專利名稱：具視焦距壓縮組的單體雙折射影像顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種影像顯示裝置，尤指一種適用于眼鏡型或頭盔型的影像顯示裝置。
背景技術(shù)：
近年來，各種視聽設(shè)備與顯示裝置的進(jìn)步日新月異，除了功能加強(qiáng)外，輕薄短小、方便攜帶亦為顯示器發(fā)展的主流；其中一種新興的顯示裝置便為虛擬實(shí)境(virtual reality)技術(shù)，由各種科技的整合，如顯示器科技、電腦科技、感官科技與音效科技等，將原本大尺寸的視聽設(shè)備縮小于方寸之間，成為可攜帶式眼鏡型投影顯示裝置。而一般的平面顯示器雖然重量減輕，但是其尺寸受限于材料重量以及成本，并無法做到同時(shí)放大影像尺寸并容易攜帶的功效。是以目前的顯示器并無法符合市場追求大尺寸影像顯示的消費(fèi)需求。近來，諸多業(yè)者競相看好投影顯示器，尤其是眼鏡型顯示器，因?yàn)槠潴w積小，卻可以利用光學(xué)元件的組合，讓使用者可以達(dá)到大尺寸螢?zāi)坏挠^賞效果。一般預(yù)料眼鏡型的顯示器可以節(jié)省一般顯示器的占用空間以及大幅減低達(dá)到同等效果顯示器的重量，滿足高級(jí)視聽的需求。然而目前的眼鏡型投影顯示裝置雖然重量較輕，但是配戴于頭上仍然過于沉重。
而且，目前一般傳統(tǒng)的眼鏡型投影顯示裝置的影像景深并不大，其產(chǎn)生的影像雖可以辨識(shí)，但是影像的品質(zhì)(例如景深)尚待提升。影像景深的加大，即可以提高顯示影像的品質(zhì)。而往昔的眼鏡型顯示器是以兩個(gè)小尺寸CRT映像管架設(shè)于使用者的眼前，由縮短CRT與眼睛的距離達(dá)到放大尺寸的效果。但是此種設(shè)計(jì)對(duì)于使用者頭部的重量負(fù)荷大，且輻射線強(qiáng)，并不實(shí)用。爾近常用的一般眼鏡型投影顯示裝置采用平面顯示裝置，其原理如圖1所示，包含一液晶顯示器110、一雙向分光器120、一偏光光束分離器130、一投影鏡頭140以及二平面鏡或凹面鏡150、160。該液晶顯示器110所提供的影像經(jīng)由該二鏡面150與160進(jìn)行兩次反射，將影像投射于觀測者眼中。但此種投射方式所形成的最終影像為實(shí)像，使用時(shí)因?yàn)榻嚯x觀測，會(huì)強(qiáng)迫眼睛的水晶體彎曲而壓迫眼球；請(qǐng)接著參見圖2a至2e，此為公知的多卜勒效應(yīng)于人眼作用的示意圖。正如同現(xiàn)在許多人所使用的錄影機(jī)或照相機(jī)一般，當(dāng)使用者手持照相機(jī)在移動(dòng)中嘗試對(duì)焦時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)照相機(jī)的鏡頭一直在前后調(diào)整其焦距，這是因?yàn)檎障鄼C(jī)必須嘗試去厘清究竟哪些部分是所欲拍攝的主體、該主體距離相機(jī)的距離等等，才能正確地調(diào)焦而拍出清楚的影像。人類的眼睛正如相機(jī)的鏡頭一般，必須隨時(shí)快速地調(diào)整水晶體的曲率、眼軸的長短以適應(yīng)不同距離的景物。如圖2a所示，當(dāng)眼睛所見物體影像為靜止的實(shí)像6時(shí)，眼球5與水晶體51維持在正常的狀態(tài)；接著請(qǐng)參見圖2b，當(dāng)實(shí)像61與眼球501處在一相對(duì)移動(dòng)中時(shí)，眼球501為了抓住正確的影像因此必須快速調(diào)整眼軸的長度以及水晶體511的曲率，如在圖2c中水晶體512曲率變小而變得較為扁平，并且眼球502的眼軸長為了適應(yīng)水晶體512的曲率而變短；或者如圖2d中水晶體513的曲率變大而變得較為厚圓，并且眼球503的軸長為了適應(yīng)水晶體513的曲率而變長最后，如圖2e所示，水晶體514調(diào)整到一正確的曲率，眼軸也隨之調(diào)整到504的狀態(tài)。在調(diào)整的過程當(dāng)中由于物體移動(dòng)的速度高于于眼球調(diào)整的速度，因此會(huì)有殘像62的產(chǎn)生，即公知的多卜勒效應(yīng)。并且，在快速調(diào)整焦距的過程中，眼球周圍的微血管大量流通血液會(huì)給眼球造成壓力，長時(shí)間、頻繁地調(diào)整焦距之下所造成的眼壓過高不僅會(huì)對(duì)人眼形成不舒適的感覺，嚴(yán)重者更恐有視網(wǎng)膜剝離之虞！因此該種實(shí)像投影裝置若應(yīng)用于眼鏡型顯示裝置中，觀測時(shí)間(數(shù)小時(shí)內(nèi))拉長時(shí)結(jié)果含造成觀測者眼壓升高，而產(chǎn)生暈眩不適的癥狀，甚至嚴(yán)重者導(dǎo)致視網(wǎng)膜剝離，所以不適合幼小孩童或患有心臟病或高血壓病患使用。而投射實(shí)像于眼球成像，其放大倍數(shù)若欲提升，則需要拉長投射鏡組與眼球的距離，如此若欲加大影像放大倍率，則需要加大投影系統(tǒng)所占用的空間，于實(shí)際上并不實(shí)用。
另外，該形成投影實(shí)像于眼中的顯示裝置，于使用者頭部移動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生因?yàn)楣碛耙约岸嗖防招?yīng)引起的影像模糊或嚴(yán)重晃動(dòng)，所以顯示品質(zhì)不佳，應(yīng)用領(lǐng)域不廣。因此，目前市場上仍需要一種新的顯示裝置，可有效放大微顯示器所提供的影像，并維持高解析度，其成像方法不會(huì)壓迫眼球，即使近距離、長時(shí)間使用亦不會(huì)造成眼壓升高的癥狀。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種影像顯示裝置，能有效放大微顯示器所提供的影像，占用空間小，維持影像解析度，加大影像景深，避免壓迫眼球，延長使用時(shí)間，材料成本低，電力消耗低，放大倍率調(diào)整容易，影像亮度對(duì)比高，減少多卜勒及鬼影效應(yīng)，適合作為眼鏡型或頭盔型顯示裝置。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的影像顯示裝置，主要包括一顯示單元，以提供影像；二第一折射鏡組，位于該顯示單元的一側(cè)，用以偏折該顯示單元所發(fā)出的光線；二第一反射單元，位于該顯示單元相對(duì)于該第一折射鏡的同一側(cè)，用以偏折自該第一折射鏡組所發(fā)出的光線，其中該第一折射鏡組位于該一反射鏡組與該顯示單元之間；二第二反射單元，相對(duì)于該用以偏折自該第一反射單元射出的光線，其中該二第一折射單元一反射單元位于該二第二反射單元之間；二視焦距壓縮單元，分別位于該單一第一折射單元與該單一第二反射單元之間，以改變光的景深；二第二折射鏡組，位于該第二反射單元的一側(cè)，但該第二折射鏡組不位于該第二反射單元及該第一折射單元反射單元形成的直線，用以分別偏折自該第二反射單元穿透或反射的光線；以及二虛像成像鏡組，分別位于該二第二折射鏡組的另一側(cè)，以偏折由該第二折射鏡組所傳來的光線，且該虛像成像鏡組將該第二折射鏡組所形成的影像轉(zhuǎn)換成虛像；其中，該第二折射鏡組位于該第二反射單元與該虛像成像鏡組之間；且該顯示單元所顯示的影像，經(jīng)由該第一折射鏡組折射形成一與原影像倒立的影像，之后再經(jīng)由該第一反射單元反射、該視焦距壓縮單元與該第二反射單元至該第二折射鏡組，并穿透該折射鏡組偏折形成一與原影像正立的實(shí)像，再經(jīng)由該虛像成像鏡組轉(zhuǎn)換成與原影像正立的虛像。
其中該第二折射鏡組同時(shí)具聚光及放大影像的功能以分別偏折自該第二反射單元穿透或反射的光線，形成倒立放大實(shí)像；且該虛像成像鏡組將該第二折射鏡組所形成的倒立實(shí)像轉(zhuǎn)換成虛像。
其中該折射鏡組為一聚光鏡組。
其中該自反射單元的入射光與該折射鏡組入射面法線形成一夾角Y；且該夾角Y大于0度，小于90度，優(yōu)選該夾角介于0度及70度之間。
其中該每一第一折射鏡組為一凸透鏡。
其中每一第一折射鏡組為二單凸透鏡，且該二單凸透鏡的曲率不同。
其中每一第一反射單元為具反射功能的三棱鏡。
其中每一第二折射鏡組為二單凸透鏡，且該二單凸透鏡的曲率不同。
其中該第二折射鏡組為一凸透鏡，用于偏折該反射單元的光線，并同時(shí)放大穿透該折射鏡組的影像。
其中該顯示單元為一平面微顯示器。
其中該顯示單元為液晶顯示器(LCD)、L-COS微顯示器或DMD微顯示器。
其中該第二反射單元為具反射功能的三棱境。
其中該虛像成像鏡組為一凹面鏡組或凹透鏡。
其中該虛像成像鏡組為平面鏡組。
其中經(jīng)該折射鏡組形成的實(shí)像與該虛像成像鏡組的間距小于該虛像成像鏡組的焦距。
其中經(jīng)該反射單元反射的像與該折射鏡組的間距介于該折射鏡組的焦距與其兩倍焦距之間。
其還包含至少一光源，用以提供該顯示單元光線。
其還包含一繞射鏡組，該繞射鏡組位于該視焦距壓縮單元與該反射單元之間，用以提高自該反射單元發(fā)出的光線半輝度角。
其還包含至少一半固態(tài)液晶層遮罩于該虛像成像單元的一側(cè)，以控制外界光線的進(jìn)入。
其還包含至少一可調(diào)式遮罩于該虛像成像單元的一側(cè)，以控制外界光線的進(jìn)入。
所述的影像顯示裝置，其作為眼鏡型(Goggle type)顯示裝置或頭盔型(Head Mount)顯示裝置。
上述的顯示裝置可應(yīng)用于任何影像、圖片、符號(hào)及文字顯示的用途或設(shè)備，較佳為電視、電腦、印表揭的資訊顯示裝置、螢?zāi)?、運(yùn)輸載具(vehicle)的資訊顯示裝置、信號(hào)機(jī)器、通訊設(shè)備(例如無線于機(jī)，電話)的資訊顯示裝置、電話的資訊顯示裝置、交談式電子書、微顯示器(microdisplay)、釣魚(fishing)設(shè)備的顯示、個(gè)人數(shù)字助理(personal digital assistant)、虛擬旋游戲機(jī)(game)、虛擬飛行訓(xùn)練的資訊顯示裝置、飛機(jī)(airplane)設(shè)備的顯示及游戲眼罩的顯示等。


圖1為常用影像投影顯示裝置。
圖2a，2b，2c，2d，2e為人眼多卜勒效應(yīng)的示意圖。
圖3為人眼觀看實(shí)像的示意圖。
圖4a，4b，4c為人眼觀看虛像的示意圖。
圖5為公知以凸透鏡直接放大投影的示意圖。
圖6為公知以凹面鏡反射投影的示意圖。
圖7為本發(fā)明以折射投影的示意圖。
圖8為本發(fā)明眼鏡型影像顯示裝置內(nèi)部的剖面圖。
圖9為本發(fā)明眼鏡型影像顯示裝置內(nèi)部的上視圖。
圖10為本發(fā)明眼鏡型影像顯示裝置內(nèi)部的側(cè)視圖與虛像成像原理。
圖11為本發(fā)明眼鏡型影像顯示裝置的組合示意圖。
圖12為本發(fā)明眼鏡型影像顯示裝置的另一組合示意圖。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)先參見圖3及圖4，此二圖為眼睛成像的實(shí)像、虛像差別示意圖。圖3為公知的投影系統(tǒng)所投射為實(shí)像4的狀況，在眼睛所視為實(shí)像的情況下，眼睛必須正確調(diào)焦以使影像成像在視網(wǎng)膜上，才能“看見”影像41，而如前段所述，調(diào)焦的過程會(huì)帶給眼睛壓力。圖4a至4c為本發(fā)明眼睛所視為虛像的情況。在此情況下，當(dāng)該成像鏡組(凹面鏡)260為透明時(shí)，顯示單元(圖中未示)所投射的實(shí)像42會(huì)在該成像鏡組260之后形成一虛像43，而由于人眼睛于觀察反射面的虛像時(shí)，眼球調(diào)整其焦點(diǎn)于該反射面，于是人眼睛于觀看反射面的虛像時(shí)，眼睛無須另外調(diào)整焦距，僅需要對(duì)焦于反射面。而反射的物體或顯示器中投射于反射面的影像若有運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)檠劬λ鶎?duì)焦者僅為反射面，亦即眼球無須因?yàn)榉瓷涞奈矬w或顯示器中影像運(yùn)動(dòng)而大幅調(diào)整焦距，只要反射的物體影像或顯示器中運(yùn)動(dòng)的影像，于經(jīng)過眼球中水晶體后投射于視網(wǎng)膜上的成像，可以為數(shù)層視網(wǎng)膜所辨識(shí)的景深，即可以讓眼睛清楚地看見影像或分辨影像的運(yùn)動(dòng)，但是不必隨著影像快速地調(diào)整眼球的長短以適應(yīng)影像的運(yùn)動(dòng)，是以眼壓不會(huì)升高。
而眼球內(nèi)感覺非透明反射面虛像的遠(yuǎn)近，約略可以圖4b及4c來說明。因?yàn)檠矍虻囊暰W(wǎng)膜為多層的結(jié)構(gòu)，眼球可以以多層結(jié)構(gòu)來感覺影像的遠(yuǎn)近。當(dāng)虛像44經(jīng)一反射面260進(jìn)入眼球時(shí)，眼球會(huì)自動(dòng)調(diào)整使非穿透反射面穿過水晶體的相對(duì)成像于視網(wǎng)膜，而該反射面上經(jīng)反射形成的虛44像，于經(jīng)過眼球水晶體后，含在眼球水晶體焦距調(diào)整固定于反射面的情形下，于視網(wǎng)膜多層結(jié)構(gòu)上成像，眼睛透過視網(wǎng)膜“感覺”到影像412落于眼球視網(wǎng)膜前，亦即“感覺”該影像存在于視網(wǎng)膜上反射面前，介于水晶體與視網(wǎng)膜之間，如圖4b所示，再傳至腦部后，看到該虛像于該反射面之前，但是眼球的焦距并無改變。而當(dāng)實(shí)像位于反射面260的表面，經(jīng)水晶體折射后的影像413也將落于視網(wǎng)膜的表面。而結(jié)合圖4b及4c可以說明物體或影像及使有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由以上說明可以知道、虛像運(yùn)動(dòng)時(shí)，眼球不需要調(diào)整焦距，因此沒有眼壓增高、影像重疊或殘像的多卜勒效應(yīng)的問題，此也為虛像投影成像的優(yōu)點(diǎn)。
接著請(qǐng)參見圖5、圖6及圖7，此三圖為本發(fā)明中所使用的折射鏡組相較于公知技術(shù)的示意圖。圖5為公知使用凸透鏡170直接投射，由于外來光源180的光徑與顯示單元190所欲投射成像的光徑方向相同，因此外來光源將會(huì)對(duì)所投影的影像形成強(qiáng)烈干擾；圖6則為公知使用凹面鏡171反射成像的投影系統(tǒng)，在此圖中外來光源180的光徑與顯示單元190所投射影像的光徑亦相同，因此也含產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾；圖7則為本發(fā)明利用折射成像，在本圖中該凸透鏡(折射成像鏡組)172與顯示單元190之間有一夾角存在，當(dāng)外來光源180經(jīng)凸透鏡172折射后的光徑與入顯示單元190所投射影像的先徑并不相同，不會(huì)互相干擾，因此能夠形成良好的暗房效果，提高影像的對(duì)比以及清晰度。
本發(fā)明影像顯示裝置的第二折射鏡組是將由第二反射單元反射形成的影像，折射形成一倒立的實(shí)像，之后該實(shí)像會(huì)再經(jīng)過虛像成像單元形成虛像。該第二折射鏡組較佳為具有放大功能的折射鏡組。本發(fā)明影像顯示裝置的第二折射鏡組較佳為同時(shí)具聚光及放大影像的功能，以分別偏折自該第二反射單元穿透或反射的光線，形成一與原影像倒立的放大實(shí)像；且該虛像成像鏡組將該第二折射鏡組所形成的倒立放大實(shí)像轉(zhuǎn)換成倒立虛像，較佳為倒立放大虛像；依照上述要求，經(jīng)該第二反射單元反射的像與該第二折射鏡組的間距較佳介于該第二折射鏡組的焦距與其兩倍焦距之間。本發(fā)明影像顯示裝置的第一折射鏡組與第二折射鏡組無限制，可為任何常用的折射光學(xué)鏡組，較佳為第一折射鏡組或第二折射鏡組為一聚光鏡組，更佳為第一折射鏡組或第二折射鏡組為凸透鏡或二單凸透鏡。前述的該二單凸透鏡的曲率可為相同或不同，較佳為第一折射鏡組的二單凸透鏡的曲率不同。本發(fā)明影像顯示裝置的自該第二反射單元的入射光與該第二折射鏡組入射面法線形成一夾角Y的范圍較佳為大于0度，小于90度，更佳為介于0度與70度之間。本發(fā)明影像顯示裝置的影像顯示裝置的第一折射單元，是用以反射或改變光行進(jìn)的方向，以使光可完全由第一折射鏡組進(jìn)入第二反射單元；該第一反射單元無限制，可為常用的反射光學(xué)鏡組，較佳為具反射功能的三棱鏡，或是于該三棱鏡上鍍有100％反射率的反射膜。本發(fā)明影像顯示裝置的的第二反射單元，是用以反射或改變光行進(jìn)的方向，以使光由第一反射鏡組進(jìn)入第二折射鏡組；該第二反射單元無限制，可為常用的反射光學(xué)鏡組，較佳為具反射功能的三棱鏡，或是于該三棱鏡上鍍有100％反射率的反射膜。本發(fā)明影像顯示裝置的顯示單元可為常用的顯示器，較佳為微平面顯示器，更佳為LCD、LTPS LCD，L-COS微顯示器或DMD微顯示器。本發(fā)明的虛像成像鏡組功用為將物體或?qū)嵪褶D(zhuǎn)換虛像，較佳凹面鏡、凹透鏡或平面鏡組；若為凹面鏡或凹透鏡，則將物體或?qū)嵪穹胖糜谄浣咕鄡?nèi)會(huì)于鏡后產(chǎn)生一放大正立虛像；若為平面鏡，則會(huì)于鏡后產(chǎn)生一正立等高虛像。因此，本發(fā)明影像顯示裝置的第二折射鏡組與該虛像成像鏡組的間距無特殊限制，較佳為該第二折射鏡組形成的實(shí)像與該虛像成像鏡組的間距小于該虛像成像鏡組的焦距。本發(fā)明還包含一光源，以提供該顯示單元光線。本發(fā)明還可視需要包含至少一半固態(tài)液晶層遮罩于該虛像成像單元的一側(cè)，以控制外界光線的進(jìn)入；或是利用至少一可調(diào)式遮罩，同樣亦置于該虛像成像單元的一側(cè)，以控制外界光線的進(jìn)入。本發(fā)明的虛像成像單元的透光率無限制，以可同時(shí)看到外界環(huán)境與虛像即可，較佳為50-70％穿透，30-50％反射。本發(fā)明所使用的視焦距壓縮單元可為常用的視焦距壓縮單元，較佳為一個(gè)或數(shù)個(gè)由一凹透鏡與一凸透鏡組成的視焦距壓縮組。值得注意的是，本發(fā)明可視需要包含一繞射鏡組，該繞射鏡組位于該視焦距壓縮單元與該反射單元之間，用以提高自該反射單元發(fā)出的光線的半輝度角。
本發(fā)明的影像顯示裝置并可選擇性地與一聽覺設(shè)備相結(jié)合以形成整體音聲的設(shè)備。例如本發(fā)明影像顯示裝置可再與一眼鏡型外罩、內(nèi)罩相結(jié)合，并與一耳機(jī)相組裝，形成一完整的眼鏡型視聽設(shè)備。該視聽設(shè)備可以連接其他現(xiàn)有電腦或虛擬實(shí)境的微處理器裝置以加強(qiáng)功能，例如作為電腦的顯示裝置器，或連接訓(xùn)練機(jī)器(例如模擬狀，太空人無重力訓(xùn)練)模擬訓(xùn)練，或連接視訊系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距通信，教學(xué)，會(huì)議，監(jiān)控之用，或作為駕駛交通載具的資訊顯示及環(huán)境顯示，或作為虛擬游戲的顯示裝置。
為能更了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉數(shù)較佳具體實(shí)施例說明如下。
實(shí)施例1請(qǐng)參照?qǐng)D8，圖8為本發(fā)明眼鏡型影像顯示裝置內(nèi)部的剖面圖。本實(shí)施例包含一T字型殼體，內(nèi)含一L-COS微顯示器210，二光源211，二非等曲率凸透鏡220與221(第一折射透鏡組)，二個(gè)三棱鏡230與231(第一反射單元)，二視焦距壓縮組280，二繞射鏡片290，另二個(gè)三棱鏡240與241(第二反射單元)，二非等曲率凸透鏡250與251(第二折射透鏡組)，以及二經(jīng)部分鏡面處理的凹面成像區(qū)域260與261(虛像成像單元)。其中，該微顯示器210的同一側(cè)置有二凸透鏡220與221，該二凸透鏡220與221的另一側(cè)則置有二個(gè)三棱鏡230與231，使得凸透鏡220介于顯示器210與三棱鏡230之間；且該二個(gè)三棱鏡230與231的兩側(cè)分別置有三棱鏡240與241，使得該顯示器210、該凸透鏡221與該三棱鏡230與231皆介于該三棱鏡240與241之間，且該顯示器210與該三棱鏡230與231所形成的直線，與該三棱鏡230、231與該三棱鏡240、241形成的直線垂直。且該三棱鏡230、231與三棱鏡240、241之間分別置有一視焦距壓縮組280，該三棱鏡230、231與該視焦距壓縮組280之間還設(shè)置有一繞射鏡片組290。三棱鏡240與241下方分別置有凸透鏡250與251，該凸透鏡250與251分別為虛像成像區(qū)260與261。其中該凸透鏡250與251并安排成使由三棱鏡240、241來的入射光與該凸透鏡250與251入射面法線形成一30度的夾角Y。
請(qǐng)參照?qǐng)D9，圖9為本發(fā)明眼鏡型影像顯示裝置內(nèi)部的上視圖。此圖顯示該二凸透鏡220與221，以及該三棱鏡230與231是以特定角度設(shè)置，使得該凸透鏡220與221可接受顯示器210上各角度所發(fā)出的光線，并恰好將其偏折至三棱鏡230與231上；為了能夠完全接收顯示器210各角度的光線，該凸透鏡220與221是使用非等曲率的凸透鏡，面向顯示器210的一側(cè)曲率較小，可接受較廣角度的光線；而面向三棱鏡230與231的一側(cè)曲率較大，以達(dá)到良好的偏折效果，使光線恰好傳至三棱鏡230與231上。該三棱鏡230與231須成特定角度設(shè)置，且其角度相位，如圖10所赤，須恰好使由凸透鏡220與221傳來的光線，可往左右兩個(gè)方向行進(jìn)，經(jīng)由繞射鏡片290高速光線的半輝度角，使散射的光線可調(diào)整成平行光；之后再經(jīng)過視焦距壓縮組280，產(chǎn)生景深加大效果。之后再完全反射至三棱鏡240與241處。經(jīng)由此種設(shè)置，該顯示器210所提供的影像經(jīng)由凸透鏡220與221偏折至三棱鏡230與231，三棱鏡230與231分別將影像反射至左右兩方的三棱鏡240與241處。之后，該分開的影像再經(jīng)由三棱鏡240與241分別反射至凸透鏡250與251處，形成一倒立放大實(shí)像，于下將有詳細(xì)敘述。
請(qǐng)參照?qǐng)D10，圖10為本發(fā)明眼鏡型影像顯示裝置內(nèi)部的側(cè)視圖。此圖顯示該三棱鏡240會(huì)將顯示單元所提供的影像偏折折射至凸透鏡250處，是為影像271，且該影像271會(huì)落在該凸透鏡240的焦距與兩倍焦距之間某處，并依據(jù)凸鏡成像原理，在該凸透鏡240的另一側(cè)的兩倍焦距外會(huì)形成一上下倒立，左右方向不變的放大實(shí)像272(若有屏幕置于此則可看到一例立放大實(shí)像)，該實(shí)像272的放大倍率取決于影像271與凸透鏡240的距離，距離愈近則放大倍率愈高。而該實(shí)像272須落于該凹面鏡260的焦距內(nèi)，同樣的，依據(jù)成像原理，在凹面鏡260的另一側(cè)會(huì)形成一放大虛像273，且該虛像273的放大倍率亦取決于該實(shí)像272與該凹面鏡260之間的距離。值得注意的是，在本實(shí)施例中凸透鏡250與凹面鏡260之間沒有屏幕，無法看到由凸透鏡250形成的放大實(shí)像；因此，我們看到的現(xiàn)象是光線經(jīng)由凸透鏡250匯聚偏折至凹面鏡260，之后于凹面鏡260偏折投射至觀測者眼中，但該光線無法于眼球上聚焦成實(shí)像，所以眼睛會(huì)延伸該光線至凹面鏡260鏡后，形成一與實(shí)像272方向相同的放大虛像273。
熟習(xí)此技術(shù)領(lǐng)域者可認(rèn)知到，為了達(dá)成上述的成像設(shè)計(jì)，該三棱鏡240、凸透鏡250與凹面鏡260三者須成一特定的相對(duì)位置，使得影像271可落于該凸透鏡250的焦距與兩倍焦距之間，且影像272可落于該凹面鏡260的焦距內(nèi)。
上述影像顯示裝置可選擇性地與一聽覺設(shè)備相結(jié)合，如圖11所示。上述影像顯示裝置320可再與一眼鏡型外罩310、內(nèi)罩340相結(jié)合，并與一耳機(jī)330相組裝，形成一完整的眼鏡型視聽設(shè)備。該視聽設(shè)備可以連接諸如電腦或虛擬實(shí)境的微處理器以作為電腦的顯示裝置器，或連接訓(xùn)練機(jī)器(例如模擬機(jī))模擬訓(xùn)練，或連接視訊系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距通信，教學(xué)，會(huì)議，監(jiān)控的用，或作為駕駛交通載具的資訊顯示及環(huán)境顯示，或作為虛擬游戲的顯示裝置。
實(shí)施例2本實(shí)施例構(gòu)造大致如同實(shí)施例1所述，不同之處在于該虛像成像單元260由凹面鏡置換為平面鏡。如此，所形成的影像只經(jīng)過凸透鏡250一次折射與放大作用，之后再經(jīng)由平面鏡轉(zhuǎn)換成虛像，平面鏡不具有放大作用。但本實(shí)施例構(gòu)造影像放大的倍率及作用，仍可由折射光線的凸透鏡250所完成。
實(shí)施例3本實(shí)施例構(gòu)造大致如同實(shí)施例1所述，不同之處在于該虛像成像單元260由凹面鏡置換為凹透鏡；其成像原理與放大倍率皆如同實(shí)施例1所述。但置換成凹透鏡之后，觀測者在觀測影像時(shí)可同時(shí)看見外界環(huán)境。而因?yàn)楸景l(fā)明的裝置是以折射投影形成虛像，當(dāng)采用凹透鏡作為虛像成像單元，該透射該凹透鏡的光線，因?yàn)檎凵淦劢嵌容^大，所以對(duì)于站在使用者前，且視線約略等高于眼鏡型顯示器的人，不會(huì)看到使用者正在使用或接收的影像及資料，其保密及隱私性佳，且不會(huì)干擾周遭其他人。
實(shí)施例4本實(shí)施例構(gòu)造大致如同實(shí)施例1所述，不同之處在于該虛像成像單元260是由一面鏡與凹透鏡組合而成；其成像原理與放大倍率皆如同實(shí)施例1所述。該面鏡可上下抽換，因此可依觀測者需要決定是否只觀測影像，或是想同時(shí)看見外界環(huán)境。
實(shí)施例5本實(shí)施例構(gòu)造大致如同實(shí)施例1所述，不同之處在于該虛像成像單元260是由一遮罩與凹透鏡組合而成；其成像原理與放大倍率皆如同實(shí)施例1所述。該遮罩可上下抽換，因此可依觀測者需要決定是否只觀測影像，或是想同時(shí)看見外界環(huán)境。
實(shí)施例6請(qǐng)參見圖12。本實(shí)施例構(gòu)造大致如同實(shí)施例3所述，不同之處在于該虛像成像單元260外部加裝一半固態(tài)液晶層遮罩350以及一偏光鏡片360；其成像原理與放大倍率皆如同實(shí)施例1所述。但該半固態(tài)液晶層遮罩于通電時(shí)變?yōu)橥该?，使外界的光線通過，使用者可以于接收顯示器影像的同時(shí)接受影像及監(jiān)看周遭環(huán)境。當(dāng)使用者關(guān)閉液晶層遮罩的電源，遮罩復(fù)遮除外界的光線，而為不受外界干擾進(jìn)行資訊或影像的接收，所以可以通電與否決定其為透光或不透光狀態(tài)，作為一光柵使用。因此可依觀測者需要決定是否只觀測影像，或是想同時(shí)看見外界環(huán)境。
此外，由于本實(shí)施例是利用凹透鏡作為虛像成像單元260，是以高于使用者視線的外界環(huán)境強(qiáng)光(例如太陽光)透射入該凹透鏡時(shí)，其入射凹透鏡后偏折折射角度大，大部份的太陽光進(jìn)入凹透鏡后因?yàn)檎凵浣嵌却?，并不?huì)射入使用者的眼睛，所以本實(shí)施例運(yùn)用折射形成虛像，可以減少環(huán)境光的干擾，相對(duì)加強(qiáng)影像的對(duì)比。并可以于觀賞接收影像或資訊時(shí)，在不影響影像或資訊對(duì)比情形下，同時(shí)觀察外界環(huán)境的動(dòng)態(tài)。此影像顯示裝置應(yīng)用范圍廣泛，例如對(duì)于駕駛飛機(jī)，船，汽車，機(jī)車等交通工具的駕駛者，可以同時(shí)多工進(jìn)行多種任務(wù)操作，并可以兼顧駕駛的進(jìn)行。
由前述實(shí)施例可知，本發(fā)明的成像原理為虛像成像，主要是利用一折射鏡組(凸透鏡)形成一與原影像倒立的放大實(shí)像；之后再利用一虛像成像單元(凹面鏡、凹透鏡或平面鏡)形成一與原影像倒立的放大虛像。此種應(yīng)用虛像成像原理的眼鏡型影像顯示裝置，不會(huì)造成眼球壓迫，即使長時(shí)間使用，在數(shù)小時(shí)內(nèi)也不會(huì)有暈眩的情形產(chǎn)生，為現(xiàn)今眼鏡型或頭盔型影像顯示技術(shù)的一大突破。本發(fā)明是利用形成虛像于眼球，所以于使用者頭部移動(dòng)時(shí)，影像因多卜勒效應(yīng)及鬼影效應(yīng)引發(fā)的影像模糊降低。另外，由于本發(fā)明是利用折射光線以形成虛像于使用者眼球，放大影像時(shí)僅需要調(diào)整虛像成像鏡組鏡片，或第二折射鏡組(例如凸透鏡)的距離，角度甚至曲率，便可以完成，調(diào)整方法簡單，占用空間小。相對(duì)于該傳統(tǒng)形成實(shí)像于使用者眼球，且需要占用空間大的投影顯示裝置，具有簡化操作及空間使用彈性大的相對(duì)優(yōu)點(diǎn)。再者，由于本發(fā)明是利用折射光線以形成虛像于使用者眼球，所以成像的反差對(duì)比較高，暗房效果大且較不受環(huán)境光的干擾，相對(duì)于傳統(tǒng)形成實(shí)像于使用者眼球的投影顯示裝置，影像品質(zhì)較佳。而使用者使用時(shí)，對(duì)周遭非使用者，由于影像是折射成像，所以透射虛像成像境組的光線折射角度大，并不會(huì)影響與使用者視線約略等高的周遭其他人，干擾相對(duì)較低。另外，本發(fā)明利用一視焦距壓縮組增加影像的景深，且在光線進(jìn)入視焦距壓縮組的前尚設(shè)置有一繞射鏡片組，可使原本散射的光線集中成為平行的光線，一方面可提高亮度，一方面可減少由于散射光線干擾折造成的低影像反差或畫面外圍反白的現(xiàn)象。
此外，由于本發(fā)明影像顯示裝置，僅使用一微顯示器，經(jīng)過控制虛像成像單元(凹面鏡、凹透鏡或平面鏡)及折射鏡組(凸透鏡)的相對(duì)曲率，即可以達(dá)到于使用者眼前相當(dāng)于放大至數(shù)十寸螢?zāi)坏男Ч?，但是其所利用的各種光學(xué)元件皆具有重量輕、體積小的優(yōu)點(diǎn)，材料成本低，且耗用電力小，易于攜帶，使用彈性大，同時(shí)可降低生產(chǎn)成本，相當(dāng)符合市場需求。
應(yīng)注意的是，上述諸多實(shí)施例僅是為了便于說明而舉例而已，本發(fā)明所主張的權(quán)利范圍自應(yīng)以申請(qǐng)專利范圍所述為準(zhǔn)，而非僅限于上述實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種具視焦距壓縮組的單體雙折射影像顯示裝置，主要包括一顯示單元，以提供影像；二第一折射鏡組，位于該顯示單元的一側(cè)，用以偏折該顯示單元所發(fā)出的光線；二第一反射單元，位于該顯示單元相對(duì)于該第一折射鏡的同一側(cè)，用以偏折自該第一折射鏡組所發(fā)出的光線，其中該第一折射鏡組位于該一反射鏡組與該顯示單元之間；二第二反射單元，相對(duì)于該用以偏折自該第一反射單元射出的光線，其中該二第一折射單元一反射單元位于該二第二反射單元之間；二視焦距壓縮單元，分別位于該單一第一折射單元與該單一第二反射單元之間，以改變光的景深；二第二折射鏡組，位于該第二反射單元的一側(cè)，但該第二折射鏡組不位于該第二反射單元及該第一折射單元反射單元形成的直線，用以分別偏折自該第二反射單元穿透或反射的光線；以及二虛像成像鏡組，分別位于該二第二折射鏡組的另一側(cè)，以偏折由該第二折射鏡組所傳來的光線，且該虛像成像鏡組將該第二折射鏡組所形成的影像轉(zhuǎn)換成虛像；其中，該第二折射鏡組位于該第二反射單元與該虛像成像鏡組之間；且該顯示單元所顯示的影像，經(jīng)由該第一折射鏡組折射形成一與原影像倒立的影像，之后再經(jīng)由該第一反射單元反射、該視焦距壓縮單元與該第二反射單元至該第二折射鏡組，并穿透該折射鏡組偏折形成一與原影像正立的實(shí)像，再經(jīng)由該虛像成像鏡組轉(zhuǎn)換成與原影像正立的虛像。
2.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，其中該第二折射鏡組同時(shí)具聚光及放大影像的功能以分別偏折自該第二反射單元穿透或反射的光線，形成倒立放大實(shí)像；且該虛像成像鏡組將該第二折射鏡組所形成的倒立實(shí)像轉(zhuǎn)換成虛像。
3.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，其中該折射鏡組為一聚光鏡組。
4.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，其中該自反射單元的入射光與該折射鏡組入射面法線形成一夾角Y；且該夾角Y大于0度，小于90度。
5.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，其中該每一第一折射鏡組為一凸透鏡。
6.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，其中每一第一折射鏡組為二單凸透鏡，且該二單凸透鏡的曲率不同。
7.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，其中每一第一反射單元為具反射功能的三棱鏡。
8.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，其中每一第二折射鏡組為二單凸透鏡，且該二單凸透鏡的曲率不同。
9.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，其中該第二折射鏡組為一凸透鏡，用于偏折該反射單元的光線，并同時(shí)放大穿透該折射鏡組的影像。
10.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，其中該顯示單元為一平面微顯示器。
11.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，其中該顯示單元為液晶顯示器(LCD)、L-COS微顯示器或DMD微顯示器。
12.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，其中該第二反射單元為具反射功能的三棱境。
13.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，其中該虛像成像鏡組為一凹面鏡組或凹透鏡。
14.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，其中該虛像成像鏡組為平面鏡組。
15.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，其中經(jīng)該折射鏡組形成的實(shí)像與該虛像成像鏡組的間距小于該虛像成像鏡組的焦距。
16.如權(quán)利要求4所述的影像顯示裝置，其特征在于，其中該夾角介于0度及70度之間。
17.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，其中經(jīng)該反射單元反射的像與該折射鏡組的間距介于該折射鏡組的焦距與其兩倍焦距之間。
18.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，其還包含至少一光源，用以提供該顯示單元光線。
19.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，其還包含一繞射鏡組，該繞射鏡組位于該視焦距壓縮單元與該反射單元之間，用以提高自該反射單元發(fā)出的光線半輝度角。
20.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，其還包含至少一半固態(tài)液晶層遮罩于該虛像成像單元的一側(cè)，以控制外界光線的進(jìn)入。
21.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，其還包含至少一可調(diào)式遮罩于該虛像成像單元的一側(cè)，以控制外界光線的進(jìn)入。
22.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，其作為眼鏡型顯示裝置或頭盔型顯示裝置。
全文摘要
一種具視焦距壓縮組的單體雙折射影像顯示裝置，主要包括一顯示單元，以提供影像；二第一折射鏡組；二第一反射單元，且其中該第一折射鏡組介于該第一反射鏡組與該顯示單元之間；二第二反射單元，用以偏折自該第一折射鏡組射出的光線；二視焦距壓縮單元，分別位于該單一第一折射單元與該單一反射單元之間，以改變光的景深；二第二折射鏡組，位于該第二反射單元的一側(cè)第二折射鏡；以及二虛像成像鏡組，且該虛像成像鏡組將該第二折射鏡組所形成的影像轉(zhuǎn)換成虛像。
文檔編號(hào)G02B17/08GK1570702SQ03132830
公開日2005年1月26日 申請(qǐng)日期2003年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月22日
發(fā)明者呂興增, 胡錦標(biāo) 申請(qǐng)人:呂興增, 胡錦標(biāo)