TWI614525B - 近眼顯示裝置 - Google Patents

Abstract

一種近眼顯示裝置，包含至少一投影系統。投影系統用以將影像投影至目標位置，其中投影系統包含影像輸出模組、物鏡組、孔徑編碼模組以及目鏡組。影像輸出模組用以提供影像。物鏡組用以接收該影像之光線，其中物鏡組包含第一透鏡群與第二透鏡群。孔徑編碼模組用以接收來自第一透鏡群的該影像的光線並將該影像的光線傳送至第二透鏡群，其中孔徑編碼模組時序性地提供多個編碼圖案，以使物鏡組將影像時序性地轉換為多個中繼像。目鏡組用以將中繼像傳送至目標位置。

Description

近眼顯示裝置

本發明是關於一種近眼顯示裝置。

我們生活在三維的世界，然而傳統的顯示技術僅僅提供缺少深度資訊的二維顯示。二維顯示大大限制了人們對豐富多彩世界獲取認知的信息量。電子技術、光學技術和光電子技術等的快速發展促進了三維顯示技術發展。三維顯示技術提供顯示物體的深度資訊，契合現代人對於資訊獲取的需求。所以三維技術在學術界和商業界得到廣泛的關注。

光場近眼顯示技術是實現三維顯示的一種最簡便的方法。在近眼顯示中引入了光場重構的概念，對於任一三維重構點至少有二根光線進入瞳孔，從而人眼可以方便地對不同深度的圖像進行自由調焦，使得觀看更加接近真實和自然。現有的光場近眼顯示技術採用空間多工(spatial-multiplex)方法，其利用透鏡陣列產生多個視角的影像來達到光場效果，但此方法也降低了影像的解析度。

本發明之多個實施方式提供一種近眼顯示裝置，採用時間多工(time-multiplex)方法與多個具有不同反射圖案的孔徑編碼模組，而達到光場效果。孔徑編碼模組具有多個編碼，編碼孔徑依時序組成不同的反射圖案，而依時序形成多個對應反射圖案的影像，進而提升景深。於部份實施方式中，可以設計反射圖案彼此獨立，將所有獨立的視角資訊加總而構成光場。或者，於部份實施方式中，可以設計反射圖案彼此相依且編碼，將所有相依的視角資訊加總而構成光場，而進一步提升影像亮度。

本發明之一態樣提供一種近眼顯示裝置，包含至少一投影系統。投影系統用以將影像投影至目標位置，其中投影系統包含影像輸出模組、物鏡組、孔徑編碼模組以及目鏡組。影像輸出模組用以提供影像。物鏡組用以接收該影像之光線，其中物鏡組包含第一透鏡群與第二透鏡群。孔徑編碼模組用以接收來自第一透鏡群的該影像的光線並將該影像的光線傳送至第二透鏡群，其中孔徑編碼模組時序性地提供多個編碼圖案，以使物鏡組將影像時序性地轉換為多個中繼像。目鏡組用以將中繼像傳送至目標位置。

於本發明之一或多個實施方式中，投影系統包含第一內全反射鏡。第一內全反射鏡用以將來自第一透鏡群的光線傳送至孔徑編碼模組且將來自孔徑編碼模組的反射光線傳送至第二透鏡群。

於本發明之一或多個實施方式中，影像輸出模組包含固態光源陣列以及微顯示單元。微顯示單元用以接收來自固態光源陣列的光線，並產生影像。

於本發明之一或多個實施方式中，影像輸出模組更包含第二內全反射鏡。第二內全反射鏡用以將來自固態光源陣列的光線傳送至微顯示單元且將來自微顯示單元的反射光線傳送至物鏡組。

於本發明之一或多個實施方式中，微顯示單元與孔徑編碼模組皆為數位微型反射鏡元件(Digital Micromirror Device；DMD)。

於本發明之一或多個實施方式中，每一編碼圖案係為一反射圖案。

於本發明之一或多個實施方式中，編碼圖案的反光區域不在同一位置上。

於本發明之一或多個實施方式中，編碼圖案的至少部份反光區域在同一位置上。

於本發明之一或多個實施方式中，影像輸出模組包含至少一種固態光源，影像輸出模組之固態光源之種類之數量為A，影像輸出模組的每秒傳輸量為B，編碼圖案的數量小於B/A/60。

於本發明之一或多個實施方式中，投影系統更包含反射鏡，用以接收來自物鏡組的光線並將該光線反射至該目鏡組。

於本發明之一或多個實施方式中，投影系統的數量為二個。

於本發明之一或多個實施方式中，孔徑編碼模組包含多個編碼孔徑(coded aperture)以時序性地提供該些編碼圖案，編碼孔徑位於孔徑編碼模組的不同位置。

於本發明之一或多個實施方式中，編碼孔徑以二維陣列排列。

以下將以圖式揭露本發明之多個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式為之。

第1圖為本發明之部分實施方式之近眼顯示裝置NED之平面示意圖。近眼顯示裝置NED包含至少一投影系統100。投影系統100用以將影像投影至目標位置P1(例如使用者的視網膜上)。投影系統100包含影像輸出模組110、物鏡組120、孔徑編碼模組130以及目鏡組140。影像輸出模組110用以提供影像。物鏡組120用以接收影像，其中物鏡組120包含第一透鏡群122與第二透鏡群124。孔徑編碼模組130用以接收來自第一透鏡群122的光線並將該光線傳送至第二透鏡群124之間，其中孔徑編碼模組130時序性地提供多個編碼圖案，以使物鏡組120將影像時序性地轉換為多個中繼像RM。目鏡組140用以將這些中繼像RM傳送至目標位置P1，以構成光場。

本發明之多個實施方式中，設計孔徑編碼模組130依時序具有多個不同的編碼圖案，不同的編碼圖案決定不同的視角資訊。舉例而言，本發明之多個實施方式中，孔徑編碼模組130可為數位微型反射鏡元件(Digital Micromirror Device；DMD)，孔徑編碼模組130的編碼圖案係為反射圖案。數位微型反射鏡元件是一個由許多微小的反射鏡片組成的距陣，每個鏡片代表了一個像素。每個鏡片都有獨立的驅動，透過控制元件可以將每一個微鏡分別設置在開或關的狀態，決定是否要將光射入預定位置(例如物鏡組120)中。如此一來，可以依時序設計孔徑編碼模組130具有多個不同的反射圖案。於其他實施方式中，孔徑編碼模組130可為矽基液晶(Liquid Crystal On Silicon；LCOS)。應瞭解到，於部份實施方式中，孔徑編碼模組130可以是穿透的編碼圖案，不應以以下實施方式中所述之反射圖案限制本發明之範圍。

成像系統的景深與其光圈的大小有關。於此，設計孔徑編碼模組130之編碼圖案的尺寸可以小於原本光線分布的範圍，而作為近眼顯示裝置NED的光圈，進而提升近眼顯示裝置NED的景深。此外，藉由組合孔徑編碼模組130之多個不同的編碼圖案所對應的影像，可以構成一完整的光場。如此一來，使用者可以在該光場內體驗到具有景深的立體視覺的效果。以下先詳細介紹本實施方式之投影系統100的具體架構，稍後再詳細說明孔徑編碼模組130的操作方式。

參照第1圖，於本發明之一或多個實施方式中，投影系統100還包含第一內全反射鏡(Total Internal Reflection Prism；TIR Prism)150。第一內全反射鏡150用以將來自第一透鏡群122的光線傳送至孔徑編碼模組130且將來自孔徑編碼模組130的反射光線傳送至第二透鏡群124。透過第一內全反射鏡150能耦合第一透鏡群122與第二透鏡群124的操作光線路徑。

於此，採用第一內全反射鏡150以將來自第一透鏡群122的光線經過孔徑編碼模組130傳送至第二透鏡群124，但應了解到不應以此限制本發明之範圍。於其他實施方式中，可以採用該領域其他常見的方式以將入射與反射自孔徑編碼模組130的光線路徑區分開來，舉例而言，當光線為偏振光時，例如孔徑編碼模組130為矽基液晶時，可以採用偏振分光鏡與四分之一波板的配置，而取代第一內全反射鏡。

於本發明之一或多個實施方式中，影像輸出模組110包含固態光源陣列112、微顯示單元114、第二內全反射鏡116。固態光源陣列112可以包含至少一種固態光源，例如紅光光源、綠光光源或藍光光源，其可以由發光二極體或有機發光二極體所組成。第二內全反射鏡116用以將來自固態光源陣列112的光線傳送至微顯示單元114且將來自微顯示單元114的反射光線傳送至物鏡組120。微顯示單元114用以接收來自固態光源陣列112的光線。如同孔徑編碼模組130，微顯示單元114亦可為數位微型反射鏡元件。微顯示單元114可對應選擇性地反射光線，以形成預定的影像。於其他實施方式中，微顯示單元114可為矽基液晶。

同樣地，本實施方式中，採用第二內全反射鏡116將來自固態光源陣列112的光線經過微顯示單元114調整後傳送至物鏡組120，但應了解到不應以此限制本發明之範圍。於其他實施方式中，可以採用該領域其他常見的方式以將入射與反射自微顯示單元114的光線路徑區分開來，舉例而言，當光線為偏振光時，可以採用偏振分光鏡與四分之一波板的配置，而取代第二內全反射鏡。

固態光源陣列112與第二內全反射鏡116之間還可以配置其他光學元件，例如圖中繪示透鏡與反射鏡，透鏡可將光線聚集到孔徑編碼模組130的各個單元上，反射鏡可壓縮光路所佔據的空間，進而縮小投影系統100的體積。

於本發明之部分實施方式中，雖然微顯示單元114與孔徑編碼模組130可以皆是數位微型反射鏡元件，但兩者所提供的功效並不相同。微顯示單元114用以選擇性地反射光線，以形成預定的影像。孔徑編碼模組130用以提供編碼圖案作為光圈。該技術領域具有通常知識者可以以其他具有相同功效的元件取代本實施方式的設置。

於本發明之一或多個實施方式中，投影系統100更包含反射鏡170，用以接收來自物鏡組120的光線並將光線反射至目鏡組140，以縮小投影系統100的體積。此外，目鏡組140由複數個透鏡組成，以將中繼像RM縮小並傳送至目標位置P1，以在目標位置P1形成光場。

第2圖為第1圖之近眼顯示裝置NED之孔徑編碼模組130之平面圖。第3圖為第2圖之孔徑編碼模組130之操作示意圖。同時參照第1圖至第3圖，於本發明之一或多個實施方式中，孔徑編碼模組130包含多個編碼孔徑131~135(coded aperture)，編碼孔徑131~135位於130孔徑編碼模組的不同位置，分別可以獨立地驅動而反射或不反射光線。藉由編碼孔徑131~135，孔徑編碼模組130可依時序提供複數個編碼圖案(在此指反射圖案130a~130e)，以將影像依時序轉換為多個中繼像RM。中繼像RM經過目鏡組140後成像於使用者的視網膜上，多個中繼像RM組合而形成具有高解析度的影像。

詳細而言，可以設計圖中孔徑編碼模組130的編碼孔徑131~135依序開啟，而使孔徑編碼模組130依時序具有五個不同的反射圖案130a~130e，即編碼孔徑131~135依序為這些反射圖案130a~130e的反光區域，且這些反射圖案130a~130e的反光區域不在同一位置上，即這些反射圖案130a~130e彼此互相獨立。孔徑編碼模組130的反射圖案130a~130e依序產生複數個中繼像RM，這些中繼像RM經過目鏡組140成像於視網膜上，而使視網膜上依序具有不同的視角資訊。於此，由此這些反射圖案的反光區域彼此互相獨立，視網膜上的視角資訊也大致互相獨立，組合後可呈現完整的光場資訊。

本發明之多個實施方式中透過上述的孔徑編碼模組110可以提高景深。請參考景深計算公式：D² b/(A±bD)，其中b是容許模糊圈直徑，A是光圈的孔徑寬度，即孔徑編碼模組130的反射圖案的反光區域的寬度，D是透鏡的焦距。由於本發明之多個實施方式中，降低了孔徑編碼模組130的孔徑寬度(即A)，因此可以提高景深。舉例而言，於此依序開啟編碼孔徑131~135，根據第3圖的孔徑編碼模組130的反射圖案130a~130e，其反光區域大約為孔徑編碼模組130完整面積的的一半，可以提高兩倍的景深。

但應了解到不應以此限制本發明之範圍，於部份實施方式中，反射圖案彼此可以不互相獨立，其可以具有適當的編碼，可以參考後續第5圖的實施方式。

第4圖為第1圖之近眼顯示裝置NED之多個元件之操作示意圖。同時參照第1圖、第3圖以及第4圖。於此，以影像輸出模組110包含三種固態光源，紅光光源、綠光光源以及藍光光源為例，第4圖中以R、G以及B分別表示紅光光源、綠光光源以及藍光光源的操作。如圖所示，第4圖中依序開啟紅光光源、綠光光源以及藍光光源，以達到較佳的解析度。

為了使人眼能觀察到動態的連續影像，設計上每秒呈現60張動態變化的影像。有鑑於本實施方式中孔徑編碼模組130的反射圖案130a~130e的數量為五個，為了使每張影像皆能透過反射圖案130a~130e形成各個視角的資訊，且為了提升整體的解析度採用時序性輸出不同顏色的影像，則影像輸出模組110的每秒傳輸量應至少設計為900張(5乘以3乘以60)。

換一個方式來說，於本發明之一或多個實施方式中，反射圖案的數量應依據影像輸出模組110之固態光源之種類以及影像輸出模組110的每秒傳輸量而設計。具體而言，若欲以每秒60張影像成像的速率於視網膜上，且影像輸出模組110之固態光源之種類之數量為A，影像輸出模組110的每秒傳輸量為B，則編碼口徑之反射圖案的數量可設計小於B/A/60。

第5圖為本發明之部份實施方式之孔徑編碼模組130於另一實施方式中之操作示意圖。本實施方式與第5圖之實施方式相似，差別在於：本實施方式之孔徑編碼模組130依時序具有不同的反射圖案130f~130i，且這些反射圖案130f~130i並非互相獨立(或者稱為相依)。更明確地說，至少部份反射圖案130f~130i的部份反光區域在同一位置上。於此，這些不互相獨立的反射圖案130f~130i可以經過編碼，而使同一反射圖案帶有多個視角的資訊。這些視角的資訊經過目鏡140於視網膜上重合，而產生完整的光場資訊。此外，藉由這些相依的視角資訊，可以降低反射圖案130f~130i的數量，進而提升光場的亮度與解析度。

於本實施方式中，孔徑編碼模組130的編碼孔徑136是為方形，且以二維陣列排列而依序形成反射圖案130f~130i。當然不應以此限制本發明之範圍，編碼孔徑136亦可以是以一維陣列或同心環狀方式排列。本實施方式的其他細節大致上如前所述，在此不在贅述。

第6圖為本發明之另一實施方式之近眼顯示裝置NED之平面示意圖。本實施方式與第1圖之實施方式相似，差別在於：本實施方式之近眼顯示裝置NED包含二個投影系統100。於此，兩個投影系統100的影像輸出模組110可以分別提供左眼與右眼不同的影像資訊，左眼與右眼的影像資訊在使用者的大腦中組合，進而產生立體影像的效果。

如前所述，投影系統100透過孔徑編碼模組130用以對影像進行編碼，以在不同時序產生多個不同的中繼像RM。目鏡組140將這些中繼像RM傳送至目標位置P1、P2，以構成光場。

於本實施方式中，投影系統100的影像輸出模組110僅簡單繪示為直接採用能提供影像的顯示模組。應瞭解到，影像輸出模組110可以採用第1圖的配置方式。本實施方式的其他細節大致上如第1圖的實施方式所述，在此不再贅述。

本發明之多個實施方式提供一種近眼顯示裝置，採用時間多工(time-multiplex)方法與多個具有不同反射圖案的孔徑編碼模組，而達到光場效果。孔徑編碼模組具有多個編碼，編碼孔徑依時序組成不同的反射圖案，而依時序形成多個對應反射圖案的影像，進而提升景深。於部份實施方式中，可以設計反射圖案彼此獨立，將所有獨立的視角資訊加總而構成光場。或者，於部份實施方式中，可以設計反射圖案彼此相依且編碼，將所有相依的視角資訊加總而構成光場，而進一步提升影像亮度。

雖然本發明已以多種實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此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‧‧‧投影系統
110‧‧‧影像輸出模組
112‧‧‧固態光源陣列
114‧‧‧微顯示單元
116‧‧‧第二內全反射鏡
120‧‧‧物鏡組
122‧‧‧第一透鏡群
124‧‧‧第二透鏡群
130‧‧‧孔徑編碼模組
130a~130i‧‧‧反射圖案
131~136‧‧‧編碼孔徑
140‧‧‧目鏡組
150‧‧‧第一內全反射鏡
170‧‧‧反射鏡
P1‧‧‧目標位置
RM‧‧‧中繼像
NED‧‧‧近眼顯示裝置

第1圖為本發明之部分實施方式之近眼顯示裝置之平面示意圖。 第2圖為第1圖之近眼顯示裝置之孔徑編碼模組之平面圖。 第3圖為第2圖之孔徑編碼模組之操作示意圖。 第4圖為第1圖之近眼顯示裝置之多個元件之操作示意圖。 第5圖為本發明之部份實施方式之孔徑編碼模組於另一實施方式中之操作示意圖。 第6圖為本發明之另一實施方式之近眼顯示裝置之平面示意圖。

100‧‧‧投影系統

110‧‧‧影像輸出模組

112‧‧‧固態光源陣列

114‧‧‧微顯示單元

116‧‧‧第二內全反射鏡

120‧‧‧物鏡組

122‧‧‧第一透鏡群

124‧‧‧第二透鏡群

130‧‧‧孔徑編碼模組

140‧‧‧目鏡組

150‧‧‧第一內全反射鏡

170‧‧‧反射鏡

P1‧‧‧目標位置

RM‧‧‧中繼像

NED‧‧‧近眼顯示裝置

Claims (13)

1. 一種近眼顯示裝置，包含至少一投影系統，用以將一影像投影至一目標位置，其中該投影系統包含： 一影像輸出模組，用以提供該影像； 一物鏡組，用以接收該影像之光線，其中該物鏡組包含一第一透鏡群與一第二透鏡群； 一孔徑編碼模組，用以接收來自該第一透鏡群的該影像的光線並將該影像的光線傳送至該第二透鏡群，其中該孔徑編碼模組時序性地提供複數個編碼圖案，以使該物鏡組將該影像時序性地轉換為複數個中繼像；以及 一目鏡組，用以將該些中繼像傳送至該目標位置。
2. 如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中該投影系統包含： 一第一內全反射鏡，用以將來自該第一透鏡群的光線傳送至該孔徑編碼模組且將來自該孔徑編碼模組的反射光線傳送至該第二透鏡群。
3. 如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中該影像輸出模組包含： 一固態光源陣列；以及 一微顯示單元，用以接收來自該固態光源陣列的光線，並產生該影像。
4. 如請求項3所述之近眼顯示裝置，其中該影像輸出模組更包含： 一第二內全反射鏡，用以將來自該固態光源陣列的光線傳送至該微顯示單元且將來自該微顯示單元的反射光線傳送至該物鏡組。
5. 如請求項3所述之近眼顯示裝置，其中該微顯示單元與該孔徑編碼模組皆為數位微型反射鏡元件(Digital Micromirror Device；DMD)。
6. 如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中每一該些編碼圖案係為一反射圖案。
7. 如請求項6所述之近眼顯示裝置，其中該些編碼圖案的反光區域不在同一位置上。
8. 如請求項6所述之近眼顯示裝置，其中該些編碼圖案的至少部份反光區域在同一位置上。
9. 如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中該影像輸出模組包含至少一種固態光源，該影像輸出模組之該固態光源之種類之數量為A，該影像輸出模組的每秒傳輸量為B，該些編碼圖案的數量小於B/A/60。
10. 如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中該投影系統更包含： 一反射鏡，用以接收來自該物鏡組的光線並將該光線反射至該目鏡組。
11. 如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中該投影系統的數量為二個。
12. 如請求項1所述之近眼顯示裝置，其中該孔徑編碼模組包含複數個編碼孔徑(coded aperture)以時序性地提供該些編碼圖案，該些編碼孔徑位於該孔徑編碼模組的不同位置。
13. 如請求項12所述之近眼顯示裝置，其中該些編碼孔徑以二維陣列排列。