投影设备及穿戴式显示装置

技术领域

本发明是有关于一种显示装置，且特别是有关于一种投影设备及穿戴式显示装置。

背景技术

头戴式显示装置(Head-mounted display，HMD)是利用光学投影系统将显示器元件上的影像及/或文字讯息投影到使用者的眼中。随着微型显示器的发展朝向分辨率越来越高且尺寸、功耗越来越小的成长趋势，以及在云端科技发展至可随时随地自云端下载大量资讯的前提下，头戴式显示装置发展成为一种穿戴式显示装置，除了在军事领域外，其他诸如工业生产、模拟训练、3D显示、医疗、运动和电子游戏等相关领域亦有所成长而占据了重要的地位。

在扩增实境(Augmented Reality，AR)装置或者在虚拟实境(Virtual Reality,VR)装置应用的微型光机中，常因体机的限制，牺牲许多机构延伸区域甚至光学有效区，以求获得更轻薄的设计，但也因为如此，许多非预期的杂光、结构光因此而产生，进而影像影像输出的品质。

本「背景技术」段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在「背景技术」中所揭露的内容可能包含一些没有构成所属技术领域中的技术人员所知道的已知技术。此外，在「背景技术」中所揭露的内容并不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，也不代表在本发明申请前已被所属技术领域中的技术人员所知晓或认知。

发明内容

本发明提供一种投影设备及穿戴式显示装置，可有效消除投影设备因体积限制所产生的结构光。

本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。

为达上述的一或部分或全部目的或是其他目的，本发明所提供的投影设备包括照明组件、光阀及成像组件。照明组件包括光源模块、扩散片及棱镜模块，其中光源模块提供照明光束，光源模块具有出光侧，扩散片设置于光源模块及棱镜模块之间，照明光束依序经过扩散片至棱镜模块；光阀具有主动面，主动面用于将照明光束转换为影像光束，其中通过扩散片的照明光束经棱镜模块传递至光阀；成像组件接收并投射影像光束。

为达上述的一或部分或全部目的或是其他目的，本发明所提供的穿戴式显示装置包括投影设备及导光组件。投影设备包括照明组件、光阀及成像组件。照明组件包括光源模块、扩散片及棱镜模块，其中，光源模块提供照明光束，光源模块具有出光侧，扩散片设置于光源模块及棱镜模块之间，照明光束依序经过扩散片至棱镜模块；光阀具有主动面，主动面用于将照明光束转换为影像光束，其中通过扩散片的照明光束经棱镜模块传递至光阀；成像组件接收并投射影像光束；导光组件导引影像光束，并将影像光束投射至投射目标。

本发明因借由扩散片的设置于光源模块及棱镜模块之间，可消除投影设备因体积限制所产生的结构光，亦即降低不均匀光的分布；进一步地，借由具开孔的扩散片或者顶帽分布型扩散片的使用，可有效提升因扩散片所产生的几何效率损失。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1是本发明一实施例投影设备的概要示意图。

图2是本发明一实施例均光模块的结构示意图。

图3a至图3i分别是不同列的微型透镜所输出的子照明光束直接经棱镜透镜传递至光阀后在光阀上的光斑画面示意图。

图4a是光阀上的叠加光斑示意图。

图4b是本发明一实施例的光阀上的叠加光斑示意图。

图5是本发明一实施例扩散片对应于微型透镜阵列设置示意图。

图6是本发明又一实施例扩散片对应于微型透镜阵列设置示意图。

图7a及图7b分别是高斯分布型扩散片及顶帽分布型扩散片的扩散角度及光线强度示意图。

图8a及图8b分别是通过高斯分布型扩散片及顶帽分布型扩散片所形成的光斑与光阀区域示意图。

图9是本发明另一实施例投影设备的概要示意图。

图10是本发明一实施例穿戴式显示装置的概要示意图。

图11是本发明一实施例穿戴式显示装置的应用示意图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1是本发明一实施例投影设备的概要示意图。如图1所示，投影设备10包含照明组件12、光阀14及成像组件16。照明组件12用以提供照明光束IL给光阀14，照明组件12包括光源模块18、均光模块20、扩散片22及棱镜模块24。光源模块18提供照明光束IL，照明光束IL经均光模块20、扩散片22及棱镜模块24传递至光阀14。在本实施例中，光源模块18例如为激光二极管光源模块或发光二极管光源模块，光源模块18具有出光侧；均光模块20设置于出光侧；扩散片22设置于均光模块20及棱镜模块24之间，照明光束IL经过均光模块20及扩散片22至棱镜模块24，以借由棱镜模块24传递至光阀14。

接续上述说明，光阀14配置于照明光束IL的传递路径上，光阀14具有主动面141，主动面141适于将来自棱镜模块24的照明光束IL转换为影像光束ML。于一实施例中，光阀14例如是数字微镜元件(digital micro-mirror device，DMD)，于另一实施例中，光阀14亦可以是硅基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel，LCOS panel)。光阀14并将影像光束ML反射至成像组件16，以利用成像组件16接收并投射影像光束ML，于一实施例中，成像组件16可包含一或多个透镜。

图2是本发明一实施例均光模块的结构示意图，如图2所示，均光模块20包括由多颗微型透镜261所组成的微型透镜阵列26，微型透镜261排列成具有多行与多列的阵列形式，为方便说明，将微型透镜阵列26由下而上(以重力方向的反方向)定义第一透镜列C1、第二透镜列C2、第三透镜列C3、第四透镜列C4、第五透镜列C5、第六透镜列C6、第七透镜列C7及第八透镜列C8、第九透镜列C9。请同时参阅图1及图2所示，于一实施例中，当光源模块18为激光二极管光源模块时，光源模块18所提供的照明光束IL传递至微型透镜阵列26，微型透镜阵列26接收照明光束IL后，由微型透镜261分别输出子照明光束(未标号)。图3a至图3i分别是不同列的微型透镜261所输出的子照明光束直接经棱镜模块24传递至光阀14后在光阀14上的光斑画面示意图。如图3a及图3i两图中所示，第一透镜列C1及第九透镜列C9所输出的子照明光束几乎无光斑28分布于光阀14的主动面141上。如图3b、图3c及图3d所示，第二透镜列C2、第三透镜列C3及第四透镜列C4所输出的子照明光束在光阀14的主动面141的光斑28形状不尽相同，光斑28除了没有填满整个主动面141之外，在光斑28的上端边缘处会产生一条明显的边界光30，其中，如图3b所示，光斑28除了具有边界光30之外，光斑28的亮度更明显地分为两个区域28a、28b，其中区域28a的亮度高于区域28b的亮度；另一方面，如图3f、图3g及图3h所示，第六透镜列C6、第七透镜列C7及第八透镜列C8所输出的子照明光束在光阀14的主动面141的光斑28形状也不尽相同，除了没有填满整个主动面141之外，在光斑28的下端边缘处也会产生一条明显的边界光30’，其中，如图3h所示，光斑28除了具有边界光30’之外，光斑28的亮度也明显地分为两个区域28a、28b，其中区域28a的亮度高于区域28b的亮度。图4a是光阀上的叠加光斑示意图，其中微型透镜阵列26所输出的子照明光束直接经棱镜模块24传递至光阀14，如图4a所示，当各微型透镜261(示于图2)的光斑28叠加后，主动面141的近上方边缘处及近下方边缘处会因边界光30、30’的叠加分别产生三条位于上方的结构光32及三条位于下方的结构光32’。

进一步说明地，在其他实施例中，投影设备可能因需符合不同的尺寸需求而使结构光亦有可能产生于光阀14的主动面141的左、右边缘区。亦即，由位于微型透镜阵列26的上方、下方、左侧及/或右侧的边缘区的微型透镜261所产生的光斑28叠加后都有可能会产生结构光。又，在其他实施例中，当光源模块18为发光二极管光源模块时，发光二极管光源模块所包含的电极亦有可能造成条纹结构光的产生。换言之，结构光可包含任何会因光源模块18及/或微型透镜阵列26而在光阀14上所产生的不均匀或不预期的杂光，进而影响投射出来的影像品质。

有鉴于使用微型透镜阵列26的多个排列位置不同微型透镜261作为均光模块20时，光阀14所输出的影像光束ML具有结构条纹(例如结构光32、32’)而造成影像输出品质不佳的情形，因此在本发明实施例中，在微型透镜阵列26及棱镜模块24之间设有扩散片22。图5是本发明一实施例中，扩散片22对应于微型透镜阵列设置示意图，其中，扩散片22完全遮蔽微型透镜阵列26，微型透镜阵列26接收照明光束IL后，由微型透镜261分别输出子照明光束，每一子照明光束会先被扩散片22均匀化，以消除原本由位于边缘区的微型透镜261所产生的叠加的结构光32、32’，图4b是本发明一实施例的光阀上的叠加光斑示意图，其中微型透镜阵列26的微型透镜261所分别输出的子照明光束经本发明一实施例扩散片22均匀化后经棱镜模块24传递至光阀14，如图4b所示，光阀14上叠加的光斑28均匀分布于整个的主动面141，使得如图4a所示的结构光32、32’的亮度降低甚至可使结构光32、32’消失。

图6是本发明又一实施例扩散片的示意图，于此实施例中，扩散片22A包含透光基材221及形成于透光基材221的扩散结构224，如图6所示，扩散片22A上具有透光区222及扩散区223，扩散区223具有扩散结构，透光区222未具有扩散结构。于一实施例中，透光区222可为透光基材221上的开孔。扩散片22A对应于微型透镜阵列26设置时，经由扩散片22A的透光区222(即开孔)显露位于中间列(例如第四透镜列C4、第五透镜列C5及第六透镜列C6)的微型透镜261。

接续上述说明，在由微型透镜261所分别输出的子照明光束中，其中一部分的子照明光束，例如由图2中第四透镜列C4、第五透镜列C5及第六透镜列C6的微型透镜261所发出的子照明光束，因无前述的边界光30的问题，因此第四透镜列C4、第五透镜列C5及第六透镜列C6的微型透镜261所发出的子照明光束可设计成经由透光区222通过扩散片22A而至棱镜模块24，另一部分的子照明光束经由扩散区223通过扩散片22A而至棱镜模块24。如此使得位于中间列的微型透镜261所发出的子照明光束可直接通过透光区222传递至棱镜模块24，进而达到提升几何效率的功效。本领域技术人员都可知道几何效率的定义，在此不赘述。于实施例中，此种以开孔作为透光区222的扩散片22A的设置于微型透镜阵列26及棱镜模块24之间，相较于上述扩散片22不具透光区222而完全遮蔽微型透镜阵列26的设计而言，可提升约10％的几何效率。又，上述的扩散片22A的透光区不限于对应微型透镜阵列26的中间列，透光区可视未产生结构光的位置而对应调整，例如对应于中间行、或者中间行及中间列交集的中心区域。也就是说，当不使用扩散片22A时，会产生结构光，进而得知结构光产生的位置，再借由设置扩散片22A消除结构光。此外，在不产生结构光的位置可对应设置透光区。

另一方面，为提升几何效率，于一实施例中，扩散片22可采用顶帽分布型(top-hattype)扩散片，此种顶帽分布型扩散片相较于一般高斯分布型(Gaussian type)扩散片可更有效收敛在光阀的光斑，使得光线收敛更均匀。图7a及图7b分别是高斯分布型扩散片及顶帽分布型扩散片的扩散角度及光线强度示意图，图8a及图8b分别是通过高斯分布型扩散片及顶帽分布型扩散片所形成的光斑与光阀区域示意图，经高斯分布型扩散片输出的光斑较大且较散，如图8a所示，光斑28除了分布于光阀14的主动面，还分散于光阀14周围，使得几何效率下降；而在相同半高宽扩散角度下，如图7a及图7b所示，高斯分布型扩散片及顶帽分布型扩散片皆为15度的扩散，但顶帽分布型扩散片会有更收敛的光斑28，如图8b所示，光斑28收敛于光阀14区域，但仍有消除结构光的效果，有效提升几何效率。此种顶帽分布型扩散片的设置于微型透镜阵列26及棱镜模块24之间，相较于高斯分布型扩散片的设置于微型透镜阵列26及棱镜模块24之间而言，可提升约8％的几何效率。

在上述实施例中，如图1所示，于实施例中，棱镜模块24包含第一棱镜241、第二棱镜242及第三棱镜243，第一棱镜241具有曲面，且曲面具有反射层R，用于反射来自扩散片22的照明光束IL至光阀14。于实施例中，两两棱镜之间间隔有微小的空气间隙(图中未示)。例如，第一间隙位于第一棱镜241与第二棱镜242之间，第二间隙位于第二棱镜242与第三棱镜243之间，来自于扩散片22/22A的照明光束IL依序经由第一棱镜241、曲面的反射层R、第一间隙、第二棱镜242、第二间隙以及第三棱镜243传递至光阀14的主动面141，光阀14将照明光束IL转变为影像光束ML，且将影像光束ML反射至第三棱镜243，借由第三棱镜243的全反射(Total Internal Reflection,TIR)再将影像光束ML反射至成像组件16。

图9是本发明另一实施例投影设备的概要示意图。如图9所示，投影设备10包含照明组件12、光阀14及成像组件16。图9的实施例与图1的实施例差异在于光源模块18为发光二极管光源模块，且照明组件12不包括均光模块20。照明组件12用以提供照明光束IL给光阀14，照明组件12包括光源模块18、扩散片22及棱镜模块24。光源模块18提供照明光束IL，照明光束IL经扩散片22及棱镜模块24传递至光阀14。在本实施例中，光源模块18具有出光侧，扩散片22设置于光源模块18及棱镜模块24之间，照明光束IL经过扩散片22至棱镜模块24，以借由棱镜模块24传递至光阀14。当光源模块18为发光二极管光源模块时，发光二极管光源模块所包含的电极亦有可能造成条纹结构光的产生，而在光阀14的主动面141上产生的不均匀或不预期的杂光，进而影响投射出来的影像品质。

图10是本发明一实施例穿戴式显示装置的概要示意图。如图10所示，穿戴式显示装置40包含投影设备10及导光组件(Waveguide Elements)42，其中导光组件例如是玻璃或塑胶材质的高透光元件，用于传递影像光束。投影设备10包含照明组件12、光阀14及成像组件16；导光组件42设置于成像组件16一侧，使得成像组件16位于光阀14及导光组件42之间。照明组件12包括光源模块18、均光模块20、扩散片22及棱镜模块24，光源模块18提供的照明光束IL经过均光模块20及扩散片22至棱镜模块24，以经由棱镜模块24传递至光阀14；光阀14并将照明光束IL转换为影像光束ML，影像光束ML被成像组件16接收，并经由成像组件16将影像光束ML投射至导光组件42，进一步借由导光组件42导引影像光束ML，以将影像光束ML投射至一投射目标，投射目标例如是人眼。

图11是本发明一实施例穿戴式显示装置的应用示意图，如图11所示，穿戴式显示装置40还包含配戴架体44。于实施例中，配戴架体44例如是可供配戴于使用者的头部，投影设备10设置于配戴架体44内，成像模块46设置于配戴架体44，导光组件42例如设置于成像模块46中，成像模块46的数量例如为两组，分别位于使用者戴上配戴架体44时双眼可视处，以让使用者的双眼能分别观看到两成像模块46提供的影像。本发明并不限制配戴架体44的具体结构，穿戴式显示装置40可应用于扩增实境(Augmented Reality,AR)装置或者是虚拟实境(Virtual Reality,VR)装置。

综合上述，在本发明实施例投影设备中，借由扩散片的设置于均光模块及棱镜模块之间或者扩散片设置于光源模块及棱镜模块之间，可消除投影设备因体积限制所产生的结构光，亦即降低不均匀光的分布；进一步地，借由具开孔的扩散片或者顶帽分布型扩散片的使用，可有效提升因扩散片所产生的几何效率损失。

惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡是依本发明权利要求书及发明内容所作的简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外，本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要和发明名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的「第一」、「第二」等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。

附图标记说明：

10：投影设备

12：照明组件

14：光阀

141：主动区

16：成像组件

IL：照明光束

18：光源模块

20：均光模块

22、22A：扩散片

221：透光基材

222：透光区

223：扩散区

224：扩散结构

24：棱镜模块

241：第一棱镜

242：第二棱镜

243：第三棱镜

R：反射层

ML：影像光束

26：微型透镜阵列

261：微型透镜

C1：第一透镜列

C2：第二透镜列

C3：第三透镜列

C4：第四透镜列

C5：第五透镜列

C6：第六透镜列

C7：第七透镜列

C8：第八透镜列

C9：第九透镜列

28：光斑

30、30’：边界光

32、32’：结构光

40：穿戴式显示装置

42：导光组件

44：配戴架体

46：成像模块。