近眼显示装置及其制作方法与流程

1.本发明涉及一种光学装置及其制作方法，尤其涉及一种近眼显示装置及其制作方法。


背景技术：

2.近眼显示器(near-eye display)一般可分为虚拟实境显示器(virtual reality display,vr display)与扩增实境显示器(augmented reality display,ar display)，其在近年来蓬勃地发展，提供了使用者不同以往的视觉体验。
3.在目前的组装过程中，常在组装完成后，以相机或主动光源从近目端透镜通过整组系统往显示器件照射，进而测量出整组系统的光学参数以决定是否需旋转镜片角度以调整光学效果。然而，此法无法精确测量出每一个元件的光学参数(例如偏振角度或快慢轴角度)，而仅能通过旋转各元件的相对角度来改善组装结果。并且旋转显示器件有难以控制的因素。例如，显示器件上偏光片裁切精度控制与贴合精度控制等种种考虑。在此过程中，由于仅是测量整个系统相对的偏振状态结果，无法确保个别单体的轴向准确性与夹角控制，故无法精确控制输出图像品质。因此，容易因为透镜的轴角度差异而造成具有杂散光与眩光(或称鬼影)等光学品质不佳问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种近眼显示装置及其制作方法，具有良好的对位方式及光学效果。
5.本发明提供一种近眼显示装置，具有一光轴。近眼显示装置包括镜筒、第一光学件、第二光学件、调焦筒以及显示元件。镜筒的延伸方向平行于光轴，且镜筒具有在延伸方向上不同位置的第一承靠面、第二承靠面以及顶面。第一光学件配置于第一承靠面。第一光学件具有偏振轴。第二光学件配置于快轴。调焦筒配置于顶面。显示元件配置于调焦筒的第三承载面，其中第一光学件与第二光学件在光轴的方向的投影至少部分重叠，偏振轴与快轴具有夹角。
6.在本发明的一实施例中，上述的第一光学件与第二光学件的至少其中一者具有切边。
7.在本发明的一实施例中，上述的第一光学件具有第一切边，第二光学件具有第二切边，且第一切边与第二切边在光轴的方向上的投影重叠。
8.在本发明的一实施例中，上述的夹角的角度为45度。
9.在本发明的一实施例中，上述的第一光学件包含曲面透镜、线偏振片以及反射式偏振片。
10.在本发明的一实施例中，上述的第二光学件包含半反射镀膜、四分之一波片以及曲面透镜。
11.在本发明的一实施例中，上述的调焦筒的内壁具有消杂散光结构。
12.在本发明的一实施例中，上述的调焦筒在垂直于延伸方向的截面积，由邻近镜筒的一侧至邻近显示元件的一侧逐渐变小。
13.在本发明的一实施例中，上述的近眼显示装置还包括环状粘着层，连接于顶面与调焦筒之间。
14.在本发明的一实施例中，上述的顶面包括多个第一卡合结构，调焦筒包括多个第二卡合结构，且多个第一卡合结构分别适配于多个第二卡合结构。
15.在本发明的一实施例中，上述的调焦筒的内壁包括多个限位结构，用以抵接并固定显示元件。
16.本发明另提供一种近眼显示装置的制作方法，包括校准第一光学件的偏振轴以获得第一偏振轴角度的步骤；配置第一光学件至镜筒的步骤；校准第一光学件的快轴以获得第一快轴角度的步骤；依据第一快轴角度配置第二光学件至镜筒的步骤，其中第一偏振轴角度与第一快轴角度之间具有夹角；固定第二光学件至镜筒的步骤；配置调焦筒至镜筒的步骤；以及配置显示元件至调焦筒以形成近眼显示装置的步骤。
17.在本发明的一实施例中，上述配置第一光学件至镜筒的方法还包括放置第一光学件至镜筒内的步骤；提供胶水至第一光学件与镜筒的第一承靠面的步骤；以及固化胶水的步骤。
18.在本发明的一实施例中，上述配置第一光学件至镜筒的方法还包括再校准第一光学件的步骤。
19.在本发明的一实施例中，近眼显示装置的制作方法还包括测量第一光学件的偏振轴以获得第二偏振轴角度以与第一偏振轴角度比较的步骤。
20.在本发明的一实施例中，上述测量第一光学件的偏振轴以获得第二偏振轴角度以与第一偏振轴角度比较的方法还包括若第二偏振轴角度与第一偏振轴角度的差大于0.3度则停止组装的步骤。
21.在本发明的一实施例中，上述近眼显示装置的制作方法还包括测量第一光学件与第二光学件的光学表现的步骤。
22.在本发明的一实施例中，上述固定第二光学件至镜筒的方法还包括放置第二光学件至镜筒内的步骤；提供胶水至第二光学件与镜筒的第二承靠面的步骤；以及固化胶水的步骤。
23.在本发明的一实施例中，上述固定第二光学件至镜筒的方法还包括再校准第二光学件的步骤。
24.在本发明的一实施例中，近眼显示装置的制作方法还包括测量第二光学件的快轴以获得第二快轴角度以与第一快轴角度比较的步骤。
25.在本发明的一实施例中，上述测量第二光学件的快轴以获得第二快轴角度以与第一快轴角度比较的方法还包括若第二快轴角度与第一快轴角度的差大于0.3度则停止组装的步骤。
26.在本发明的一实施例中，上述近眼显示装置的制作方法还包括测量显示元件的偏振状态的步骤。
27.在本发明的一实施例中，上述近眼显示装置的制作方法还包括测量近眼显示装置的光学表现的步骤。
28.基于上述，在本发明的近眼显示装置中，近眼显示装置所包含的第一光学件以及第二光学件分别具有偏振轴以及快轴。第一光学件与第二光学件在光轴的方向上的投影至少部分重叠。偏振轴与快轴之间具有夹角。因此，当第一光学件与第二光学件组合至镜筒时，可达到光学调整的效果，进而缩小后续的光学微调范围。除此之外，在本发明的近眼显示装置的制作方法中，通过工艺中第一光学件与第二光学件的各自校准，再通过组装过程中测量第一光学件与第二光学件所获得的误差值，进而获得良好的对位对焦效果，从而提升近眼显示装置的光学品质。
29.为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
附图说明
30.图1a至图1c分别为本发明一实施例的近眼显示装置的立体示意图、剖面示意图以及立体爆炸示意图。
31.图2a及图2b分别图1a的近眼显示装置的主视示意图以及部分立体示意图。
32.图3a及图3b分别图1a的近眼显示装置的后视示意图以及部分立体示意图。
33.图4a至图4l为图1a的近眼显示装置工艺的示意图。
34.图5为本发明一实施例的近眼显示装置的制作方法流程图。
35.图6a至图6d为图1a的另一近眼显示装置部分工艺的示意图。
36.附图标记如下：
37.10:治具
38.20,50:光学测量装置
39.30:点胶装置
40.40:固化装置
41.100:近眼显示装置
42.110:镜筒
43.120:第一光学件
44.130:第二光学件
45.140:调焦筒
46.150:显示元件
47.160:环状粘着层
48.a:消杂散光结构
49.b1:位置
50.c1:第一卡合结构
51.c2:第二卡合结构
52.d:延伸方向
53.e:限位结构
54.f:夹角
55.i:光轴
56.p1:偏振轴
57.p2:快轴
58.s1:第一承靠面
59.s2:第二承靠面
60.s3:顶面
61.s200～s209:步骤
具体实施方式
62.图1a至图1c分别为本发明一实施例的近眼显示装置的立体示意图、剖面示意图以及立体爆炸示意图。请参考图1a至图1c。本实施例提供一种近眼显示装置100，具有光轴i。近眼显示装置100包括镜筒110、第一光学件120、第二光学件130、调焦筒140以及显示元件150。近眼显示装置100例如适用于作为头戴式装置上的显示元件，例如是超薄型头戴式虚拟实境(virtual reality,vr)显示器。具体而言，近眼显示装置100通过第一光学件120与第二光学件130的搭配形成折射光路，使显示元件150所提供出的显示光源能在短距离传递至人眼中，使人眼通过能观察显示画面中的虚像。
63.详细而言，镜筒110的延伸方向平行于光轴i，且具有在延伸方向d上不同位置的第一承靠面s1、第二承靠面s2以及顶面s3。其中，第一承靠面s1与第二承靠面s2皆位于镜筒110内空间，例如是由内壁所形成的平台，而顶面s3可由镜筒110的一侧形成平坦面或可与调焦筒140组合的几何表面，如图1b所显示。镜筒110可以使用任意材料制成，本发明并不限于此。
64.第一光学件120配置于镜筒110的第一承靠面s1，例如是以点胶方式固定于镜筒110中。第一光学件120具有偏振轴p1，作为反射式偏振透镜使用，例如包含曲面透镜、线偏振片以及反射式偏振片，但本发明并不限于此。在本实施例中，第一光学件120具有第一切边l1，适配于镜筒110的内壁几何外形，如图1a及图1c所显示。因此，当第一光学件120组合至镜筒110时，通过第一光学件120的第一切边l1外形结构以及镜筒110的内部构造互相配合，可达到光学调整的效果，进而缩小后续的光学微调范围，例如是控制第一光学件120可在小于3度的范围内进行后续微调。但在其他实施例中，第一光学件120也可为圆形，本发明并不限于此。
65.第二光学件130配置于镜筒110的第二承靠面s2，例如是以点胶方式固定于镜筒110中，第二光学件130与第一光学件120具有间距。第二光学件130具有快轴p2，作为偏振分光透镜使用，例如包含半反射镀膜、四分之一波片以及曲面透镜，但本发明并不限于此。在本实施例中，第二光学件130具有第二切边l2，适配于镜筒110的内壁几何外形，如图1a及图1c所显示。换句话说，第一光学件120与第二光学件130在镜筒110的延伸方向d(即相同于近眼显示装置100的光轴i方向)上的光轴轴向重叠，如图1c所显示。因此，当第二光学件130组合至镜筒110时，通过第二光学件130的第二切边l2外形结构以及镜筒110的内部构造互相配合，可达到光学调整的效果，进而缩小后续的光学微调范围，例如是控制第二光学件130可在小于3度的范围内进行后续微调。但在其他实施例中，第二光学件130也可为圆形，本发明并不限于此。换句话说，可设计第一光学件120与第二光学件130的至少其中一者具有切边即可，或可设计第一光学件120与第二光学件130皆为圆形或皆具有切边，本发明并不限于此。
66.另值得一提的是，第一光学件120与第二光学件130在光轴i的方向上的投影重叠，且第一光学件120的偏振轴p1与第二光学件130的快轴p2之间具有一不为0度的夹角f。如此一来，相较于传统做法，本实施例可使得在组装过程中即有更精准的对位步骤，可进一步获得良好的光学效果。
67.调焦筒140配置于镜筒110的顶面s3。调焦筒140在垂直于镜筒110的延伸方向d的截面积，由邻近镜筒110的一侧至邻近显示元件150的一侧逐渐变小。在本实施例中，调焦筒140的内壁具有消杂散光结构a，用以消除杂散光，例如是阶梯分布的环状平台，如图1b及图1c所显示。因此，可进一步提高近眼显示装置100的显示效果。在不同的实施例中，消杂散光结构a的可选用具有消光、黑色、不透光或反光特性等材料制作而成，本发明并不限于此。
68.图2a及图2b分别图1a的近眼显示装置的主视示意图以及部分立体示意图。请参考图2a及图2b。在本实施例中，镜筒110的顶面s3包括多个第一卡合结构c1，而调焦筒140包括多个第二卡合结构c2，且多个第一卡合结构c1分别适配于多个第二卡合结构c2。这些卡合结构例如可位于均等间隔的多个位置b1，但本发明并不限于此。如此一来，可进一步提高近眼显示装置100的结构强度。在本实施例中，近眼显示装置100还可包括环状粘着层160(见如图4h所显示)，连接于镜筒110的顶面s3与调焦筒140之间，用以粘着并固定镜筒110与调焦筒140。环状粘着层例如是压感双面粘着胶，但本发明并不限于此。
69.请继续参考图1a至图1c。显示元件150配置于调焦筒140，用以提供显示光源，以通过在第一光学件120以及第二光学件130上的穿透或反射作用传递至人眼，进而让使用者获得具有虚像的图像画面。在本实施例中，显示元件150的视场角(field of view,fov)约为95度，但本发明并不限于此。
70.图3a及图3b分别图1a的近眼显示装置的后视示意图以及部分立体示意图。请参考图3a及图3b。在本实施例中，调焦筒140的内壁包括多个限位结构e，用以抵接并固定显示元件150。这些限位结构e例如可位于邻近几何外形转折处的多个位置b2，但本发明并不限于此。如此一来，可进一步提高近眼显示装置100的结构强度，并简化组装难易度。然本发明并不限制调焦筒140固定显示元件150的方式。
71.图4a至图4l为图1a的近眼显示装置工艺的示意图。图5为本发明一实施例的近眼显示装置的制作方法流程图。请同时参考图1b、图4a及图5。本实施例提供一种近眼显示装置100的制作方法流程图，至少可应用于图1a至图1c所显示的近眼显示装置100，故以此为例说明。在本实施例的制作方法中，首先，执行步骤s200，校准第一光学件120的偏振轴(见如图1c的偏振轴p1)以获得第一偏振轴角度。举例而言，本实施例可先利用治具10夹取第一光学件120，再利用光学测量装置20，例如是偏振测量仪，对第一光学件120进行测量，以校准并定位第一光学件120的元件方向，使偏振轴p1定位于0度。
72.请参考图4b至图4d及图5。接着，在上述步骤之后，执行步骤s201，配置第一光学件120至镜筒110。在本实施例中，配置第一光学件120至镜筒110的方法还包括放置第一光学件120至镜筒110内的步骤，提供胶水至第一光学件120与镜筒110的第一承靠面s1的步骤，以及固化胶水的步骤。详细而言，测量后的第一光学件120通过治具10放入镜筒110的第一承靠面s1，如图4b所显示。放入镜筒110的第一光学件120通过点胶装置30对第一光学件120与镜筒110的交界处进行点胶，如图4c所显示。在此步骤中，可适当地对第一光学件120施予压力，以提升交界处的密合程度，但本发明并不限于此。最后，使用固化装置40，例如是紫外
光源，对点胶处进行光线照射固化，如图4d所显示。在另一实施例中，上述的胶水可用环状粘着层(例如是双面胶)代替，本发明亦不限于此。在一实施例中，在上述点胶的方法还可增加再校准第一光学件120的步骤。详细而言，进行点胶后，可再进一步测量第一光学件120的偏振轴的角度以进行细部微调，且在完成细部微调后才进行光线照射固化。如此一来，可进一步提升对位的准确度。
73.请参考图4e及图5。接着，在上述步骤之后，还可以进一步测量第一光学件120的偏振轴(见如图1c的偏振轴p1)以获得第二偏振轴角度以与前述的第一偏振轴角度比较。具体而言，在此步骤中，再利用光学测量装置20对第一光学件120进行光学检测，进一步检查第一光学件120的角度误差。若误差值过大，例如角度偏移大于0.3度，则可视情况重新组装，本发明并不限于此。
74.请参考图4f及图5。接着，在上述步骤之后，执行步骤s202，校准第二光学件130的快轴(见如图1c的快轴p2)以获得第一快轴角度，使快轴定位于45度。因此，可进一步获得较佳的折叠光路。类似于步骤s200，本实施例可先利用治具10夹取第二光学件130，再利用光学测量装置20对第二光学件130进行测量，以校准并定位第二光学件130的第一快轴角度方向。因此，可进一步保持第二光学件130快轴p2定位于角度45度。
75.请参考图4g及图5。接着，在上述步骤之后，执行步骤s203，依据上述的第一快轴角度配置第二光学件130至镜筒110，其中第一偏振轴角度与第一快轴角度之间具有夹角。即在本实施例中，第一偏振轴角度与第一快轴角度之间的夹角为45度。详细而言，测量后的第二光学件130通过治具10放入镜筒110的第二承靠面s2，如图4g所显示。如此一来，可进一步达到第二光学件130与第一光学件120对位的效果。
76.接着，在上述步骤之后，还可以测量第二光学件130的快轴(见如图1c的快轴p2)以获得第二快轴角度以与第一快轴角度比较。具体而言，在此步骤中，再利用光学测量装置对第二光学件130进行光学检测，进一步检查第二光学件130的角度误差。若误差值过大，例如角度偏移大于0.3度，则可视情况重新组装，本发明并不限于此。
77.在一实施例中，近眼显示装置的制作方法还可包括测量第一光学件120与第二光学件130的光学表现的步骤。详细而言，可进一步在此时测量第一光学件120与第二光学件130的调制转换函数(modulation transfer function,mtf)，进而确保其光学表现维持在预定的水准范围内，若误差值过大，则可视情况重新组装或取消制作以减少成本损耗，但本发明并不限于此。
78.接着，在上述步骤之后，执行步骤s204，固定第二光学件130至镜筒110。其中，固定第二光学件130至镜筒110的方法类似于步骤s201，还包括提供胶水至第二光学件130与镜筒110的第二承靠面s2的步骤，以及固化胶水的步骤。除此之外，在上述点胶的方法亦可类似于第一光学件120的方式，增加再校准第二光学件130的步骤。详细而言，进行点胶后，可再进一步测量第二光学件130的偏振轴的角度以进行细部微调，且在完成细部微调后才进行光线照射固化。如此一来，可进一步提升对位的准确度。
79.接着，在上述步骤之后，还可以进一步测量第二光学件130的快轴以获得第二快轴角度以与第一快轴角度比较。具体而言，在此步骤中，再利用光学测量装置20对第二光学件130进行光学检测，进一步检查第二光学件130的角度误差。若误差值过大，例如角度偏移大于0.3度，则可视情况重新组装，本发明并不限于此。
80.请参考图4h至图4j及图5。接着，在上述步骤之后，执行步骤s205，配置调焦筒140至镜筒110。详细而言，配置调焦筒140至镜筒110的步骤还包括利用治具10配置环状粘着层160至镜筒110的步骤，以及利用治具10配置调焦筒140至环状粘着层160以连接镜筒110的步骤。
81.请参考图4l及图5。在上述步骤之后，可进一步测量显示元件150的偏振状态，其方式类似于步骤s200，故不再赘述。接着，在上述步骤之后，执行步骤s206，配置显示元件150至调焦筒140以形成近眼显示装置100。如此一来，相较于传统做法，本实施例在工艺中即有更精准的对位步骤，可进一步获得良好的光学效果。
82.在一实施例中，在上述步骤之后，可进一步测量近眼显示装置100的光学表现。详细而言，测量近眼显示装置100的光学表现的步骤还包括测量近眼显示装置100的调制转换函数的步骤，以及测量近眼显示装置100的眩光、杂散光以及虚像距离的步骤。在此步骤中，可使用光学测量装置50(例如是电荷耦合元件(charge coupled device,ccd)测量近眼显示装置100。
83.图6a至图6d为图1a的另一近眼显示装置部分工艺的示意图。请先参考图6a至图6d。本实施例的近眼显示装置部分工艺类似于图4系列所显示的近眼显示装置部分工艺。本实施例图6a至图6d可取代图4a至图4e所显示的工艺。两者不同之处在于，在本实施例中，可先以点胶装置30对镜筒110的第一承靠面s1进行点胶，如图6a所显示。
84.接着，以光学测量装置50，例如是电荷耦合元件，进行图像定位，通过治具10组装第一光学元件120至镜筒110的第一承靠面s1上，如图6b所显示。接着，使用固化装置40，例如是紫外光源，对点胶处进行光线照射固化，如图6c所显示。最后，利用光学测量装置20，例如是偏振测量仪，对第一光学件120进行测量，以校准并定位第一光学件120的偏振角度方向，使偏振轴p1定位于0度，如图6d所显示。完成上述步骤后，可继续以图4f至图4l所显示的工艺继续进行制作以完成近眼显示装置100。如此一来，通过此实施例的工艺调整，可简化工艺，并提高结构强度。在不同的实施例中，组装第二光学件130的步骤也可沿用本实施例组装第一光学件120的步骤加以进行，在此不再赘述。
85.综上所述，在本发明的近眼显示装置中，近眼显示装置所包含的第一光学件以及第二光学件分别具有偏振轴以及快轴。第一光学件与第二光学件在光轴的方向上的投影至少部分重叠。偏振轴与快轴之间具有夹角。因此，当第一光学件与第二光学件组合至镜筒时，可达到光学调整的效果，进而缩小后续的光学微调范围。除此之外，在本发明的近眼显示装置的制作方法中，通过工艺中第一光学件与第二光学件的各自校准，再通过组装过程中测量第一光学件与第二光学件所获得的误差值，进而获得良好的对位对焦效果，从而提升近眼显示装置的光学品质。
86.虽然本发明已以实施例公开如上，然而其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视随附的权利要求所界定者为准。