TWI534475B - 虛像顯示裝置 - Google Patents

Description

虛像顯示裝置

本發明是有關於一種顯示裝置，且特別是有關於一種虛像顯示裝置。

隨著近年來顯示科技以及各項科技工藝的進步，各種顯示裝置被發明，例如從精巧的手持型顯示器到高畫質的顯示螢幕甚至於幾乎可以假亂真的立體顯示器，其栩栩如生的影像顯示品質，使人類天馬行空的想像力得以馳騁於其中。其中，尤以頭戴式顯示器(head mount display，HMD)由於其具有使用上的方便性與私密性，被視為目前顯示科技發展的重點之一。一般而言，目前的頭戴式顯示器所形成的虛像在距離人眼約2至10公尺處，其視角約為22度，不易與使用者有直覺性的互動。並且，目前的頭戴式顯示器為了消除較大視角的像差而使用尺寸較大的光學元件，如此一來，頭戴式顯示器的體積以及重量皆易造成使用者的不適感，且其光學元件的焦距與形狀皆有限制，而難以對應不同使用者調整，因此，如何使頭戴式顯示裝置在具有輕巧的體積與較大顯示視角的同時，亦可與使用者互動以便利使用者的生活，已成為顯示科技中亟待研究解決的重要目標之一。

本發明提出一種虛像顯示裝置，用以配置於一使用者的至少一眼睛前方，虛像顯示裝置包括一影像顯示單元、一第一分光單元以及一折射反射單元。影像顯示單元提供一影像光束。第一分光單元配置於影像光束及來自一外界物體的一實體光束的傳遞路徑上，並且第一分光單元將至少部分實體光束傳遞至眼睛，並且第一分光單元將至少部分影像光束傳遞至折射反射單元。其中，折射反射單元包括一透鏡部以及一反射部，並且透鏡部包括一第一彎曲表面。反射部配置於透鏡部的第一彎曲表面上，其中至少部分影像光束依序通過透鏡部、被反射部反射、再次通過透鏡部及被第一分光單元傳遞至眼睛。

為讓本發明之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1是本發明之一實施例中的虛像顯示裝置，請參照圖1，在本實施例中，虛像顯示裝置100配置於一使用者UR的至少一眼睛E前方，虛像顯示裝置100包括一影像顯示單元110、一第一分光單元120以及一折射反射單元130。影像顯示單元110提供一影像光束IB。第一分光單元120配置於影像光束IB及來自一外界物體(例如為使用者週遭環境的任何物體)的一實體光束PB的傳遞路徑上，並且第一分光單元120將至少部分實體光束PB傳遞至眼 睛E，並且第一分光單元120將至少部分影像光束IB傳遞至折射反射單元130。在本實施例中，第一分光單元120可將至少部分實體光束PB反射至眼睛E，然而在其他實施例中，第一分光單元120亦可藉由其他光學機構設計使部份實體光束PB穿透以傳遞至眼睛E，本發明並不以此為限。

在本實施例中，折射反射單元130可包括一透鏡部132以及一反射部134。反射部134被配置於透鏡部132的第一彎曲表面S1上，其中至少部分影像光束IB依序通過透鏡部132、被反射部134反射、再次通過透鏡部132及被第一分光單元120傳遞至眼睛E。在本實施例中，反射部134可以是透鏡部132在第一彎曲表面S1上的一反射膜，例如為金屬鍍膜或多層鍍膜，然本發明不以此為限。藉此，影像光束IB與實體光束PB可被使用者UR眼睛E的眼睛觀看到而產生重疊影像的感覺。舉例而言，影像光束IB可以是影像顯示裝置110所顯示使用者UR當時所在之地的氣象情報(如一小時內的天氣變化狀況)，而實體光束PB則可為使用者UR當時所在之地的環境影像，使用者UR可藉此即時地觀看到真實的環境情況以及影像顯示裝置110所提供之對應當時環境的氣象資訊，可便利使用者的生活。此外，影像顯示裝置110亦可用以顯示其他資訊，如路況、路況導航資訊、使用者UR附近的店家資訊、購物資訊等。

詳細而言，如圖1中所繪示，第一分光單元120讓影 像顯示單元110所發出的至少部分影像光束IB穿透而傳遞至折射反射單元130，第一分光單元120將被折射反射單元130反射的至少部分影像光束IB反射至眼睛E，且第一分光單元120讓至少部分實體光束PB穿透而傳遞至眼睛E。然而，在其他實施例中，亦可具有其他不同的光路組合設計，本發明不以此為限。

並且，在本實施例中，虛像顯示裝置100可更包括一波片(wave plate)140，配置於至少部分影像光束IB的傳遞路徑上，且位於第一分光單元120與折射反射單元130之間，其中第一分光單元120可為一偏振分光器(Polarizing beam splitter)。進一步而言，在本實施例中，波片140可為一四分之一波片(quarter wave plate)，影像光束IB在通過第一分光單元120後具有一第一線偏振態P1。或者，影像顯示裝置110所發出的影像光束IB亦可以是具有第一線偏振態P1的光束，因此影像光束IB可穿透第一分光單元120。舉例而言，當影像顯示裝置110為一液晶顯示面板時，即可發出線偏振影像光束IB。在其他實施例中，影像顯示裝置110亦可以是有機發光二極體顯示器、空間光調變器或其他適當的顯示器。此外，影像光束IB接著依序經過波片140、透鏡部132、反射部134、回到透鏡部132、與再次通過波片140而形成一第二線偏振態P2，其中第一線偏振態P1與第二線偏振態P2垂直，因此具有第二線偏振態P2可被第一反射單元120反射而朝向眼睛E傳遞。舉例而言，第一線偏振態P1相對於第一分光單元120而 言例如為P偏振態，而第二線偏振態P2相對於第一分光單元120而言例如為S偏振態。然而，在其他實施例中，第一分光單元120亦可為一部分穿透部分反射分光元件，例如為中性密度濾光片或半穿透半反射鏡，而此時可以不採用波片140。

進一步而言，當折射反射單元130的焦距越小，則虛像顯示裝置100的視角會增加，並且撘配的其他光學元件的尺寸也會相應增加，然而如此一來，離軸光的像差(aberration)如畸變(distortion)、場曲(field curvature)與像散(astigmatism)之類的像差會變得明顯進而影響影像品質。因此，在本實施例中，虛像顯示裝置100可更包括一補償透鏡150，補償透鏡150配置於影像光束IB的傳遞路徑上，且位於影像顯示單元110與第一分光單元120之間。當折射反射單元130由於需要較大視角而設計具有較小的焦距時，補償透鏡150可補償因此所產生的像差，進而可改善影像品質。舉例而言，在本實施例中，如圖1所繪示，反射折射單元130的透鏡部132的為一正彎月型透鏡，並且透鏡部132更具有一相對於第一彎曲表面S1的第二彎曲表面S2，第一彎曲表面S1為背對第一分光單元120的凸面，且第二彎曲表面S2為朝向第一分光單元120的凹面。並且補償透鏡150可為一雙凸透鏡，然而本發明不以此為限。

詳細而言，在本實施例中，補償透鏡150與折射反射單元130的屈光度皆為正值。並且，補償透鏡150的焦距 小於折射反射單元130的焦距。換言之，在本實施例中，透鏡部132可為凸透鏡且反射部134為一凹面鏡，並且折射反射單元130的焦距在本實施例中意即透鏡部132與反射部134所綜合形成的有效焦距(effective focal length)，藉此，在本實施例中，影像顯示單元110可藉由配置於折射反射單元130的有效焦距與補償透鏡150的焦距所綜合形成的總焦距內，以對使用者UR的眼睛E產生一正立放大虛像。此外，當補償透鏡150的配置於影像顯示單元110與第一分光單元120之間時，且補償透鏡150的焦距小於折射反射單元130的有效焦距時，可有效地修正上述之像差而可改善影像品質。

更詳細而言，請參考圖1，在本實施例中，在虛像顯示裝置100符合d-Σ A<f，其中d為影像顯示單元110到折射反射單元130的第二彎曲表面S2的距離，f為折射反射單元130的焦距，A為影像顯示單元110至折射反射單元130之間沿著光軸AX的光路徑上之任一位置的光程長度與實際長度的差值除以位置的折射率後所得到的比值，且Σ A為影像顯示單元110至折射反射單元130之間沿著光軸AX的光路徑上之所有位置的A之總和，其中所有位置的A至少部分不相同。具體而言，在本實施例中，d-Σ A<f可表示為： 其中，OPL_i意即為影像顯示單元110至折射反射單元130之間沿著光軸AX的光路徑上之任一位置附近的一個微小 的實際長度(例如是任一位置至下一個位置間的一個微小的距離)中的光程長度，而t_i為影像顯示單元110至折射反射單元130之間沿著光軸AX的光路徑上之任一位置附近的一個微小的實際長度(例如是任一位置至下一個位置間的一個微小的距離)，n_i為影像顯示單元110至折射反射單元130之間沿著光軸AX的光路徑上之任一位置的折射率。所以，OPL_i亦可表示為n_i×t_i。當光路徑上的位置的數目趨近於無限大而t_i趨近於0時，Σ運算子的概念即成為積分的概念。值得注意的是，在本實施例中，由於補償透鏡150、第一分光單元120、折射反射單元130與波片140等光學元件皆配置於空氣中(亦即折射率接近於1)，因此在影像顯示單元110至折射反射單元130之間沿著光軸AX的光路徑上，配置上述之光學元件之處光程長度OPL_i才會與實際長度t_i有差異，而其餘配置於空氣中的部分之光程長度OPL_i與實際長度t_i實質上相等，亦即光程長度OPL_i與實際長度t_i的差值為零。此外，在本實施例中，亦假設每一個光學元件的折射率為一定值(亦即假設光學元件都是均勻的材質)，藉此，上式可簡化為： 其中，nj代表任一光學元件(如圖1中所繪示的補償透鏡150、第一分光單元120、折射反射單元130與波片140等光學元件)的折射率，而k代表在影像顯示單元110至折射反射單元130之間沿著光軸AX的光路徑上所包括的光學 元件的數量(在本實施例中例如四個，亦即k=4)，而tj則代表任一光學元件(如圖1中所繪示的補償透鏡150、第一分光單元120、折射反射單元130與波片140等光學元件)沿著光軸AX上的厚度。舉例而言，在本實施例中，n₁可代表補償透鏡150的折射率，n₂可代表第一分光單元120的折射率，而t₁可代表補償透鏡150的沿著光軸AX上的厚度，t₂可代表第一分光單元120沿著光軸AX上的厚度，依此類推。然而，上述之光學元件的數量僅用於舉例說明本實施例，在其他實施例中可具有不同數量與折射率的材質，並且上述之光學元件亦可配置於折射率不等於1的材質中，本發明不以此為限。

更進一步而言，在本實施例中，眼睛E可透過第一分光單元120觀察到對應於影像顯示單元110之一第一虛像V1，其中第一分光單元120位於第一虛像V1與眼睛E之間。其中，為了讓使用者UR可以與虛像顯示裝置100互動而提供更多資訊，第一虛像V1的位置可位於使用者UR的人手或手持物體能夠觸及的位置。舉例而言，在本實施例中，為了便於觀看及互動，第一虛像V1的尺寸可大於10英吋，並且當第一虛像V1位於眼睛E的前方20公分處時，此時虛像顯示裝置100符合1.31^＊(d-Σ A)<f，再依據上述之敘述可將前式簡化如下式： 又或者是，當第一虛像V1位於眼睛E的前方更遠處，如 100公分處時，此時虛像顯示裝置100符合1.2275^＊(d-Σ A)<f，再依據上述之敘述可將前式簡化如下式： 換言之，可藉由改變影像顯示單元110到折射反射單元130的距離d，而改變眼睛E所觀察到的第一虛像V1的位置。更進一步而言，對於有近視或遠視的使用者，虛像顯示裝置100可更配置有一調整機構以改變影像顯示單元110到折射反射單元130的距離d，來適應不同使用者眼睛的屈光度，因此有近視或遠視的使用者可不必額外佩帶矯正眼鏡而亦可清楚地觀察虛像顯示裝置100所顯示的畫面。或者是，使用者可依據個人習慣調整影像顯示單元110到折射反射單元130的距離d的位置以相對應地改變第一虛像V1的位置，以利使用手指或其他手持物體與虛像顯示裝置100之互動。

此外，在本實施例中，為了使得眼睛E所觀察到的影像更清晰，折射反射單元130的阿貝數(abbe number)小於40且補償透鏡150的阿貝數(abbe number)大於40，以減少光學元件本身對於影像光束IB的色差(color aberration)效應而可進一步提升影像品質。並且，為了便於使用者UR觀看與操作，虛像顯示裝置的全視角(field of view，FOV)可大於29度，並可藉由前述之補償透鏡150補償由於折射反射單元130尺寸增加以增加視角所造成的像差，詳細敘述請參照與補償透鏡150相關之敘述，在此不再贅述。此外，虛像顯示裝置100可利用單個涵蓋雙眼的視覺範圍的影像顯示單元110或是兩個分別對應使用者UR雙眼的影像顯示單元110以提供眼睛E平面影像，亦可利用兩個分 別對應使用者UR雙眼的影像顯示單元110以產生立體影像，本發明不以此為限。

圖2A是依照圖1實施例中的虛像顯示裝置的局部示意圖，圖2B是依照圖2A中的虛像顯示裝置的調制轉換函數圖(modulation transfer function，MTF)，圖2C是依照圖2A中的虛像顯示裝置由人眼所觀察到的第一虛像與格線的相差比較圖(亦即畸變圖)，請參照圖1、圖2A至圖2C，在本實施例中，影像顯示裝置110、補償透鏡150、第一分光單元120、折射反射單元130與波片140可共同設計以決定第一虛像V1的成像特性。其中，詳細的光學參數設計如表1A：

其中，表1A中的曲率半徑是以毫米(mm)為單位，而材質中的’OKP4HT’代表聚酯纖維(polyester)，其折射率約為1.633且阿貝數約為(23.3)。而BK7代表一種光學玻璃，其折射率約為1.517且阿貝數約為64.2。而Z-E48R代表另一種光學玻璃，其折射率約為1.53且阿貝數約為55.。材質欄的編號為業界公用的材質編號。並且，表1A中的表面F1至F14分別如圖2A中所繪示，其代表光束由眼睛E出發而傳至影像顯示單元110的路徑上所依序經過的表面。其中，表面F0代表第一虛像V1的位置，而F14代表影像顯示單元110的顯示面。表面F1代表虛像顯示裝置100的出瞳(Exit pupil)，本發明虛像顯示裝置100的出瞳直徑為8毫米，可讓眼睛E的瞳孔能在表面F1的出瞳直徑8毫米範圍內移動而虛像品質仍可不受影響。換言之，眼睛E的瞳孔在配戴虛像顯示裝置100時仍可具在一定的移動範圍內觀看到良好的虛像品質，藉此可讓眼睛E能夠自然地觀看虛像所顯示之內容而不致使眼睛E容易疲勞。表面F2代表光被第一反射單元120反射的介面。表面F3與F4代表波片140的兩表面。表面F5代表反射折射單元130的第二彎曲表面S2而表面F6代表第一彎曲表面S1。接著，當光被第一彎曲表面S1上的反射部134反射後，再次通過反射折射單元130上的內表面(即表面F7)而再次經過波片140的表面F8及F9並傳遞至第一反射單元120(即表面F10)，再通過第一反射單元120的表面F11並傳遞至補償透鏡150的表面F12及F13而傳遞至影像顯示 單元110的顯示面。其中，上述的表面之間距代表這些表面與下一表面之間的距離，在本實施例中，表面F0代表第一虛像V1的位置，距離為負值，經過反射面之後的距離變成負值，再經過反射面之後的距離變成正值，依此類推。然本發明不以此為限，上述之說明與表格僅用於輔助說明本實施例。此時，眼睛E瞳孔的大小設定為3毫米(mm)。請再參照圖2B與圖2C，由圖2B可觀察到虛像顯示裝置100的調制轉換函數在空間頻率為20週期/毫米時，其調制值皆大於0.8，甚至當空間頻率為45週期/毫米時，調制值仍大於0.5，換言之，虛像顯示裝置100的設計可使得第一虛像V1的對比度以及影像清晰度良好，並且像差對第一虛像V1的影響程度小。並且，如圖2C所繪示，在本實施例中，第一虛像V1在表面F0上的X軸-Y軸平面上的成像的畸變(distortion)很小，更精確而言，在本實施例中，第一虛像V1在表面F0上的X軸-Y軸平面上的成像的畸變小於2%。此處的百分比是將第一虛像V1與一標準格線作比較所得之比值。進一步而言，在本實施例中，第一虛像V1設計為10英吋，反射折射單元130的焦距為32.58毫米，補償透鏡150的焦距為14.88毫米。第一虛像V1距離眼睛E約48公分，並且影像顯示裝置110到反射折射單元130的距離為28.79毫米，此時，(d-Σ A)/f=1.24，且第一虛像V1的全視角為29.62度。藉此，虛像顯示裝置100可以精巧的裝置體積與較少的透鏡提供影像品質良好的第一虛像V1。此外，上述之非球面的非球 面參數可參照表1B如下： 其中，非球面的函數如下式：

其中，Z(Y)為表面頂點或相關垂直線沿光軸AX方向之偏移量，C是密切球面(osculating sphere)的半徑之倒數，也就是接近光軸AX處的曲率半徑(如表一內F5、F6、F7、F12與F13的曲率半徑)的倒數。k是二次曲面係數(conic)，Y是非球面高度，即為從透鏡中心往透鏡邊緣的高度，而A₄、A₆、A₈以及A₁₀為非球面係數(aspheric coefficient)，藉此，虛像顯示裝置100可在具有精簡體積之情況下，表現出良好的成像品質。

更進一步而言，在本實施例中，虛像顯示裝置100的橫向允許誤差範圍(eye box)為直徑是8毫米的圓形範圍。而縱向允許誤差範圍(eye relief)為5.7毫米，換言之，在此橫向允許誤差範圍與縱向允許誤差範圍所形成的圓柱範圍內所觀看到的第一虛像V1的影像差異不大，藉此，虛像顯示裝置100在使用上更具使用彈性。

請再參照圖1，在本實施例中，虛像顯示裝置100可更包括一影像感測模組160及一控制單元170。影像感測模組160可偵測手指或手持物體與第一虛像V1的一位置關係，並且控制單元170根據此位置關係控制影像顯示單元110所顯示的第一虛像V1以與使用者UR互動。在本實施例中，影像成測模組160例如是一影像深度感測器而控制單元170例如是微處理器(micro controller)。舉例而言，當使用者UR佩戴虛像顯示裝置100搭乘公車時，虛像顯示裝置100可根據目前所在之公車站提供公車時刻表(亦即第一虛像V1)以供使用者UR參考，而當使用者UR利用手指點選公車時刻表時，影像感測模組160可偵測使用者UR手指尖端的移動方向與動作，進而回饋控制影像顯示單元110產生對應使用者UR手指尖端的公車時刻表翻頁或關閉的影像，進而可達到使用者UR與虛像顯示裝置100互動以取得更多資訊，可便利使用者UR的生活。更進一步而言，影像感測模組160例如可根據使用者UR的手指指尖的位置，控制影像顯示單元110以選擇性地使對應其位置的影像取消，而可使得使用者UR感覺其手指正在公車時刻表(即第一虛像V1)上移動，而可更進一步地增加使用者UR在使用上的真實感與直覺感。

詳細而言，虛像顯示裝置100可更包括一第二分光單元122，第一分光單元120配置於眼睛E與第二分光單元122之間。其中，如圖1中所繪示，實體光束PB在經過第一分光單元120後的傳遞光路與影像光束IB在經過第一分 光單元120後的傳遞光路重合。並且，第一分光單元120與第二分光單元122實質上平行，然本發明不以此為限。在本實施例中，第二分光單元122與第一分光單元120可為相同光學元件或不同光學元件，本發明不以此為限，舉例而言，第一分光元件120與第二分光元件122可皆為偏極化分光片或是部分穿透部分反射分光元件，亦或是，第一分光元件120可為偏極化分光片而第二分光元件122可為部分穿透部分反射分光元件等變化組合，在此不再贅述。此外，虛像顯示裝置100可更具有一成像鏡頭180配置於第二分光單元122與影像感測模組160之間以使實體光束PB良好地成像於影像感測模組160，其中成像鏡頭180的光學性質可配合影像感測模組160而設計，在此不再贅述。

並且，在本實施例中，第二分光單元122反射部分實體光束PB至影像感測模組160，並且第二分光單元122使另一部分的實體光束PB穿透並朝向第一分光單元120傳遞以傳遞至眼睛E，然本發明不以此為限，在其他實施例中，亦可具有不同的光路設計(如第二分光單元122可反射部分實體光束PB至眼睛E)，而可具有與本實施例相似之功效。詳細而言，在本實施例中，如圖1中所繪示，影像感測模組160可配置於影像顯示單元110旁，部分實體光束PB被第二分光單元122反射而朝向影像感測模組160傳遞，且另一部分實體光束PB穿透第一分光單元120而傳遞至眼睛E，並且實體光束PB與影像光束IB的傳遞光 路共光路且共光軸。

更詳細而言，在本實施例中，眼睛E所觀察到的實體光束PB的全視角大於影像光束IB的全視角，並且實體光束PB由外界物體(例如為使用者UR週遭環境的物體)發出並傳遞至眼睛E的距離大於或等於眼睛E所觀察到的第一虛像V1與眼睛E的距離。換言之，使用者UR在佩戴虛像顯示裝置100時，眼睛E可透過虛像顯示裝置100以較大視角觀看到身邊的週遭環境影像(即週遭物體的影像)，並且在需要時可透過虛像顯示裝置100以較小視角觀看到視覺距離較近的第一虛像V1所顯示的影像內容。藉此，使用者UR可在保持與身邊週遭環境的距離感的情況下，與虛像顯示裝置100互動以取得其他資訊，同時亦可維持使用者UR的使用安全，避免視覺混淆而造成使用上的危險。

圖3A是依照圖1實施例中的虛像顯示裝置的局部示意圖，圖3B是依照圖3A中的虛像顯示裝置的調制轉換函數圖(modulation transfer function，MTF)，圖3C是依照圖3A中的虛像顯示裝置由人眼所觀察到的實體光束與格線的相差比較圖，請參照圖1、圖3A至圖3C，在本實施例中，影像感測模組160與第二分光單元122可共同設計以決定實體光束PB的成像特性。其中，詳細的光學參數設計如表2A：

其中，表2A中的曲率半徑是以毫米(mm)為單位，而材質中的’OKP4HT’代表聚酯纖維(polyester)，其折射率約為1.633且阿貝數約為(23.3)。而BK7_SCHOTT代表一種光學玻璃，其折射率約為1.517且阿貝數約為64.2。而Z-E48R代表另一種光學玻璃，其折射率約為1.53且阿貝數約為55.8。並且，表1中的表面G1至G14分別如圖3A中所繪示。其中，表面F0代表實體光束PB的傳遞起始位置，而表面G14代表影像感測模組160。並且，表面G1與表面G2代表第二分光單元122的反射表面，而表面G5代表成像透鏡180的孔徑的表面。在本實施例中，成像透鏡180例如可包括具有表面G3與表面G4的第一透鏡 181、具有表面G6與表面G7的第二透鏡182、具有表面G8與表面G9的第三透鏡183、具有表面G10與表面G11的第四透鏡184以及具有表面G12與表面G13的第五透鏡185，而實體光束PB可在依序通過上述表面後傳遞到影像感測模組160的表面G14上。此時，眼睛E瞳孔的大小設定為3毫米(mm)。值得注意的是，表面G3到G13，亦即圖3A中的成像鏡頭180中各透鏡的表面僅用於舉例說明本實施例，然而在其他實施例中可依照實際的影像感測模組160而有所不同，本發明不以此為限。詳細而言，在本實施例中，成像鏡頭180的成像焦距例如為4.5毫米，且成像鏡頭180的鏡頭總長度為4.5毫米，並且實體光束PB的全視角為41.6度(大於第一虛像V1的全視角29.62度)。

此外，上述之非球面的非球面參數可參照表2B如下： 其中，表2B中的參數意義可參照表1B中所述，在此不再贅述。藉此，成像鏡頭180可藉此良好地將實體光束PB成像於影像感測模組160上。

請再參照圖3B與圖3C，由圖2B可觀察到虛像顯示裝置100的調制轉換函數在空間頻率為40週期/毫米時， 其調制值皆大於0.8，換言之，虛像顯示裝置100的設計可使得實體光束PB(例如可以是使用者身處環境中的真實物件)的對比度以及影像清晰度佳，並且像差對實體光束PB的影響程度小。並且，如圖3C所繪示，在本實施例中，實體光束PB在表面G0上的X軸-Y軸平面上的成像的畸變(distortion)很小，更精確而言，在本實施例中，實體光束PB在表面F0上的X軸-Y軸平面上的成像的畸變小於2%。此處的百分比是將實體光束PB與一標準格線作比較所得之比值。

圖4繪示出將圖2A與圖3A合併而成的虛像顯示裝置的示意圖，請參照圖4，在本實施例中，可藉由圖2A與圖3A所述之設計使得實體光束PB與影像光束IB共光軸而不致產生視角誤差。並且，環境物件OB所產生的實體光束PB與眼睛E的距離L相較於第一虛像V1與眼睛E的距離可相同或更遠(在本實施例中例如為48公分)，並且第一分光元件120與第二分光元件122例如相距10毫米，然本發明不以此為限。藉此可讓使用者易於辨識真實的實體光束PB與第一虛像V1，而便於操作與佩戴使用。

為了使虛像顯示裝置100在使用上更準確以及符合人類直覺，本發明之一實施例中亦提供一種校正方法用以校正虛像顯示裝置100中影像顯示單元110所顯示的第一虛像V1與影像感測模組160以及使用者UR的手之間的空間關係。校正方法於後續詳述之。

圖5A至圖5C繪示出本發明之另一實施例中的虛像顯 示裝置的校正方法的操作示意圖，請參照圖5A至圖5C，在本實施例中，校正方法主要可分為兩個部份，首先，由於影像感測模組160無法直接拍攝影像顯示單元110所顯示的第一虛像V1，換言之，影像感測模組160在校正之前無法判斷使用者UR的眼睛實際上所觀看到的影像所位於的空間位置。因此，如圖5A所繪示，在本實施例中，校正方法可先包括利用一配置於使用者UR眼睛的觀看位置附近的一輔助影像感測模組160A來感測第一虛像V1之位置。詳細而言，輔助影像感測模組160A可先移動至位置LC1並透過第一分光單元120拍攝第一虛像V1與配置於拍攝光路上的校正板CB。此時，輔助影像感測模組160A可同時拍攝到第一虛像V1以及校正板CB上的定位點CBP。接著，輔助影像感測模組160A可再移動至位置LC2並透過第一分光單元120拍攝第一虛像V1與配置於拍攝光路上的校正板CB。此時，輔助影像感測模組160A可由另一角度同時拍攝到第一虛像V1以及校正板CB上的定位點CBP。由於位置LC1與位置LC2已知，因此可藉著比較輔助影像感測模組160A在位置LC1以及位置LC2上所拍攝到的影像上的定位點CBP的位置，而能得知校正板CB在空間中的一位置關係矩陣M1，且亦能進一步利用三角關係推算出第一虛像V1在空間中的位置。

請接著參照圖5B，影像感測模組160可拍攝校正板CB與定位點CBP，而可得到定位點CBP的另一位置關係矩陣M2。由於此時輔助影像感測模組160A與第一虛像 V1以及校正板CB的關係為已知，因此可再藉由比較影像感測模組160以及輔助影像感測模組160A所分別拍攝到的定位點CBP的位置，進而可推算出影像感測模組160以及第一虛像V1之間的位置關係轉換矩陣M，舉例而言，位置關係轉換矩陣M可藉由位置關係矩陣M1^＊M2^-1推算而出。換言之，藉由上述的校正方式，可推得影像感測模組160與第一虛像V1的關係、輔助影像感測模組160A與第一虛像V1的關係，以及影像感測模組160以及輔助影像感測模組160A之間的關係。亦即，雖然影像感測模組160無法直接拍攝到第一虛像V1，然而影像感測模組160仍可透過輔助影像感測模組160A以取得第一虛像V1所位於的位置關係轉換矩陣M，並以此作為影像感測模組160對第一虛像V1的校正預設值。當影像感測模組160已對第一虛像V1校正後，可移除輔助影像感測模組160A，並完成第一部份的校正方法。

接著，請再參照圖5C，第一部分的校正方法校正了虛像顯示裝置100。當使用者UR每次配戴使用虛像顯示裝置100時都會有些許佩戴上的位置誤差，此誤差雖小，然而對於光學成像可能會造成影響，進而使得第一部份已校正好的虛像顯示裝置100在使用上仍有位置不準以及測距誤差等情形，進而造成使用上的不適感。因此，在使用者UR使用前，可先佩戴虛像顯示裝置100並進行第二部份的校正方法，以使虛像顯示裝置100眼睛因應眼睛EB的位置而改變影像顯示單元110投影畫面的位置。其中， 第二部份方法可包括當使用者UR佩戴虛像顯示裝置100後，藉由使用者UR的指尖TP觸碰校正板CB上的定位點CBP。由於影像感測模組160已對第一虛像V1校正，並且影像感測模組160亦可判斷出指尖TP的空間位置，因此影像感測模組160可推算出指尖TP與第一虛像V1之關係，而可再利用指尖TP與第一虛像V1的關係。舉例而言，如圖5C中所繪示，當指尖TP觸碰定位點CBP1與定位點CBP2後，由於影像感測模組160已知道第一虛像V1的兩個對應定位點CBP1與定位點CBP2的虛像定位點VP1與VP2，因此，可藉由虛像定位點VP1與定位點CBP1的連線延長線L1以及虛像定位點VP2與定位點CBP2的連線延長線L2的延伸交會點G，來判斷使用者UR的眼睛EB的佩戴位置。值得注意的是，上述的二個定位點CBP1與CBP2僅用於例示說明本實施例，在其他實施例中，亦可具有更多定位點以更進一步確認立體空間中的眼睛EB的位置。值得注意的是，在本實施例中所述之第一虛像V1位於空間中的位置是指由使用者UR眼睛EB方向觀看所感受到的第一虛像V1與眼睛EB的距離，而非實際上真的有一物體存在於第一虛像V1所處的空間中。

因此，當影像感測模組160、使用者UR的手以及第一虛像V1之間的位置關係確定之後，虛像顯示裝置100可更進一步地增進使用者UR之間的互動以使得操作使用上更具真實感與直覺性。舉例而言，在本實施例中，若影像顯示單元110顯示多個按鈕的虛像(即第一虛像V1)時， 當使用者UR的指尖TP移動到這些按鈕上但是並未按下時，影像感測模組160可判斷使用者UR的指尖TP在空間中與第一虛像V1所處的位置在空間中的位置對於眼睛EB而言深度不同，因此影像感測模組160可將使用者UR的指尖TP輪廓形狀回饋給影像顯示單元110，以使影像顯示單元110將第一虛像V1中使用者UR的指尖TP之處的影像消除，以使得使用者UR看起來感覺指尖TP位於第一虛像V1之上方，進而可增加操作上的直覺性以及真實感，亦可避免造成使用者視覺上的混亂(例如鬼影或疊影的現象)。而當使用者UR的指尖TP壓下第一虛像V1中的按鈕時，影像感測模組160可感測指尖TP與第一虛像V1在空間中的位置接近，進而可將此一資訊回饋給虛像顯示裝置100，以使得第一虛像V1產生變化(如顯示按鈕被壓下，並產生翻頁或是執行此一按鈕之功能)，進而可達到與使用者UR互動的功效，並更添增操作上的舒適感與直覺性。綜上所述，本發明之一實施例藉由折射反射單元的透鏡部與反射部折射並反射影像顯示單元所發出的影像光束，可有效地減少虛像顯示裝置的體積與重量並仍具有良好的成像品質，再搭配補償透鏡修正虛像顯示裝置的光學系統中的像差，藉此虛像顯示裝置可在具有精巧的體積的同時亦能提供使用者良好的顯示影像。並且，影像感測模組感測使用者手部或手持物體的動作，再藉由控制單元控制影像顯示單元所顯示的第一虛像對應使用者的動作而改變，藉此可達到與使用者互動的功效。此外，虛像顯示裝 置中的眼睛所觀察到的第一虛像的全視角小於使用者週遭的實際物體所產生的實體光束的全視角，因此使用者在與第一虛像互動的同時，亦能分清實際的影像與顯示器所顯示的影像並與週遭環境保持良好的距離感，以維持使用者在使用上的方便性與安全性。

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，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧虛像顯示裝置

110‧‧‧影像顯示單元

120‧‧‧第一分光單元

122‧‧‧第二分光單元

130‧‧‧折射反射單元

132‧‧‧透鏡部

134‧‧‧反射部

140‧‧‧波片

150‧‧‧補償透鏡

160‧‧‧影像感測模組

160A‧‧‧輔助影像感測模組

170‧‧‧控制單元

180‧‧‧成像透鏡

181‧‧‧第一透鏡

182‧‧‧第二透鏡

183‧‧‧第三透鏡

184‧‧‧第四透鏡

185‧‧‧第五透鏡

AX‧‧‧光軸

C1、C2‧‧‧曲率中心

CB‧‧‧校正板

CBP、CBP1、CBP2‧‧‧定位點

d‧‧‧距離

E、EB‧‧‧眼睛

F0、F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10、F11、F12、F13、F14、G0、G1、G2、G3、G4、G5`G6、G7、G8、G9、G10、G11、G12、G13、G14‧‧‧表面

G‧‧‧延伸交會點

IB‧‧‧影像光束

L1、L2‧‧‧延長線

LC1、LC2‧‧‧位置

OB‧‧‧環境物件

PB‧‧‧實體光束

P1‧‧‧第一線偏振態

P2‧‧‧第二線偏振態

S1‧‧‧第一彎曲表面

S2‧‧‧第二彎曲表面

TP‧‧‧指尖

UR‧‧‧使用者

V1‧‧‧第一虛像

圖1是本發明之一實施例中的虛像顯示裝置。

圖2A是依照圖1實施例中的虛像顯示裝置的局部示意圖。

圖2B是依照圖2A中的虛像顯示裝置的調制轉換函數圖。

圖2C是依照圖2A中的虛像顯示裝置由人眼所觀察到的第一虛像與格線的相差比較圖。

圖3A是依照圖1實施例中的虛像顯示裝置的局部示意圖。

圖3B是依照圖3A中的虛像顯示裝置的調制轉換函數圖。

圖3C是依照圖3A中的虛像顯示裝置由人眼所觀察到的實體光束與格線的相差比較圖。

圖4繪示出將圖2A與圖3A合併而成的虛像顯示裝置的示意圖。

圖5A至圖5C繪示出本發明之另一實施例中的虛像顯示裝置的校正方法的操作示意圖。

100‧‧‧虛像顯示裝置

110‧‧‧影像顯示單元

120‧‧‧第一分光單元

122‧‧‧第二分光單元

130‧‧‧折射反射單元

132‧‧‧透鏡部

134‧‧‧反射部

140‧‧‧波片

150‧‧‧補償透鏡

160‧‧‧影像感測模組

170‧‧‧控制單元

180‧‧‧成像透鏡

AX‧‧‧光軸

C1、C2‧‧‧曲率中心

d‧‧‧距離

E‧‧‧眼睛

IB‧‧‧影像光束

PB‧‧‧實體光束

P1‧‧‧第一線偏振態

P2‧‧‧第二線偏振態

S1‧‧‧第一彎曲表面

S2‧‧‧第二彎曲表面

UR‧‧‧使用者

V1‧‧‧第一虛像

Claims (26)

1. 一種虛像顯示裝置，用以配置於一使用者的至少一眼睛前方，該虛像顯示裝置包括：一影像顯示單元，提供一影像光束；一第一分光單元，配置於該影像光束及來自一外界物體的一實體光束的傳遞路徑上，該第一分光單元將至少部分該實體光束傳遞至該眼睛；以及一折射反射單元，該第一分光單元將至少部分該影像光束傳遞至該折射反射單元，該折射反射單元包括：一透鏡部，具有一第一彎曲表面；以及一反射部，配置於該透鏡部的該第一彎曲表面上，其中該至少部分影像光束依序通過該透鏡部、被該反射部反射、再次通過該透鏡部及被該第一分光單元傳遞至該眼睛，其中，該虛像顯示裝置符合d-Σ A<f，其中d為該影像顯示單元到該折射反射單元的距離，f為該折射反射單元的焦距，A為該影像顯示單元至該折射反射單元之間沿著光軸的光路徑上之任一位置的光程長度與實際長度的差值除以該位置的折射率後所得到的比值，且Σ A為該影像顯示單元至該折射反射單元之間沿著該光軸的光路徑上之所有位置的A之總和，其中該所有位置的A至少部分不相同。
2. 如申請專利範圍第1項所述之虛像顯示裝置，其中該第一分光單元讓該影像顯示單元所發出的至少部分該影 像光束穿透而傳遞至該折射反射單元，該第一分光單元將被該折射反射單元反射的至少部分該影像光束反射至該眼睛，且該第一分光單元讓至少部分該實體光束穿透而傳遞至該眼睛。
3. 如申請專利範圍第1項所述之虛像顯示裝置，更包括一波片，配置於該至少部分影像光束的傳遞路徑上，且位於該第一分光單元與該折射反射單元之間，其中該第一分光單元為一偏振分光器。
4. 如申請專利範圍第1項所述之虛像顯示裝置，其中該第一分光單元為一部分穿透部分反射分光元件。
5. 如申請專利範圍第1項所述之虛像顯示裝置，其中該虛像顯示裝置更包括一補償透鏡，該補償透鏡配置於該影像光束的傳遞路徑上，且位於該影像顯示單元與該第一分光單元之間。
6. 如申請專利範圍第5項所述之虛像顯示裝置，其中該補償透鏡與該折射反射單元的屈光度皆為正值。
7. 如申請專利範圍第6項所述之虛像顯示裝置，其中該補償透鏡的焦距小於該折射反射單元的焦距。
8. 如申請專利範圍第1項所述之虛像顯示裝置，其中該虛像顯示裝置更滿足：1.2275*(d-Σ A)<f。
9. 如申請專利範圍第5項所述之虛像顯示裝置，其中該折射反射單元的阿貝數(abbe number)小於40與補償透鏡的阿貝數(abbe number)大於40。
10. 如申請專利範圍第1項所述之虛像顯示裝置，其 中該折射反射單元的該透鏡部為一透鏡，且該反射部為該透鏡遠離該影像顯示單元一表面上的反射鍍膜。
11. 如申請專利範圍第10項所述之虛像顯示裝置，其中該反射折射單元的該透鏡部為一正彎月型透鏡，並且該透鏡部更具有一相對於該第一彎曲表面的第二彎曲表面，該第一彎曲表面為背對該第一分光單元的凸面，且該第二彎曲表面為朝向該第一分光單元的凹面。
12. 如申請專利範圍第1項所述之虛像顯示裝置，其中該補償透鏡為一雙凸透鏡。
13. 如申請專利範圍第1項所述之虛像顯示裝置，其中該虛像顯示裝置的全視角>29度。
14. 如申請專利範圍第1項所述，該虛像顯示裝置提供該眼睛平面影像或立體影像。
15. 如申請專利範圍第1項所述之虛像顯示裝置，其中該眼睛透過該第一分光單元觀察到對應於該影像顯示單元之一第一虛像，其中該第一分光單元位於該第一虛像與該眼睛之間。
16. 如申請專利範圍第15項所述之虛像顯示裝置，其中該第一虛像的位置位於該眼睛前方的20公分至100公分處。
17. 如申請專利範圍第15項所述之虛像顯示裝置，其中該第一虛像的尺寸大於10英吋。
18. 如申請專利範圍第15項所述之虛像顯示裝置，更包括一影像感測模組及一控制單元，該影像感測模組偵測 手指或手持物體與該第一虛像的一位置關係，並且該控制單元根據該位置關係控制該影像顯示單元所顯示的該第一虛像以與該使用者互動。
19. 如申請專利範圍第18項所述之虛像顯示裝置，更包括一第二分光單元，該第一分光單元配置於該眼睛與該第二分光單元之間，其中該實體光束在經過該第一分光單元後的傳遞光路與該影像光束在經過該第一分光單元後的傳遞光路重合。
20. 如申請專利範圍第19項所述之虛像顯示裝置，其中該第二分光單元反射部分該實體光束至該影像感測模組，並且該第二分光單元使另一部分的該實體光束穿透並朝向該第一分光單元傳遞以傳遞至該眼睛。
21. 如申請專利範圍第19項所述之虛像顯示裝置，其中該第一分光單元與該第二分光單元實質上平行。
22. 如申請專利範圍第19項所述之虛像顯示裝置，其中該第二分光單元為一偏極化分光片。
23. 如申請專利範圍第19項所述之虛像顯示裝置，其中該第二分光單元為一部分穿透部分反射分光元件。
24. 如申請專利範圍第19項所述之虛像顯示裝置，其中該眼睛所觀察到的該實體光束的全視角大於該影像光束的全視角。
25. 如申請專利範圍第19項所述之虛像顯示裝置，其中該實體光束由該外界物體傳遞至該眼睛的距離大於或等於該眼睛所觀察到的該第一虛像與該眼睛的距離。
26. 如申請專利範圍第18項所述之虛像顯示裝置，其中該影像感測模組配置於該影像顯示單元旁，部分該實體光束被該第二分光單元反射而朝向該影像感測模組傳遞，且另一部分該實體光束穿透該第一分光單元而傳遞至該眼睛，並且該實體光束與該影像光束的傳遞光路共光路且共光軸。