微型投影光學(xué)裝置、投影光學(xué)方法及頭戴顯示器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種微型投影光學(xué)裝置、投影光學(xué)方法及頭戴顯示器。本發(fā)明的投影光學(xué)裝置包含一成像模組、一照明模組以及一圖像/數(shù)據(jù)處理模組。上述成像模組包含一鏡片組單元，可將液晶顯示單元上的圖像投影進(jìn)入人眼，讓使用者可以直接觀察到顯示單元上的圖像而不需屏幕。上述照明模組，包含一三色發(fā)光二極管為光源，一準(zhǔn)直鏡單元、一微透鏡陣列單元以及一集光鏡單元以均勻化該光源的光線，且提供照明至液晶顯示單元。上述圖像/數(shù)據(jù)處理模組，包含一輸入單元接收外界圖像/數(shù)據(jù)并利用一圖像/數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行辯識(shí)，以提供使用者即時(shí)信息。本發(fā)明因使用三色發(fā)光二極管為光源，可免除使用色彩濾光片，達(dá)到輕量化的功效。
【專利說(shuō)明】
微型投影光學(xué)裝置、投影光學(xué)方法及頭戴顯示器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明是關(guān)于一種投影光學(xué)裝置、投影光學(xué)方法及頭戴顯示器，且特別有關(guān)于一種輕量化微型投影光學(xué)裝置、投影光學(xué)方法及頭戴顯示器。
【背景技術(shù)】
[0002]頭戴式顯示器可分為光學(xué)式透視顯示器以及視頻式透視顯示器。光學(xué)式透視顯示器乃將一分光鏡擺在使用者眼前的正確方位，使電腦顯示器的圖像反射進(jìn)入使用者的視線，又仍然能讓周遭環(huán)境的光線穿透進(jìn)來(lái)。而視頻式透視顯示器則相反，它使用原本為電視特效而開發(fā)的視頻混合技術(shù)，把頭戴式攝像機(jī)(head — mounted camera)傳來(lái)的圖像與合成的圖像結(jié)合，而合并后的圖像通常會(huì)呈現(xiàn)在一個(gè)不透明的頭戴式顯示器上。通過(guò)精細(xì)的設(shè)計(jì)使圖像處理機(jī)定位，讓它的光路非常接近使用者眼睛的視線，因此能模擬使用者通常會(huì)看到的圖像。
[0003]現(xiàn)有光學(xué)式透視頭戴式顯示器是采用液晶顯示單元，例如筆記本電腦常見(jiàn)的顯示單元，液晶顯示單元乃經(jīng)由燈管自背部照射。由于傳統(tǒng)式照明模組乃是利用色彩濾光片及輔助式白色背光源將會(huì)增加重量及制造成本，具有輕量以及低成本的光學(xué)式透視頭戴式顯示器存在需求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]有鑒于上列所述，輕量化微型投影光學(xué)裝置、投影光學(xué)方法及頭戴顯示器存在需求，本發(fā)明乃提供一輕量化的微型投影光學(xué)裝置、投影光學(xué)方法，且特別有關(guān)于一種光學(xué)式透視的頭戴式顯示器(head-mounted display ；HMD)。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的目的，提出一微型投影光學(xué)裝置，包含:一成像模組，包含一液晶顯示單元，接收一電子信號(hào)，并基于該電子信號(hào)，形成一電子信號(hào)圖像并投射至使用者的眼睛；一照明模組，包含一三色發(fā)光二極管，為該照明模組的光源；以及，一微透鏡陣列單元，均勻化該光源的光線，且提供照明至液晶顯示單元。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的目的，再提出一種光學(xué)透視頭戴顯示器，包含前述微型投影光學(xué)裝置及其所有模組。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的目的，又提出一微型投影光學(xué)方法，包含:以一液晶顯示單元接收電子信號(hào)；基于該電子信號(hào)，形成一電子信號(hào)圖像并投射至使用者的眼睛；提供一三色發(fā)光二極管為照明模組的光源；以及以一微透鏡陣列單元均勻化該光源的光線，且提供照明至液晶顯示單元。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的目的，又提出另一種光學(xué)透視頭戴顯示器，包含利用一微型投影光學(xué)方法，該微型投影光學(xué)方法包含前述微型投影光學(xué)方法。
[0009]本發(fā)明因使用三色發(fā)光二極管為光源，可大幅提升照度，可利用色序法來(lái)達(dá)到不同顏色的混光，可利用色序法來(lái)達(dá)到不同顏色的混光，并可免除使用色彩濾光片，達(dá)到輕量化的功效。
[0010]本發(fā)明前述各方面及其它方面依據(jù)下述的非限制性具體實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明以及參照附隨的圖式將更趨于明了。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是微型投影光學(xué)裝置的方塊圖。
[0012]圖2是光學(xué)透視頭戴顯示器的方塊圖。
[0013]圖3是微型投影光學(xué)裝置的示意圖。
[0014]圖4是微型投影光學(xué)方法的流程圖。
[0015]圖5是光學(xué)透視頭戴顯示器的側(cè)視圖。
[0016]圖6是光學(xué)透視頭戴顯示器的俯視圖。
[0017]圖7是光學(xué)透視頭戴顯示器的A-A剖面圖。
[0018]符號(hào)說(shuō)明:
[0019]100微型投影光學(xué)裝置
[0020]20成像模組
[0021]201鏡片組單元
[0022]202液晶顯示單元
[0023]203分光鏡單元
[0024]204極化分光鏡單元
[0025]205電子信號(hào)圖像
[0026]30照明模組
[0027]301三色發(fā)光二極管
[0028]302準(zhǔn)直鏡單元
[0029]303微透鏡陣列單元
[0030]304集光鏡單元
[0031]40圖像/數(shù)據(jù)處理模組
[0032]401圖像/數(shù)據(jù)輸入單元
[0033]402圖像/數(shù)據(jù)處理單元
[0034]403信號(hào)輸出單元
[0035]404電子信號(hào)
[0036]51 眼睛
[0037]52 物體
[0038]53外界圖像
[0039]200光學(xué)透視頭戴顯示器
[0040]400微型投影光學(xué)方法
[0041]SOl照明方法
[0042]S02圖像/數(shù)據(jù)處理方法
[0043]S03成像方法
[0044]500光學(xué)透視頭戴顯示器
[0045]502 主機(jī)
[0046]503 眼鏡
[0047]504 夾片
[0048]505 樞軸
【具體實(shí)施方式】
[0049]請(qǐng)參照?qǐng)D1，圖1為本發(fā)明實(shí)施例的一微型投影光學(xué)裝置100的方塊圖。本實(shí)施例所揭露的微型投影光學(xué)裝置100，其中包含一成像模組20、一照明模組30以及一圖像/數(shù)據(jù)處理模組40。該照明模組30為成像模組20提供照明，該圖像/數(shù)據(jù)處理模40組接收外界圖像/數(shù)據(jù)并進(jìn)行辯識(shí)與處理，且經(jīng)處理后的圖像/數(shù)據(jù)傳送至成像模組20。
[0050]請(qǐng)參照?qǐng)D2，圖2為本發(fā)明實(shí)施例的一光學(xué)透視頭戴顯示器(head-mounteddisplay ；HMD) 200的方塊圖。本實(shí)施例所揭露的光學(xué)透視頭戴顯示器200，其中包含一微型投影光學(xué)裝置100及其中任一項(xiàng)的模組。
[0051]請(qǐng)參照?qǐng)D3，圖3為本發(fā)明實(shí)施例的一微型投影光學(xué)裝置100的示意圖。本實(shí)施例所揭露的微型投影光學(xué)裝置100可應(yīng)用于光學(xué)透視頭戴式顯示器200，其中包含一成像模組20、一照明模組30以及一圖像/數(shù)據(jù)處理模組40。
[0052]其中成像模組20包含一鏡片組單元201，可將液晶顯示單元202上的電子信號(hào)圖像205投影進(jìn)入人眼，使得使用者可以直接觀察到液晶顯示單元202上的電子信號(hào)圖像205而不需要屏幕，再利用分光鏡(beam splitter)單元203結(jié)合外界圖像53與電子信號(hào)圖像205，以達(dá)可視穿的效果。其中，該成像模組中的極化分光鏡(polarized beam splitter ；PBS)單元204，偏振來(lái)自照明模組30的均勻光線并提供照明至液晶顯示單元202。
[0053]其中照明模組30，包含一三色發(fā)光二極管(RGB LED) 301為該照明模組的光源，并利用一準(zhǔn)直鏡(collimator)單元302以及一微透鏡陣列(micro lens array)單元303以及一集光鏡(condenser)單元304均勻化該光源的光線，并提供均勻照明至硅基液晶顯示單元202。且因使用三色發(fā)光二極管為光源，可利用色序法來(lái)達(dá)到不同顏色的混光，并可免除使用色彩濾光片，以達(dá)輕量化的功效。
[0054]其中圖像/數(shù)據(jù)處理模組40，該圖像處理模組包含一圖像/數(shù)據(jù)輸入單元401，一圖像/數(shù)據(jù)處理單元402，以及一信號(hào)輸出單元403，該圖像/數(shù)據(jù)輸入單元401接收外界圖像/數(shù)據(jù)并利用圖像/數(shù)據(jù)處理單元402進(jìn)行辯識(shí)與處理，該信號(hào)輸出單元403可將經(jīng)圖像/數(shù)據(jù)處理單元402處理后的圖像/數(shù)據(jù)以電子信號(hào)404傳送至液晶顯示單元202上，以提供使用者即時(shí)信息。
[0055]當(dāng)使用者(如眼睛51所示的位置)通過(guò)應(yīng)用輕量化的微型投影光學(xué)裝置100的光學(xué)透視頭戴顯示器200而觀看位于使用者前方的物體52時(shí)，外界圖像53經(jīng)由分光鏡單元203穿透至使用者的眼睛51，還有一部份的圖像通過(guò)成像模組20，將液晶顯示單元202上的電子信號(hào)圖像205投影進(jìn)入使用者的眼睛51，使得使用者可以直接觀察到液晶顯示單元202上的圖像而不需要屏幕。
[0056]在一較佳的實(shí)施例中，本發(fā)明的一微型投影光學(xué)裝置100，其中該液晶顯示單元是一硅基液晶顯示面板，其中該三色發(fā)光二極管是一陣列式三色發(fā)光二極管，其中該微透鏡陣列單元是一單片式微透鏡陣列。
[0057]當(dāng)在晴空的室外使用頭戴式顯示器時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)中光源強(qiáng)度的調(diào)整格外重要，本發(fā)明的輕量化的微型投影光學(xué)裝置中照明模組，因以陣列式三色發(fā)光二極管為光源，可大幅提升照度，且利用一準(zhǔn)直鏡單元以及一單片式微透鏡陣列單元以及一集光鏡單元均勻化該光源的光線并提供照明至液晶顯示單元，因此在晴空的室外使用頭戴式顯示器時(shí)，使用者仍可清楚辨識(shí)來(lái)自此輕量化的微型投影光學(xué)裝置100的圖像，解決現(xiàn)有頭戴式顯示器在晴空的室外無(wú)法清楚辨識(shí)來(lái)自投影機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的圖像的問(wèn)題。
[0058]請(qǐng)參照?qǐng)D4，圖4為本發(fā)明實(shí)施例的一微型投影光學(xué)方法400的流程圖。本實(shí)施例所揭露的微型投影光學(xué)方法400可應(yīng)用于光學(xué)透視頭戴式顯示器200，其中包含一照明方法SOl、一圖像/數(shù)據(jù)處理方法S02以及一成像方法S03。
[0059]其中照明方法SOl是通過(guò)一三色發(fā)光二極管做為光源，提供液晶顯示單元照明。并利用一準(zhǔn)直鏡單元、一微透鏡陣列單元以及一集光鏡單元以達(dá)光線均勻化。還利用色序法來(lái)達(dá)到不同顏色的混光，以在顯示單元上達(dá)到均勻的照明，并可免除使用色彩濾光片，以達(dá)輕量化的功效。
[0060]其中圖像/數(shù)據(jù)處理方法S02是通過(guò)一圖像/數(shù)據(jù)輸入單元接收外界圖像/數(shù)據(jù)，并利用一圖像/數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行圖像/數(shù)據(jù)處理，還利用一信號(hào)輸出單元將經(jīng)圖像/數(shù)據(jù)處理后的圖像/數(shù)據(jù)以電子信號(hào)形式傳送至液晶顯示單元上以供使用者觀察。
[0061]其中成像方法S03是通過(guò)一液晶顯示單元接收電子信號(hào)，并投射一依據(jù)該電子信號(hào)所形成的電子信號(hào)圖像至使用者的眼睛。并利用一鏡片組單元通過(guò)一分光鏡單元結(jié)合外界影像與面板影像，將液晶顯示單元上的圖像投影進(jìn)入人眼。更進(jìn)一步包含利用一極化分光鏡單元，該極化分光鏡單元偏振來(lái)自照明模組的均勻光線并提供照明至液晶顯示單元。
[0062]在一較佳的實(shí)施例中，本發(fā)明的一微型投影光學(xué)方法400，其中該液晶顯示單元是一硅基液晶顯示面板，其中該三色發(fā)光二極管是一陣列式三色發(fā)光二極管，其中該微透鏡陣列單元是一單片式微透鏡陣列。
[0063]請(qǐng)參照?qǐng)D5，圖5為本發(fā)明實(shí)施例的一光學(xué)透視頭戴顯示器500的側(cè)視圖。光學(xué)透視頭戴顯示器500包含本發(fā)明的微型投影光學(xué)裝置100及光學(xué)透視頭戴顯示器的主機(jī)502，主機(jī)502包括電路板、觸控板、按鍵、LED、感測(cè)器、電池、喇叭及麥克風(fēng)等元件，光學(xué)透視頭戴顯示器500可配合市售任一眼鏡503使用。
[0064]請(qǐng)參照?qǐng)D6，圖6為本發(fā)明實(shí)施例的一光學(xué)透視頭戴顯示器500的俯視圖。光學(xué)透視頭戴顯示器500可通過(guò)一外掛裝置如夾片504及樞軸505與眼鏡503的鏡腳結(jié)合，并利用微型投影光學(xué)裝置100接收外界圖像/數(shù)據(jù)并將處理后的圖像/數(shù)據(jù)供使用者觀察，其中光學(xué)透視頭戴顯示器500還包括主機(jī)502，主機(jī)502可用來(lái)接收使用者利用觸控板、按鍵、麥克風(fēng)等輸入裝置所輸入的指令，并利用感測(cè)器感測(cè)外界溫度、濕度、氣壓、加速度等環(huán)境信息，經(jīng)電路板上的電路與芯片處理來(lái)自輸入裝置與感測(cè)器的數(shù)據(jù)后，輸出至喇叭及微型投影光學(xué)裝置100的成像模組以供使用者聆聽與觀看。
[0065]請(qǐng)參照?qǐng)D7，圖7為本發(fā)明實(shí)施例的一光學(xué)透視頭戴顯示器500的A-A剖面圖。光學(xué)透視頭戴顯示器500的主機(jī)502可通過(guò)一外掛裝置包含夾片504及樞軸505與眼鏡503的鏡腳結(jié)合，由圖7可知夾片504以樞軸505為支點(diǎn)將眼鏡503的鏡腳夾持于主機(jī)502與夾片504之間。
[0066]現(xiàn)有市面上頭戴式眼鏡顯示器其投影機(jī)光學(xué)系統(tǒng)與眼鏡本體一體成型，無(wú)法與消費(fèi)者原有習(xí)慣使用的眼鏡搭配，因此當(dāng)消費(fèi)者有使用頭戴式眼鏡顯示器的需求時(shí)，必須舍棄原有已習(xí)慣使用的眼鏡另外購(gòu)買無(wú)度數(shù)或客制化訂制度數(shù)的頭戴式眼鏡顯示器。
[0067]本實(shí)施例揭露的微型投影光學(xué)裝置可借由一外掛裝置應(yīng)用于現(xiàn)有市面上任何眼鏡，因此消費(fèi)者可配戴原有已習(xí)慣使用的眼鏡搭配本發(fā)明的光學(xué)透視頭戴顯示器500，便可將原有的眼鏡升級(jí)為頭戴式眼鏡顯示器。
[0068]所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可了解，在不違背本發(fā)明精神下，依據(jù)本案實(shí)施態(tài)樣所能進(jìn)行的各種變化。因此，顯見(jiàn)所列的實(shí)施態(tài)樣并非用以限制本發(fā)明，而是企圖在所附權(quán)利要求的定義下，涵蓋于本發(fā)明的精神與范疇中所做的修改。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一微型投影光學(xué)裝置，其特征在于，包含: 一成像模組，包含 一液晶顯示單元，接收一電子信號(hào)，并基于該電子信號(hào)，形成一電子信號(hào)圖像并投射至使用者的眼睛； 一照明模組，包含 一三色發(fā)光二極管，為該照明模組的光源；以及， 一微透鏡陣列單元，均勻化該光源的光線，且提供照明至該液晶顯示單元。2.如權(quán)利要求1所述的微型投影光學(xué)裝置，其特征在于，該液晶顯示單元是一硅基液晶顯示面板，其中該三色發(fā)光二極管是一陣列式三色發(fā)光二極管，其中該微透鏡陣列單元是一單片式微透鏡陣列。3.如權(quán)利要求1所述的微型投影光學(xué)裝置，其特征在于，該成像模組還包含一鏡片組單元以及一分光鏡單元，該鏡片組單元通過(guò)該分光鏡單元結(jié)合一外界圖像與該電子信號(hào)圖像，將該液晶顯示單元上的電子信號(hào)圖像投影進(jìn)入人眼。4.如權(quán)利要求1所述的微型投影光學(xué)裝置，其特征在于，該成像模組還包含一極化分光鏡單元，該極化分光鏡單元偏振來(lái)自該照明模組的均勻光線并提供照明至該液晶顯示單J L ο5.如權(quán)利要求1所述的微型投影光學(xué)裝置，其特征在于，該照明模組是通過(guò)該微透鏡陣列單元、一準(zhǔn)直鏡單元以及一集光鏡單元均勻化該光源的光線。6.如權(quán)利要求1所述的微型投影光學(xué)裝置，其特征在于，該照明模組，是利用色序法來(lái)達(dá)到不同顏色的混光，以提供均勻照明至該液晶顯示單元。7.如權(quán)利要求1所述的微型投影光學(xué)裝置，其特征在于，還包括一圖像/數(shù)據(jù)處理模組，該圖像/數(shù)據(jù)處理模組包含一圖像/數(shù)據(jù)輸入單元、一圖像/數(shù)據(jù)處理單元以及一信號(hào)輸出單元，該圖像/數(shù)據(jù)輸入單元接收外界圖像/數(shù)據(jù)，并通過(guò)該圖像/數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行圖像/數(shù)據(jù)處理，該信號(hào)輸出單元將經(jīng)圖像/數(shù)據(jù)處理后的圖像/數(shù)據(jù)以電子信號(hào)形式傳送至該液晶顯示單元上以供使用者觀察。8.一種光學(xué)透視頭戴顯示器，包含一微型投影光學(xué)裝置，其特征在于，該微型投影光學(xué)裝置具有如權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的模組。9.如權(quán)利要求8所述的光學(xué)透視頭戴顯示器，其特征在于，該光學(xué)透視頭戴顯示器還包含一主機(jī)，其中該主機(jī)具有至少一電路板、多個(gè)輸入/輸出單元、多個(gè)感測(cè)單元及至少一電池。10.如權(quán)利要求9所述的光學(xué)透視頭戴顯示器，其特征在于，該光學(xué)透視頭戴顯示器是通過(guò)一外掛裝置結(jié)合一眼鏡。11.如權(quán)利要求10所述的光學(xué)透視頭戴顯示器，其特征在于，該外掛裝置包含一樞軸及一夾片，該外掛裝置通過(guò)該樞軸與該主機(jī)連接，并利用該夾片夾持一眼鏡的一鏡腳。12.—微型投影光學(xué)方法，其特征在于，包含: 以一液晶顯示單元接收電子信號(hào)； 基于該電子信號(hào)，形成一電子信號(hào)圖像并投射至使用者的眼睛； 提供一三色發(fā)光二極管為照明模組的光源；以及 以一微透鏡陣列單元均勻化該光源的光線，且提供照明至液晶顯示單元。13.如權(quán)利要求12所述的微型投影光學(xué)方法，其特征在于，該液晶顯示單元是一硅基液晶顯示面板，其中該三色發(fā)光二極管是一陣列式三色發(fā)光二極管，其中該微透鏡陣列單元是一單片式微透鏡陣列。14.如權(quán)利要求12所述的微型投影光學(xué)方法，其特征在于，還包含: 利用一鏡片組單元通過(guò)一分光鏡單元結(jié)合一外界圖像與該電子信號(hào)圖像，將液晶顯示單元上的電子信號(hào)圖像投影進(jìn)入人眼。15.如權(quán)利要求12所述的微型投影光學(xué)方法，其特征在于，還包含: 利用一極化分光鏡單元偏振來(lái)自照明模組的均勻光線并提供照明至液晶顯示單元。16.如權(quán)利要求12所述的微型投影光學(xué)方法，其特征在于，還包含: 通過(guò)該微透鏡陣列單元、一準(zhǔn)直鏡單元以及一集光鏡單元均勻化該光源的光線。17.如權(quán)利要求12所述的微型投影光學(xué)方法，其特征在于，是利用色序法來(lái)達(dá)到不同顏色的混光，以提供均勻照明至液晶顯示單元。18.如權(quán)利要求12所述的微型投影光學(xué)方法，其特征在于，還包括通過(guò)一圖像/數(shù)據(jù)輸入單元接收外界圖像/數(shù)據(jù)，并利用一圖像/數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行圖像/數(shù)據(jù)處理，還利用一信號(hào)輸出單元將經(jīng)圖像/數(shù)據(jù)處理后的圖像/數(shù)據(jù)以電子信號(hào)形式傳送至液晶顯示單元上以供使用者觀察。19.一種光學(xué)透視頭戴顯示器，包含利用一微型投影光學(xué)方法，其特征在于，該微型投影光學(xué)方法具有如權(quán)利要求12至18任一項(xiàng)所述的方法。20.如權(quán)利要求19所述的光學(xué)透視頭戴顯示器，其特征在于，該光學(xué)透視頭戴顯示器還包含一主機(jī)，其中該主機(jī)具有至少一電路板、多個(gè)輸入/輸出單元、多個(gè)感測(cè)單元及至少一電池。21.如權(quán)利要求20所述的光學(xué)透視頭戴顯示器，其特征在于，該光學(xué)透視頭戴顯示器是通過(guò)一外掛裝置結(jié)合一眼鏡。22.如權(quán)利要求21所述的光學(xué)透視頭戴顯示器，其特征在于，該外掛裝置包含一樞軸及一夾片，該外掛裝置通過(guò)該樞軸與該主機(jī)連接，并利用該夾片夾持一眼鏡的一鏡腳。
【文檔編號(hào)】G03B21/20GK106033160SQ201510116217
【公開日】2016年10月19日
【申請(qǐng)日】2015年3月17日
【發(fā)明人】黃大維, 林睿騏
【申請(qǐng)人】移動(dòng)光電科技股份有限公司