TW202419921A - 穿戴設備的微投影顯示裝置 - Google Patents

Abstract

一種穿戴設備的微投影顯示裝置，包含一載體、一整合三束分光為一合光的合光單元、一用於使通過的合光聚焦成像的光學單元、一發光單元，及一出光單元。該發光單元包括三個用於發射該等分光的發光元件。每一該發光元件與該合光單元單元界定出一工作距離。該出光單元用於決定該合光的行進方向，及掃描出一可視的像點，並將該像點投射至人眼的一適眼區域(eye box)。藉此，通過該光學單元整合光束的功能，大幅縮減整體的體積，及通過該光學單元與該出光單元的成像功能，實現較大的可視範圍，進而提升穿戴時的舒適性。

Description

穿戴設備的微投影顯示裝置

本發明是有關於一種投影顯示裝置，特別是指一種穿戴設備的微投影顯示裝置。

近眼顯示裝置(Near Eye Display, NED)或頭戴式顯示裝置(Head-Mounted Display, HMD)是目前巿面上較常見的穿戴設備。由於穿戴設備穿戴於人體，因此，體積及重量成為是否符合人體工學，及是否能兼具舒適性的關鍵。另外，NED或HMD是一種基於人眼觀看的視覺顯示裝置，在有限的空間範圍內，要同時實現較大的可視範圍(field of View, FOV)及體積小、重量輕，成為了一個重大的技術挑戰。

參閱圖1，以一種使用投影技術的頭戴式顯示裝置1為例，主要是通過一顯示器11將生成一影像的光束投影於一反射鏡12，再通過該反射鏡12將該影像呈現於人眼的一適眼區域(eye box)。

該適眼區域(eye box)指的是該反射鏡12與眼球間的一個區塊，由於可視角度較大，因此，在不影響觀看的情形下允許眼球移動。惟，使用投影技術的頭戴式顯示裝置1配備該顯示器11，不僅成本較高，且重量較重。

參閱圖2，另有一種使用雷射光束掃描技術(Laser Beam Scanning)的頭戴式顯示裝置2，主要是通過一合光鏡21將三束不同色系且由三個雷射二極體22發射的分光整合成一合光，再通過一微振鏡23(MEMS mirror)以掃描的方式，將該合光投射在一自由曲面的反射鏡24。藉此，使緊密的光束由該反射鏡24通過人眼的瞳孔，及在人眼的視網膜成像。

使用雷射光束掃描技術的頭戴式顯示裝置2，不僅成本較低，且能夠縮減體積，及減輕重量。惟，由於雷射光束掃描技術是在人眼的視網膜成像，只要眼球移動，瞳孔的位置就會改變，以致於光束無法通過瞳孔，有無法成像或成像不清晰的技術問題。

因此，諸如中國專利公開號第CN111665622號專利案、美國專利公開號第US2016/0166146號專利案、美國專利公開號第US2017/0276934號專利案，都提出了一種能夠通過檢測元件追踪瞳孔位置的技術，用以使光束能夠準確地通過瞳孔。

惟，由於眼球會反射光線，而影響檢測時的準確性。且即使光束可以通過瞳孔，仍然會受限於瞳孔的孔徑及位置，有視角極小的技術問題。

因此，本發明之目的，即在提供一種能夠大幅縮減體積，及擴大可視角的穿戴設備的微投影顯示裝置。

於是，本發明穿戴設備的微投影顯示裝置，該穿戴設備包含一第一反射鏡，該第一反射鏡用於將至少一可視的像點投射至人眼的一適眼區域(eye box)，該微投影顯示裝置包含一載體、一合光單元、一光學單元、一發光單元，及一出光單元。

該合光單元安裝在該載體，並具有至少一入光面，及一出光面，該合光單元用於將三束不同色系且由該至少一入光面進入的分光，整合成一束通過該出光面且沿一合光路徑行進的合光。

該光學單元包括一第一光學鏡片，該第一光學鏡片設置在該合光路徑上，且用於使該合光在該合光路徑上聚焦且生成一像點。

該發光單元安裝在該載體，並包括三個發光元件，每一該發光元件用於朝該至少一入光面發射各別的分光，且沿一分光路徑與該光學單元界定出一工作距離。

該出光單元安裝在該載體，並包括一可移動的微振鏡，該微振鏡設置在該合光路徑上，且用於決定該聚焦後的合光的行進方向，及掃描出能夠被該第一反射鏡反射的該像點。

本發明之功效在於：通過該光學單元整合光束的功能，大幅縮減整體的體積，及通過該光學單元與該出光單元的成像功能，實現較大的可視範圍，進而提升穿戴時的舒適性。

參閱圖3、圖4與圖5，本發明微投影顯示裝置的一實施例，安裝一穿戴設備3。在本實施例中，該穿戴設備3是一種頭戴式顯示裝置(Head-Mounted Display, HMD)，包含一鏡架31，及一自由曲面的第一反射鏡32。

該微投影顯示裝置包含一載體4、一合光單元5、一光學單元6、一發光單元7，及一出光單元8。

該載體4安裝在該鏡架31。

該合光單元5安裝在該載體4。在本實施例中，該合光單元5與該第一反射鏡32沿一軸線X方向配置，並包括一合光稜鏡51(X-CUBE)。該合光稜鏡51為立方體，並具有成90度夾角的三個入光面511與一個出光面512。其中一該入光面511相反於該出光面512，且與該出光面512沿該軸線X方向配置。餘下的二個入光面511分別與該其中一入光面511相互連接。該合光稜鏡51用於將三束不同色系且由該等入光面511進入的分光L _s，整合成一束通過該出光面512行進的合光L _h。

值得說明的是，該合光稜鏡51是通過二個呈X型配置的鍍膜面，反射特定波長的光束或允許特定波長的光束通過，達到整合光束的目的。

該光學單元6包括一第一光學鏡片61。在本實施例中，該第一光學鏡片61為一聚焦透鏡，直接連接於該出光面512，用於使通過的合光L _h在一合光路徑上聚焦成像。

值得說明的是，該合光路徑是指該合光L _h行進的路線，不限於平行於該軸線X。且該第一光學鏡片61不限於直接連接於該出光面512，在本實施例的其它變化例中，也可以設置在該合光路徑上，使該合光L _h先通過該出光面512，再通過該第一光學鏡片61。

該發光單元7安裝在該載體4，並包括三個發光元件71。每一該發光元件71可以是雷射二極體(LD)，或發光二極體(LED)。在本實施例中，每一該發光元件71為一雷射二極體，用於沿一分光路徑朝各別的入光面511發射各別的分光L _s。該等分光L _s分別是紅色光束、藍色光束與綠色光束。每一該發光元件71沿該分光路徑與該合光單元5相間隔。

值得說明的是，每一該發光元件71與該合光單元5的間隔距離會根據一預設的焦點F位置，及該合光單元5、該光學單元6的厚度及相關參數變化。

該出光單元8安裝在該載體4，並包括一微振鏡81(MEMS mirror)。該微振鏡81是一種基於微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System)技術製作而成的微小反射鏡，運動方式包括平動和扭轉兩種機械運動，可以決定光束的行進方向，而能夠實現影像掃描。

在本實施例中，該微振鏡81用於導引該合光L _h朝該第一反射鏡32行進，且決定該合光L _h的行進方向。該微振鏡81設置在該合光路徑上而位於該第一反射鏡32與該第一光學鏡片61間。

值得說明的是，該微振鏡81為習知構造，且非本發明技術特徵，由於本領域中具有通常知識者根據以上說明可以推知擴充細節，因此不多加說明。

當該等發光元件71朝該等入光面511發射該等分光L _s後，該等分光L _s會在該合光稜鏡51內會合，並整合成該合光L _h。此時，該合光L _h會沿該軸線X方向行進，並由該出光面512通過該第一光學鏡片61。

參閱圖5，以下為了方便說明，僅以其中一該發光元件71及沿該軸線X方向行進的光束，說明本發明的成像原理。

根據高斯成像公式： ，可以知道，當已知焦距，且變化物距時，可以得到實像。因此，只需調整每一該發光元件71相對於該合光單元5的間距，理論上，就可以如圖5所示，使一光點P(物)，在一焦點F上聚焦成像，而生成一像點P’。 藉此，當該微振鏡81攔阻該合光L _h，並導引該合光L _h朝該第一反射鏡32行進時，同樣可以在行進的過程中，聚焦成像，生成能夠投影至該第一反射鏡32的像點P’。

參閱圖5與圖6，當能夠生成該像點P’的合光L _h打在該微振鏡81，就可以通過該微振鏡81的平動或扭轉控制該合光L _h的行進方向，使該合光L _h朝該第一反射鏡32行進。且在該合光L _h被該第一反射鏡32反射後，朝人眼的方向行進。藉此，如單箭頭實線與雙箭頭實線所示，建構出一位於該第一反射鏡32與人眼間且能夠清晰地呈現該像點P’的適眼區域E(eye box)。

當該微振鏡81以時序掃描方式，將該合光L _h導引至不同的位置，就可以如單箭頭假想線與雙箭頭假想線所示，在該適眼區域E內清晰地呈現該等像點P’， 進而通過該等像點P’及人眼視覺暫留的現象，生成一可視的影像。

值得說明的是，為了避免線條過於複雜，圖6僅通過單箭頭假想線與雙箭頭假想線示意與該適眼區域E相關的光路，省略了由該合光單元5至該第一反射鏡32間的光路。

應當注意的是，該合光L _h不限於直接由該第一光學鏡片61朝該微振鏡81的方向行進，在本實施例的其他變化例中，也可以如圖7所示，使該合光L _h通過一第二反射鏡82後朝該微振鏡81的方向行進。藉此，改變該該合光L _h相對於該載體4的出光方向，及能夠根據實務，變化該微振鏡72與該合光稜鏡51的安裝位置。

另外，該第一反射鏡32不限於是自由曲面的光學元件，在本實施例的其他變化例中，也可以是一種經過超表面處理(meta structure)的光學元件。由於本領域中具有通常知識者根據以上說明可以推知擴充細節，因此不多加說明。

值得說明的是，該合光稜鏡51的數量不限於只有1個，在本實施例的其他變化例中，也可以如圖8、或圖9所示，為2個或3個。

參閱圖8，當該合光單元5包括二相互連接的合光稜鏡51時，該出光面512與相反於該出光面512的其中一入出光面512形成在其中一該合光稜鏡51，餘下的兩個入光面511形成在另一該合光稜鏡51，且成90度夾角及相互連接。

參閱圖9，當該合光單元5包括三個相互連接且呈L型配置的合光稜鏡51時，該入光面511形成在其中一該合光稜鏡51，其中一該出光面512形成在相反於該入光面511的另一該合光稜鏡51，餘下的兩個入光面511形成在餘下的另一該合光稜鏡51，且成90度夾角及相互連接。

藉此，該等合光稜鏡51內部只需通過一個鍍膜面，就可以達到整合光束的目的，而能夠簡化每一該合光稜鏡51的製程，及提升良率。

值得說明的是，為了避免線條過於複雜，圖7~圖10僅以單線條表示光路。

另外，該等分光L _s不限於直接通過該等入光面511，在本實施例的其它變化例中，也可以如圖10所示，該光學單元6還包括三個第二光學鏡片62。每一該第二光學鏡片62為一準直透鏡，連接於各別的入光面511，用於準直各別通過的分光L _s。藉此，使該等分光L _s會先通過該等第二光學鏡片62且被準直後，才通過該等入光面511。

參閱圖11，是本發明一第二實施例，其與該第一實施例大致相同，同樣包括該載體4(圖未示)、該合光單元5、該光學單元6、該發光單元7，及該出光單元8。差異在於：

該合光單元5包括一合光鏡52。該合光鏡52具有一入光面521，及一與該入光面521呈90度夾角的出光面522。該第一光學鏡片61為一聚焦透鏡，能夠連接於該出光面521，或沿該合光路徑與該出光面521相間隔。

藉此，當該等發光元件71朝該入光面521發射該等分光L _s後，該等分光L _s同樣會在該合光鏡52內會合，並整合成該合光L _h。且由該出光面512通過該第一光學鏡片61的合光L _h，同樣會在該合光路徑上聚焦成像，而生成該像點P’。

當該微振鏡81攔阻該合光L _h，並導引該合光L _h朝該第一反射鏡32行進時，同樣可以在行進的過程中聚焦成像，生成能夠投影至該第一反射鏡32的像點P’，及建構出一位於該第一反射鏡32與人眼間且能夠清晰地呈現該像點P’的適眼區域E(eye box) 。

參閱圖12，是本發明一第三實施例，其與該第一實施例大致相同，同樣包括該載體4(圖未示)、該合光單元5(圖未示)、該光學單元6、該發光單元7(圖未示)，及該出光單元8。差異在於：

該光學單元6包括一第一光學鏡片63。在本實施例中，該第一光學鏡片63為一聚焦反射鏡。藉此，當該合光L _h被該第一光學鏡片63反射後，同樣會在該合光路徑上聚焦成像，而生成該像點P’。

當該微振鏡81攔阻該合光L _h，並導引該合光L _h朝該第一反射鏡32行進時，同樣可以在行進的過程中聚焦成像，生成能夠投影至該第一反射鏡32的像點P’，及建構出一位於該第一反射鏡32與人眼間且能夠清晰地呈現該像點P’的適眼區域E(eye box)。

經由以上的說明，可將前述實施例的優點歸納如下：

1、本發明能夠通過該合光單元5與該出光單元8建構出位於該第一反射鏡32與人眼間的適眼區域E(eye box)，不但能夠在該適眼區域E清晰地成像，且能夠實現較大的可視範圍。

2、且本發明能夠通過該合光單元5整合光束的功能，簡化及縮短光的傳遞路徑，而大幅縮減整體的體積，使整體達到微型化的目的，及提升空間效益。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

3:穿戴設備 31:鏡架 32:第一反射鏡 4:載體 5:光學單元 51:合光稜鏡 511:入光面 512:出光面 52:合光鏡 521:入光面 522:出光面 6:光學單元 61:第一光學鏡片 62:第二光學鏡片 63:第一光學鏡片 7:發光單元 71:發光元件 8:出光單元 81:微振鏡 82:第二反射鏡 X:軸線 P:光點 P’:像點 F:焦點 E:適眼區域

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一示意圖，說明一種習知的頭戴式顯示裝置； 圖2是一示意圖，說明另一種習知的頭戴式顯示裝置； 圖3是一示意圖，說明本發明微投影顯示裝置的一第一實施例安裝在一穿戴設備； 圖4是該第一實施例整合三束分光為一合光的一示意圖； 圖5是該第一實施例聚焦成像的一示意圖； 圖6是一示意圖，說明該第一實施例將一可視的像點投射至人眼的可視範圍； 圖7是一類似於圖4的示意圖，但該合光由一第二反射鏡朝一微振鏡行進； 圖8是一示意圖，說明該第一實施例中一合光單元的變化； 圖9是一類似於圖8的示意圖，但該合光單元不同； 圖10是一類似於圖4的示意圖，但一光學單元不同； 圖11是一示意圖，說明本發明微投影顯示裝置的一第二實施例；及 圖12是一示意圖，說明本發明微投影顯示裝置的一第三實施例。

32:第一反射鏡

51:合光稜鏡

61:第一光學鏡片

71:發光元件

81:微振鏡

P’:像點

E:適眼區域

Claims (10)

1. 一種穿戴設備的微投影顯示裝置，該穿戴設備包含一第一反射鏡，該第一反射鏡用於將至少一可視的像點投射至人眼的一適眼區域(eye box)，該微投影顯示裝置包含： 一載體； 一合光單元，安裝在該載體，並具有至少一入光面，及一出光面，該合光單元用於將三束不同色系且由該至少一入光面進入的分光，整合成一束通過該出光面且沿一合光路徑行進的合光； 一光學單元，包括一第一光學鏡片，該第一光學鏡片設置在該合光路徑上，且用於使該合光在該合光路徑上聚焦且生成一像點； 一發光單元，安裝在該載體，並包括三個發光元件，每一該發光元件用於朝該至少一入光面發射各別的分光，且沿一分光路徑與該光學單元界定出一工作距離；及 一出光單元，安裝在該載體，並包括一可移動的微振鏡，該微振鏡設置在該合光路徑上，且用於決定該聚焦後的合光的行進方向，及掃描出能夠被該第一反射鏡反射的該像點。
2. 如請求項1所述的穿戴設備的微投影顯示裝置，其中，該合光單元包括至少一合光稜鏡，該至少一合光稜鏡具有三個入光面與該出光面，該第一光學鏡片為一聚焦透鏡，能夠連接於該出光面。
3. 如請求項2所述的穿戴設備的微投影顯示裝置，其中，該合光單元包括一合光稜鏡，該合光稜鏡為立方體，該出光面相反於其中一該入光面，且該等入光面成90度夾角。
4. 如請求項2所述的穿戴設備的微投影顯示裝置，其中，該合光單元包括二相互連接的合光稜鏡，每一該合光稜鏡為立方體，該出光面與相反於該出光面的其中一該入光面形成在其中一該合光稜鏡，餘下的兩個入光面形成在另一該合光稜鏡，且成90度夾角及相互連接。
5. 如請求項2所述的穿戴設備的微投影顯示裝置，其中，該光學單元包括三個相互連接的合光稜鏡，每一該合光稜鏡為立方體，該出光面形成在其中一該合光稜鏡，其中一該入光面形成在相反於該出光面的另一該合光稜鏡，餘下的兩個入光面形成在餘下的另一該合光稜鏡，且成90度夾角及相互連接。
6. 如請求項2所述的穿戴設備的微投影顯示裝置，其中，該光學單元還包括三個第二光學鏡片，每一該第二光學鏡片為一準直透鏡，連接於該至少一入光面，用於準直各別通過的分光。
7. 如請求項1所述的穿戴設備的微投影顯示裝置，其中，該合光單元包括一合光鏡，該合光鏡具有一與該出光面呈90度夾角的入光面，該第一光學鏡片為一聚焦透鏡，能夠連接於該出光面。
8. 如請求項1所述的穿戴設備的微投影顯示裝置，其中，該第一光學鏡片為一聚焦反射鏡，能夠反射通過該出光面且沿該合光路徑行進的合光，使該合光在該合光路徑上聚焦且生成該像點。
9. 如請求項1所述的穿戴設備的微投影顯示裝置，其中，每一該發光元件為一雷射二極體。
10. 如請求項1所述的穿戴設備的微投影顯示裝置，其中，該出光單元還包括一第二反射鏡，該第二反射鏡用於導引通過該出光面與該光學鏡片的合光朝該微振鏡行進。

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