可配戴式显示装置的制作方法

1.本发明涉及一种可配戴式显示装置。


背景技术：

2.用于头戴式系统的微显示器通常包含液晶面板、以及将光照射至液晶面板的照明装置。液晶面板可调变入射光以产生影像，而影像透过光学元件显示于使用者的眼睛。
3.依据一种已知的方法，微显示器可利用白光照射液晶面板上的彩色滤光片以形成彩色影像。然而，这种方法需要在每个像素设置至少三个彩色滤光子像素，于是尺寸通常至少变大3倍。如此，导致使用彩色滤光片的微显示器普遍需要较大的光学元件，且由于彩色滤光子像素的电交互作用，使得微显示器显示较差的色彩品质。
4.另一种已知的方法在于使用场色序彩色显示技术，以提供更佳的显示性能并减少微显示器的尺寸。场色序彩色显示器根据红色、绿色及蓝色三主色将一彩色影像分为不同色场。微显示器将每个色场分开地显示时则开启对应的彩色光源。当这些场色迅速地依序显示，即可被使用者的眼睛合成为全色彩影像。由于场色序彩色显示器需要使用位于不同位置的多个光源(即不同颜色的光源)，可能面临无法均匀分布照射光，即由于对应光源的不同位置使得每一个彩色光照射光调变器的空间分布可能不同。
5.有鉴于此，目前需要一种改良的可配戴式显示装置，以便改善上述的缺陷。


技术实现要素：

6.本发明阐述一种可减少尺寸的可配戴式显示装置，其使用不同颜色的多个点状单色光源照射光调变器。
7.依据一实施例，一种可配戴式显示装置包括：一反射型的光调变器，具有一前侧；一导光板，位于该光调变器的该前侧，该导光板具有一入射表面、及位于相对侧的第一、第二主要表面，该入射表面分别与该第一、第二主要表面相连接，该导光板可导引该入射表面所接收的光通过该第一主要表面并往该光调变器传递、且可在该第一主要表面接收从该光调变器输出的影像光并传递该影像光通过该第二主要表面；多个不同颜色的单色光源，可依序发射不同颜色的光；及一光学组件，设于邻近该导光板的该入射表面，该光学组件可将该多个单色光源所发射的单色光沿该入射表面均匀分布，其中，该光学组件包括多个双色分光镜及一导光件，该多个双色分光镜将该多个单色光源的光导引向该导光件的一入光面，而该导光件沿该导光板的该入射表面分布该光。
8.依据一实施例，该导光件的该入光面面向该多个双色分光镜，而该导光件的一主要表面面向该导光板的该入射表面。
9.依据一实施例，该导光件的该入光面和该主要表面相交接，且该导光件的该主要表面沿着该导光板的该入射表面设置。
10.依据一实施例，该导光件包括多个光学结构，该多个光学结构是沿着该导光件自其第一末端延伸至其第二末端的长边分布，其中，该多个光学结构可将通过该导光件的光
反射并导引至该导光件的该主要表面，而该入光面位于该导光件的第一末端。
11.依据一实施例，该导光件在该主要表面的相对侧具有第二主要表面，该多个光学结构包括形成于该第二主要表面上的多个凹槽。
12.依据一实施例，该导光件具有介于1.52与2.2之间的折射率。
13.依据一实施例，该可配戴式显示装置应用于近眼显示器的头戴式系统。
14.依据一实施例，还包括一光学模组，其可聚集该影像光的光束并投影出具有均匀照度的一投影影像至使用者的眼睛。
附图说明
15.图1为绘示依据本发明一实施例所提供的可配戴式显示装置的简易示意图。
16.图2为绘示本发明一实施例在可配戴式显示装置中所提供的成像部的示意图。
17.图3为绘示了图2的成像部的结构的分解图。
18.图4为绘示使用于图2中的成像部的光学积分柱的示意图。
19.图5为绘示光学积分柱的入光窗的截面图。
20.图6及图7分别为绘示光学积分柱的出光窗的截面图。
21.图8为绘示使用于图2的成像部中的导光件的示意图。
22.图9为绘示依据本发明另一实施例在导光板的两个相对侧设有两组单色光源的成像部的示意图。
23.图10为绘示使用于图9的成像部中的导光件的示意图。
24.图11至图13为绘示光学组件的其它实施例的示意图。
具体实施方式
25.图1为绘示依据本发明一实施例所提供的可配戴式显示装置100的示意图。可配戴式显示装置100可应用于可携式系统，例如应用于近眼显示器的头戴式系统。可配戴式显示装置100可包含一成像部102及一光学模组104。成像部102可根据所接收的资料产生一影像光l2。光学模组104可聚集影像光l2的光束，并投影出具有均匀照度的一投影影像pi至使用者的眼睛。光学模组104例如可包括投影透镜、视场透镜、分光器、棱镜、反射元件及其类似元件。
26.图2为绘示可配戴式显示装置100中的成像部102的示例结构的示意图，而图3为绘示图2的成像部102的结构的分解图。参考图2、3，成像部102包括一组单色光源112a、112b、112c、一反射型的光调变器114、一导光板116、一极化器118及一光学组件120。光学组件120用以将多个单色光源112a、112b、112c所发射的光传递至导光板116。
27.各单色光源112a、112b、112c可发射不同颜色的照射光。依据一实施例，单色光源112a、112b、112c可为红光、绿光及蓝光发光二极管。可理解的是，单色光源112a、112b、112c可包含其它颜色的单色光源。依据一实施例，成像部102可采用场色序彩色显示，而单色光源112a、112b、112c可依序发射不同颜色的光(例如红、绿、蓝)。各单色光源112a、112b、112c所发出的单色光可照射至光调变器114，以产生一单色影像。因单色光源112a、112b、112c为迅速地依序被启动，观察者的眼睛可将这些单色影像合成为全彩影像。
28.参考图2、图3，光调变器114具有位于相对侧的前侧114f及后侧114b。依据一实施
例，光调变器114可为硅基液晶(lcos)面板，其包含一硅基板106、一透明基板108、及夹于硅基板106与透明基板108之间的液晶105。硅基板106可包含一驱动电路、和由多个与驱动电路电性连接的像素电极所组成的阵列。光调变器114可根据所接收的影像资料调变其前侧114f所接收的照射光l1的极化状态，以便形成一影像光l2，其传达所欲呈现的影像，然后光调变器114将影像光l2反射至前侧114f，以显示影像。依据一实施例，光调变器114可为微型显示器，其特别适用于头戴装置。
29.导光板116可为玻璃或透明树脂，其中，透明树脂例如为丙烯酸酯树脂、聚碳酸酯树脂、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)等，尤其是低双折射的材质。导光板116为平面导光，其具有两个位于相对侧的主要表面122和124、及连接两个主要表面122和124之间的入射表面126。入射表面126沿着导光板116的一侧边116a延伸并由导光板116的两个相对侧边116b、116c所界定，其中侧边116b、116c分别与侧边116a相交接。导光板116设置于光调变器114的前侧114f处并介于光调变器114与极化器118之间，主要表面122、124分别朝向光调变器114与极化器118。导光板116可在入射表面126接收照射光l1，沿着平行于光调变器114的平面传播照射光l1，且引导照射光l1通过主要表面122至光调变器114，以便被调变。另外，导光板116还可在主要表面122接收从光调变器114输出的影像光l2，且传递影像光l2通过主要表面124至极化器118。
30.极化器118可为反射型的极化器，即极化器118可传送调变后的影像光l2中具有一极化状态(例如p-极化的部分)的第一部分，并反射调变后的影像光l2中具有另一极化状态(例如s-极化的部分)的第二部分。依据另一实施例，极化器118可为吸收型的极化器，即极化器118可传送调变后的影像光l2中具有一极化状态(例如p-极化的部分)的第一部分，并吸收调变后的影像光l2中具有另一极化状态(例如s-极化的部分)的第二部分。如，离开极化器118的部分光可传播至图1所示的光学模组104。
31.参考图2、图3，光学组件120设于邻近导光板116的入射表面126。光学组件120可将单色光源112a、112b、112c所发射的各单色光均匀化，并将均匀化的单色光沿导光板116的入射表面126分布成照射光l1。依据一实施例，光学组件120可包括一光学积分柱130、一导光件132、设置于光学积分柱130与导光件132间的扩散片134、及设置于导光件132与导光板116的入射表面126之间的极化器136。
32.配合参考图2、图3，图4为绘示图2中的光学积分柱130的示意图。参考图2至图4，光学积分柱130可大致沿着导光板116的侧边116b延伸，而侧边116b与导光板116的入射表面126所在的侧边116a相交接。光学积分柱130可具有一入光窗138、一长形部140、一转折部142、及一出光窗144。光学积分柱130的内部具有多个反射型的内侧壁，使单色光源112a、112b、112c所发射的光通过光学积分柱130时产生内反射。
33.光学积分柱130的入光窗138形成于长形部140的一末端，且设于邻近单色光源112a、112b、112c。入光窗138的截面可具有不同的形状。图5绘示入光窗138的截面形状为矩形的实施例。然而，入光窗138的截面形状不限于矩形，也可为其它截面形状。
34.光学积分柱130的长形部140大致沿着轴向x1延伸，并于入光窗138的相对侧与转折部142相连接。转折部142可沿着轴向x2延伸，而轴向x2为相对于长形部140的轴向x1倾斜一角度c，使转折部142可将光导引至位于长形部140的一侧边的出光窗144。依据一实施例，转折部142的角度c可介于约40度至60度之间，例如约45度。
35.光学积分柱130的出光窗144与转折部142相连接，且出光窗144是位于沿轴向x与入光窗138相间隔之处并开设于长形部140的一侧。如图3、图4所示，出光窗144从长形部140侧向突出，以便导引光传送至光学积分柱130之外后朝向导光件132。出光窗144的截面可具有与入光窗138的截面相同或不同的形状。例如，图6绘示出光窗144的截面形状为长方形的实施例，而图7绘示出光窗144的截面形状为多边形(例如八角形)，其与入光窗138的截面形状不相同。
36.配合图2、图3，图8为绘示导光件132的示意图。参考图2、图3、及图8，导光件132可沿着导光板116的入射表面126设置。导光件132可具有介于1.52与2.2之间的折射率。导光件132的适合材料例如为，但不限于，玻璃或透明树脂，其中透明树脂例如为丙烯酸酯树脂、聚碳酸酯树脂、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)。导光件132可具有两个位于相对侧的主要表面146和148、及一入光面150，入光面150位于导光件132的末端132a且分别与两个主要表面146、148相连接。导光件132的主要表面146面向并位于邻近导光板116的入射表面126，入光面150则面向并位于邻近光学积分柱130的出光窗144。
37.参考图3与图8，导光件132还包括多个光学结构154，光学结构154是沿着导光件132自其一末端132a延伸至其另一末端132b的长边分布。多个光学结构154可将通过导光件132的光反射并导引至导光件132的主要表面146。依据一实施例，光学结构154可为形成于导光件132的主要表面148上的多个凹槽156。各凹槽156的形状可为类似v字形，其由两个呈倾斜的侧壁156a、156b所定义，且两个侧壁156a、156b在凹槽156的底端156c相交接。各凹槽156可分别具有一参考轴y，其与主要表面144的平面相垂直且通过凹槽156的底端156c。两个侧壁156a、156b实质上呈平坦，且在参考轴y的两侧分别沿着两个方向z1、z2延伸，其中，侧壁156a面向入光面150，侧壁156b则面向导光件132中相对于入光面150的另一末端132b。
38.各凹槽156具有非对称的形状，也就是说侧壁156a与参考轴y之间的角度a1(不等于0)不同于侧壁156b与参考轴y之间的角度a2(不等于0)。更具体地，角度a1可介于约30度和65度之间，更佳地，介于40度和50度之间。角度a2则小于角度a1，且可介于0度和30度之间，更佳地，介于0度和15度之间。
39.此外，各凹槽156中在两个侧壁156a、156b之间可定义出最大宽度w，其至少等于0.1微米(μm)。相邻的两个凹槽156间所定义的凹槽周期p为小于100微米。更佳地，各凹槽156的最大宽度w介于1微米和100微米之间，且凹槽周期p介于1微米和100微米之间，其中凹槽周期p大于最大宽度w。从导光件132的末端132a到另一末端132b的凹槽周期p可为固定或变动。
40.继续参阅图8，凹槽156的两侧壁156a、156b上可形成多层涂布膜158，其可包含介电层或金属层。多层涂布膜158例如包含tio2、ta2o5、ti3o5、al2o3、sio2、mgo等。另外，多层涂布膜158中的每一层的厚度可介于5纳米与5000纳米(nm)之间。两个侧壁156a、156b对于通过导光件132的照射光进行反射时，多层涂布膜158即可促进极化的过滤。
41.依据一实施例，导光件132中朝向与入光面150所在的末端132a相对的末端132b可具有渐缩的形状，也就是说导光件132介于两个主要表面146、148之间的厚度于邻近末端132b处小于邻近末端132a处。此锥形有助于传播光至导光件132中远离入光面150的末端处。
42.如前所述，导光件132可于入光面150处接收光，且导引光通过主要表面146并朝向
导光板116的入射表面126传递(如图8的箭头r所示)。为了避免漏光的现象，具有至少一反射侧壁160a的盖体160可覆盖导光件132，反射侧壁160a可设置于邻近导光件132的主要表面148。
43.再次参考图2、图3，扩散片134可夹设于光学积分柱130的出光窗144与导光件132的入光面150之间。扩散片134可增加角度的均匀化，以减少进入导光件132的光随着颜色的不同而改变角度。
44.参考图3，极化器136设置于导光件132的主要表面146与导光板116的入射表面116c之间。依据一实施例，极化器136可为反射型的极化器。任一单色光源112a、112b、112c的发射光例如为随机极化光，而极化器136可将离开导光件132的主要表面146的光在通过导光板116的入射表面126之前转变为s-极化状态的照射光l1。
45.如图3所示，在运作的过程中，各单色光源112a、112b、112c的照射光可沿着光路径e传递，其依序通过光学积分柱130、扩散片134、导光件132、极化器136，然后通过入射表面126进入导光板116。在光路径e中，光学积分柱130可在空间中均匀化多个点状的单色光源112a、112b、112c所发射的照射光，且扩散片134可将这些光源的照射光角度均匀化。至于导光件132则将均匀化的光沿导光板116的入射表面126均匀地分布成照射光l1。藉此，光学组件120可确保单色光源112a、112b、112c所输出的光是以均匀的分布传递至导光板116，而不是按照多个单色光源112a、112b、112c的不同位置而变化。
46.上述的成像部102于导光板116的一侧边116b设置一组单色光源112a、112b、112c，但为了增加传递至入射表面126的亮度，于导光板116的另一侧边116c也可设置另一组单色光源。图9为绘示本发明另一实施例的成像部102’的示意图，其中两组单色光源分别设置于导光板116的两个侧边116b、116c。参考图9，除了如前述设置于导光板116的侧边116b的单色光源112a、112b、112c，成像部102’还包括设置于导光板116的另一侧边116c的多个单色光源162a、162b、162c。除了如前述与单色光源112a、112b、112c搭配的光学积分柱130，成像部102’还包括另一光学积分柱164，其沿着导光板116的侧边116c设置，以搭配所增加的单色光源162a、162b、162c。另外，光学组件120’也包括导光件132’，其取代图3所示的导光件132，其中，导光件132’可与两个光学积分柱130、164合作。
47.所增加的光学积分柱164可与前述的光学积分柱130具有相同的结构。类似于光学积分柱130，光学积分柱164可具有一入光窗168、一长形部170、一转折部172、及一出光窗174。单色光源162a、162b、162c设于邻近光学积分柱164的入光窗168，而光学积分柱164的出光窗174面向导光件132’的末端132b。如前所述，可将一扩散片176夹设于光学积分柱164的出光窗174与导光件132’之间。
48.配合图9，图10为绘示光学组件120’的导光件132’的示意图。参考图9、图10，导光件132’具有两个位于相对侧的主要表面146和148、及定义于导光件132’的两个相对末端132a和132b的两个入光面150，两个入光面150分别连接两个主要表面146、148。导光件132’的设置使得主要表面146位于邻近导光板116的入射表面126，且两个入光面150分别位于邻近光学积分柱130的出光窗144与光学积分柱164的出光窗174。
49.参考图10，导光件132’还包括多个光学结构180，光学结构180沿着导光件132’自其末端132a至末端132b的长边分布。光学结构180可产生光学反射作用，以将从导光件132’的两个末端132a、132b进入导光件132’的光导引向主要表面146。依据一实施例，光学结构
180可为形成于导光件132’的主要表面148上的多个凹槽182。各凹槽182的形状可为类似v字形，其由两个呈倾斜的侧壁182a、182b所形成，且两个侧壁182a、182b在凹槽182的底端182c相交接。各凹槽182可分别具有一参考轴y，其与主要表面148的平面相垂直且通过凹槽182的底端182c。两个侧壁182a、182b实质上呈平坦，且在参考轴y的两侧分别沿着两个方向z1、z2延伸。
50.各凹槽182具有对称的形状，也就是说侧壁182a与参考轴y之间的角度b1(不等于0)实质上等于侧壁182b与参考轴y之间的角度b2(不等于0)。更具体地，各角度b1、b2可分别介于约30度和65度之间，更佳地，介于40度和50度之间。
51.此外，各凹槽182中在两个侧壁182a、182b之间可定义出最大宽度w，其至少等于0.1微米。相邻的两个凹槽182间所定义的凹槽周期p为小于100微米。更佳地，各凹槽182的最大宽度w介于1微米和100微米之间，而凹槽周期p介于1微米和100微米，其中，凹槽周期p大于最大宽度w。从导光件132’的末端132a到另一末端132b的凹槽周期p可为固定的。
52.类似于前述，导光件132’上可形成多层涂布膜158，其可包含沉积于凹槽182的侧壁182a、182b上的介电层或金属层。多层涂布膜158例如包含tio2、ta2o5、ti3o5、al2o3、sio2、mgo等。另外，多层涂布膜158中的每一层的厚度可介于5纳米与5000纳米之间。
53.藉由光学组件120’，单色光源112a、112b、112c的发射光可通过光学积分柱130及扩散片134，且经由导光件132’导引向导光板116的入射表面126。类似地，单色光源162a、162b、162c的发射光可通过光学积分柱164及扩散片176，且经由导光件132’导引向导光板116的入射表面126。藉此，照射光可均匀地且以更高的亮度传递至导光板116的入射表面126。
54.前述的光学组件120、120’使用光学积分柱与导光件，然而，本发明也可由其它的光学组件将单色光源的照射光均匀地传递至导光板116的入射表面126。图11至图13为绘示一些其它光学组件的例子。
55.图11为绘示另一种用以将单色光源112a、112b、112c的照射光传递至导光板116的入射表面126的光学组件220的示意图。光学组件220可包括一耦合镜222、一蝇眼透镜阵列224及一菲涅尔透镜(fresnel lens)226。光学组件220的组成元件都可设置于导光板116的入射表面126的侧边116a。单色光源112a、112b、112c的每一个照射光在通过入射表面126进入导光板116之前，可依序通过耦合镜222、蝇眼透镜224及菲涅尔透镜226。
56.图12为绘示另一种用以将单色光源112a、112b、112c的照射光传递至导光板116的入射表面126的光学组件320的示意图。光学组件320可包括一光学积分柱322、一菲涅尔透镜324、及夹设于光学积分柱322与菲涅尔透镜324之间的扩散片326。上述光学组件320的组成元件都可设置于导光板116的入射表面126的侧边116a。单色光源112a、112b、112c的每一个照射光在通过入射表面126进入导光板116之前，可依序通过光学积分柱322、扩散片326、以及菲涅尔透镜324。
57.图13为绘示另一种用以将单色光源112a、112b、112c的照射光传递至导光板116的入射表面126的光学组件420的示意图。光学组件420可包括一导光件422及多个双色分光镜424。导光件422例如具有类似于前述导光件132的结构。导光件422具有相交接的入光面432和主要表面434，导光件422的入光面432面向双色分光镜424，而主要表面434面向导光板116的入射表面126。双色分光镜424可将单色光源112a、112b、112c的每一个照射光导引至
导光件422的入光面432，而导光件422再沿导光板116的入射表面126分布光。
58.本发明所述的可配戴式显示装置，至少包含以下优点：可显示鲜艳的色彩、高对比与高解析度。此外，所述的可配戴式显示装置包括一光学组件，其可均匀地分布多个单色光源所发射的光，使得光调变器所受到的各颜色光呈均匀分布。
59.以上叙述依据本发明多个不同实施例，其中各项特征可以单一或不同结合方式实施。因此，本发明实施方式的揭露为阐明本发明原则的具体实施例，应不局限本发明于所揭示的实施例。进一步言之，先前叙述及其附图仅为本发明示范之用，并不受其限制。其他元件的变化或组合都可能，且不悖于本发明的精神与范围。
60.附图标记说明：
61.100可配戴式显示装置
62.102、102’成像部
63.104光学模组
64.105液晶
65.106硅基板
66.108透明基板
67.112a、112b、112c单色光源
68.114光调变器
69.114b前侧
70.114f后侧
71.116导光板
72.116a、116b、116c侧边
73.118极化器
74.120、120’光学组件
75.122第一主要表面
76.124第二主要表面
77.126入射表面
78.130光学积分柱
79.132、132’导光件
80.132a、132b末端
81.134扩散片
82.136极化器
83.140长形部
84.142转折部
85.144出光窗
86.146第一主要表面
87.148第二主要表面
88.150入光面
89.154光学结构
90.156凹槽
91.156a、156b侧壁
92.156c底端
93.158多层涂布膜
94.160盖体
95.160a反射侧边
96.162a、162b、162c单色光源
97.164第一主要表面
98.168入光窗
99.170长形部
100.172转折部
101.174出光窗
102.176扩散片
103.180光学结构
104.182凹槽
105.182a、182b侧壁
106.182c底端
107.220光学组件
108.222耦合镜
109.224蝇眼透镜阵列
110.226菲涅尔透镜
111.320光学组件
112.322光学积分柱
113.324菲涅尔透镜
114.326扩散片
115.420光学组件
116.422导光件
117.424双色分光镜
118.432入光面
119.434主要表面
120.l1照射光
121.l2影像光
122.e光路径
123.x1、x2轴向
124.c角度
125.y参考轴
126.z1、z2方向
127.a1、b1、a2、b2角度
128.w最大宽度
129.p凹槽周期
130.r箭头。