微透镜阵列。

6.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，其特征在于，所述多个镜组设置于导光板的内部。

7.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，其特征在于，所述多个开关元件与所述原始图像光束之间的锐角是沿着所述原始图像光束的路径依序递增。

8.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，其特征在于，所述多个开关元件与所述原始图像光束之间的锐角是沿着所述原始图像光束的路径依序递减。

9.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，其特征在于，所述投影器包括激光扫描投影器、准直透镜及线偏振片，所述原始图像光束由所述激光扫描投影器出光，且依序通过所述准直透镜及所述线偏振片。

10.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，其特征在于，至少一些所述多个开关元件包括液晶相位调制器及偏振反射器，每一开关元件的所述液晶相位调制器及所述偏振反射器在原始图像光束的光路上依序排列，所述液晶相位调制器包括二个透明电极、液晶层及控制器，所述液晶层设置于所述二个透明电极之间，所述控制器耦接所述二个透明电极。

11.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，其特征在于，所述多个开关元件轮流反射所述原始图像光束，且每一时刻有一个开关元件是反射所述原始图像光束，形成一组图像光束。

12.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，其特征在于，所述多个开关元件包括多个像素，每一开关元件的所述多个像素轮流反射所述原始图像光束，且每一时刻有所述多个开关元件中的多个是反射所述原始图像光束的一部分，形成所述多组图像光束中的一部分。

13.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，其特征在于，所述多个镜组从上到下排列或从左到右排列，其中上、下、左、右是相对于所述使用者而言。

14.根据权利要求1所述的增强现实显示设备，其特征在于，所述多个镜组从左到右且从上到下排列，其中上、下、左、右是相对于所述使用者而言。

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