TWI883623B - 影像顯示裝置 - Google Patents

Abstract

影像顯示裝置包括多個微透鏡組以及成像裝置。微透鏡組以陣列形式排列。微透鏡組接收顯示影像，並分別產生多個影像光束，影像光束的行進方向不相互平行。成像裝置接收影像光束，聚焦影像光束以分別產生多個影像光束，並投射該影像光束至目標區，以使各影像光束在目標區進行成像。

Description

影像顯示裝置

本發明是有關於一種影像顯示裝置，且特別是有關於一種可提升輸出影像的視野範圍的影像顯示裝置。

在擴增實境（Augmented Reality, AR）的技術領域中，多採用固定影像深度之光學設計，例如波導式（waveguide）以及鳥盆式（birdbath）兩種架構。鳥盆式架構利用幾何光學方式實現大視野與優異的影像解析度，但其光學效率及整機輕薄度受光學架構限制。波導式架構雖能實現輕薄眼鏡型態的擴增實境產品，但其視野受限於選用基板的折射率有其視野的理論上限值。同時上述兩者架構因其固定影像焦面的特性，會使用者會因輻輳調節衝突（Vergence Accommodation Conflict，VAC）現象而產生不適感。

視網膜投影的擴增實境裝置可克服上述的輻輳調節衝突現象所產生不適感。在視網膜投影設計中，大多使用全像光學元件（holographic optical element, HOE）。透過全像光學元件，可記錄光學元件的特性而得到具有大的視野的影像。但由於全像光學元件為繞射元件，對於入射光之波長相當敏感，故這一類方案大多僅使用在單色光源的應用上。

本發明提供一種影像顯示裝置，可提升輸出影像的視野。

本發明的影像顯示裝置包括多個微透鏡組以及成像裝置。微透鏡組以陣列形式排列。微透鏡組接收顯示影像，並分別產生多個影像光束，影像光束的行進方向不相互平行。成像裝置接收影像光束，聚焦影像光束以分別產生多個影像光束，並投射影像光束至目標區，以使各影像光束在目標區進行成像。

基於上述，本發明的影像顯示裝置透過微透鏡組以產生多個行進方向不相互平行的影像光束，並藉以擴展輸出影像的視野範圍（Field of View, FOV），並可避免全像光學元件( holographic所產生的色散現象，提高影像的品質。

請參照圖1，圖1繪示本發明一實施例的影像顯示裝置的示意圖。影像顯示裝置100包括影像投射器130、多個微透鏡組111~113以及成像裝置120。影像顯示裝置100可應用在虛擬實境（Virtual Reality, VR）顯示器、擴增實境（Augmented Reality, AR）顯示器以及混合實境（Mixed Reality, MR）顯示器中。微透鏡組111~113與成像裝置120可沿相同的光軸進行配置。微透鏡組111~113以陣列形式進行排列。微透鏡組111~113可用以接收影像投射器130發出的顯示影像DIM，其中顯示影像DIM可根據顯示位置以區分為多個輸出子影像SDIM1~SDIM3，微透鏡組111~113分別用以接收輸出子影像SDIM1~SDIM3，並針對輸出子影像SDIM1~SDIM3進行準直，以分別產生多個影像光束IB1、IB2以及IB3。值得注意的，在本實施例中，影像光束IB1、IB2以及IB3的行進方向彼此間不相互平行。並且，各個影像光束IB1、IB2以及IB3中可具有的多個影像子光束，彼此間是相互平行的。例如，在影像光束IB1中，影像子光束IB1_1、IB1_2以及IB1_3彼此間是相互平行的。

此外，成像裝置120用以接收影像光束IB1~IB3，用以聚焦所接收的影像光束IB1~IB3以分別產生多個影像光束VIB1~VIB3。成像裝置120並用以投射影像光束VIB1~VIB3至一目標區，並使影像光束VIB1~VIB3在目標區進行成像，並分別產生多個成像點IP1~IP3，其中目標區對應使用者的眼球EYE的位置。

在本實施例中，成像裝置120包括透鏡組121以及分光鏡122。透鏡組121設置在微透鏡組111~113以及分光鏡122間。微透鏡組111~113為聚焦透鏡組，用以準直影像光束IB1~IB3，並透過透鏡組121對影像光束IB1~IB3進行聚焦以分別產生聚焦的影像光束VIB1~VIB3。透鏡組121發送聚焦的影像光束VIB1~VIB3至分光鏡122的一反射面RF1。分光鏡122的反射面RF1接收影像光束VIB1~VIB3，並將影像光束VIB1~VIB3反射至目標區，以使影像光束VIB1~VIB3可在使用者的眼球EYE上產生多個成像點IP1~IP3。

在此請注意，在本實施例中，基於影像光束IB1~IB3分別對應顯示影像DIM的多個分區影像SDIM1~SDIM3，且聚焦的影像光束VIB1~VIB3分別對應影像光束IB1~IB3。因此，影像光束VIB1~VIB3所產生的成像點IP1~IP3分別可以為對應分區影像SDIM1~SDIM3的多個輸出子影像。在此可參照圖2繪示的本發明實施例的影像顯示裝置所產生的輸出影像的示意圖。其中，影像顯示裝置100所產生的輸出影像200可由多個輸出子影像210~230拼接而成。輸出子影像210~230可分別對應影像光束VIB1~VIB3所產生的成像點IP1~IP3。

由上述說明可以得知，透過拼接多個輸出子影像210~230以產生輸出影像200，本發明實施例的影像顯示裝置100可有效擴展輸出影像200的影像視野，有效提升影像品質。

進一步的，在輸出影像200的影像視野有效被擴充的前提下，在使用者旋轉眼球時，不會因為發生成像點未落於瞳孔中而造成影像缺失的現象。

附帶一提的，在圖1的實施例中，透鏡組121可以包括一個或多個鏡片來組合而成。透鏡組121可包括至少一聚焦透鏡，例如雙凸透鏡、凹凸透鏡、凸平透鏡或平凸透鏡等。分光鏡122則可以為平面鏡。分光鏡122所提供的影像光束VIB1~VIB3的反射角度可根據使用者眼球EYE，與影像光束VIB1~VIB3的入射方向的相對位置關係來設置，沒有一定的限制。

請參照圖3，圖3繪示本發明另一實施例的影像顯示裝置的示意圖。影像顯示裝置300包括影像投射器330、多個微透鏡組311~313以及成像裝置320。微透鏡組311~313與成像裝置320可沿相同的光軸進行配置。微透鏡組311~313以陣列形式進行排列。微透鏡組311~313可用以接收顯示影像DIM，其中顯示影像DIM可根據顯示位置以區分為多個輸出子影像SDIM1~SDIM3，微透鏡組311~313分別用以接收輸出子影像SDIM1~SDIM3，並針對輸出子影像SDIM1~SDIM3進行準直，以分別產生多個影像光束IB1、IB2以及IB3。值得注意的，在本實施例中，影像光束IB1、IB2以及IB3的行進方向彼此間不相互平行。

在本實施例中，影像投射器330用以發射顯示影像DIM。其中影像投射器330可以是任意形式的投影機，例如雷射掃描式投影機。

此外，成像裝置320用以接收影像光束IB1~IB3，用以聚焦所接收的影像光束IB1~IB3以分別產生多個聚焦的影像光束VIB1~VIB3。成像裝置320並用以投射影像光束VIB1~VIB3至一目標區，並使影像光束VIB1~VIB3在目標區進行成像，並分別產生多個成像點IP1~IP3，其中目標區對應使用者的眼球EYE的位置。

在本實施例中，成像裝置320包括聚焦面鏡321以及分光鏡322。分光鏡322可接收影像光束IB1~IB3，並透過反射影像光束IB1~IB3來分別產生多個第一光束AIB1~AIB3。分光鏡322並發射多個第一光束AIB1~AIB3至聚焦面鏡321的反射面。聚焦面鏡321接收第一光束AIB1~AIB3，透過反射並聚焦第一光束AIB1~AIB3以分別產生多個影像光束VIB1~VIB3，再投射影像光束VIB1~VIB3至分光鏡322。在本實施例中，聚焦面鏡321可以為一凹面鏡。

此外，影像光束VIB1~VIB3可透射分光鏡322，並被傳送至使用者的眼球EYE所在的目標區。影像光束VIB1~VIB3並可在眼球EYE上分別形成多個成像點IP1~IP3。其中，成像點IP1~IP3分別對應顯示影像DIM的多個分區影像，並用以產生多個輸出子影像。多個輸出子影像可拼接成完整的一輸出影像。進一步的，在輸出影像的影像視野有效被擴充的前提下，在使用者旋轉眼球時，不會因為發生成像點未落於瞳孔中而造成影像缺失的現象。

以下請參照圖4，圖4繪示本發明另一實施例的影像顯示裝置的立體架構的示意圖。影像顯示裝置400包括影像投射器430、多個微透鏡組ML11~ML33、分光鏡422以及聚焦面鏡421。微透鏡組ML11~ML33設置在X-Z平面上，並以陣列的方式進行排列。微透鏡組ML11~ML33接收沿Y軸方向發射的顯示影像DIM，並分別產生多個影像光束。在此請注意，本實施例中，微透鏡組ML11~ML33所產生的影像光束的特性與前述實施例中的影像光束IB1~IB3的特性相同，在此恕不多贅述。

其中，X、Y、Z為笛卡爾座標系（Cartesian coordinate system）的三個軸。

分光鏡422以及聚焦面鏡421構成成像裝置。在本實施例中，微透鏡組ML11~ML33以及分光鏡422沿顯示影像DIM的光軸進行配置，並且，分光鏡422則配置在聚焦面鏡421以及微透鏡組ML11~ML33間。在本實施例中，分光鏡422以及聚焦面鏡421產生成像點的方式與本案圖3的實施例中，成像裝置320產生成像點IP1~IP3的方法相同，在此不多贅述。其中，分光鏡422以及聚焦面鏡421在成像點區IPZ中，可透過聚焦多個影像光束來產生多個成像點。成像點區IPZ可以為目標區，並可對應使用者的眼球的位置進行設置。

值得一提的，在本實施例中，微透鏡組ML11~ML33可以3乘以3的陣列來進行排列。在本發明其他實施例中，微透鏡組也可以應用N乘以N的陣列來進行排列，其中N可以為大於3的任意奇數，例如5乘以5、7乘以7等等。

透過二維排列的微透鏡組ML11~ML33，本實施例的影像顯示裝置400可在成像點區IPZ產生二維的多個輸出子影像，並透過拼接這些輸出子影像，可產生完成的輸出影像。

在本實施例中，透過使多個輸出子影像可拼接成完整的輸出影像，可有效擴展輸出影像的影像視野。進一步的，在輸出影像的影像視野有效被擴充的前提下，在使用者旋轉眼球時，不會因為發生成像點未落於瞳孔中而造成影像缺失的現象。

綜上所述，本發明的影像顯示裝置透過設置多個微透鏡組，並使微透鏡組可產生多個不同角度且不相互干涉的平行影像光束，並藉以擴展影像光束的分佈範圍。並且，藉由成像裝置聚焦影像光束在目標區產生多個成像點。透過拼接多個成像點對應的多個輸出子影像來產生輸出影像。如此一來，成像點的分佈區域可以有效得到擴展，輸出影像的視野可對應得到擴展。例如，當將人眼放在中心視點時，當轉動眼球會切換所觀看的視點，能在人眼視網膜上將影像拼接成較大視野之影像。並且，在本發明實施例中，可在不需要過大的空間來設置微透鏡組，則可達成擴展輸出影像的視野的效果，同時可在使用者的眼球轉動時，保有可視的影像。

100、300、400:影像顯示裝置 111~113、311~313、ML11~ML33:微透鏡組 120、320:成像裝置 121:透鏡組 122、322、422:分光鏡 130、330、430:影像投射器 200:輸出影像 210~230:輸出子影像 321、421:聚焦面鏡 AIB1~AIB3:第一光束 DIM:顯示影像 EYE:眼球 IB1、IB2、IB3:影像光束 IB1_1、IB1_2、IB1_3:影像子光束 IPZ:成像點區 RF1:反射面 SDIM1~SDIM3:輸出子影像 VIB1~VIB3:影像光束 X、Y、Z:軸

圖1繪示本發明一實施例的影像顯示裝置的示意圖。 圖2繪示本明實施例的影像顯示裝置所產生的輸出影像的示意圖。 圖3繪示本發明另一實施例的影像顯示裝置的示意圖。 圖4繪示本發明另一實施例的影像顯示裝置的立體架構的示意圖。

100:影像顯示裝置

111、112、113:微透鏡組

120:成像裝置

121:透鏡組

122:分光鏡

130:影像投射器

DIM:顯示影像

EYE:眼球

IB1、IB2、IB3:影像光束

IB1_1、IB1_2、IB1_3:影像子光束

RF1:反射面

SDIM1~SDIM3:輸出子影像

VIB1~VIB3:影像光束

Claims (11)

1. 一種影像顯示裝置，包括：多個微透鏡組，以陣列形式排列，該些微透鏡組接收一顯示影像，並分別產生多個影像光束，該些影像光束的行進方向不相互平行；以及一成像裝置，接收該些影像光束，聚焦該些影像光束以分別產生多個聚焦的影像光束，並投射該些聚焦的影像光束至一目標區，以使各該影像光束在該目標區進行成像，其中，該些影像光束的行進方向相互發散。
2. 如請求項1所述的影像顯示裝置，其中各該影像光束具有相互平行的多個影像子光束。
3. 如請求項1所述的影像顯示裝置，其中該些影像光束在該目標區產生多個成像點。
4. 如請求項1所述的影像顯示裝置，其中該成像裝置包括：一透鏡組，接收該些影像光束，聚焦該些影像光束以分別產生該些影像光束；以及一分光鏡，具有反射面以接收該些影像光束，反射該些影像光束至該目標區。
5. 如請求項4所述的影像顯示裝置，其中該透鏡組包括至少一凸透鏡。
6. 如請求項1所述的影像顯示裝置，其中該成像裝置包括：一分光鏡，接收該些影像光束，反射該些影像光束以分別產生多個第一光束；以及一聚焦面鏡，接收該些第一光束，反射並聚焦該些第一光束以分別產生該些聚焦的影像光束，並投射該些聚焦的影像光束至該分光鏡，其中，該些聚焦的影像光束穿透該分光鏡並被投射至該目標區。
7. 如請求項6所述的影像顯示裝置，其中該聚焦面鏡為一凹面鏡。
8. 如請求項1所述的影像顯示裝置，其中該些微透鏡組排列成N乘以N的陣列，N為大於或等於3的奇數。
9. 如請求項1所述的影像顯示裝置，其中各該微透鏡組分別接收該顯示影像的多個分區影像。
10. 如請求項1所述的影像顯示裝置，其中該些影像光束在該目標區分別成像為多個輸出子影像，該些輸出子影像拼接為一輸出影像。
11. 如請求項1所述的影像顯示裝置，更包括：一影像投射器，用以發射該顯示影像。

Images