專利名稱：單體折射成像顯示機(jī)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)之外，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(virtualreality)技術(shù)，藉由各種科技的整合，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)者競相看好投影的顯示器，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)到大尺寸屏幕的觀賞效果。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。
以往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，藉由縮短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。近來現(xiàn)有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；請接著參見圖2(a)至2(e)，此是現(xiàn)有的都卜勒效應(yīng)于人眼作用的示意圖。正如同時(shí)下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2(a)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)；接著請參見圖2(b)，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2(c)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2(d)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2(e)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，亦即現(xiàn)有的都卜勒效應(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)膜剝離的危險(xiǎn)，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)果會(huì)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)楣碛耙约岸挪防招?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)明人本著積極發(fā)明的精神，亟思一種可以解決上述問題的『單體折射成像顯示裝置』，幾經(jīng)研究實(shí)驗(yàn)終至完成此項(xiàng)嘉惠世人的發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是在提供一種影像顯示裝置，以便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，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，減少杜卜勒及鬼影效應(yīng)，適合作為眼鏡型或頭盔型顯示裝置。
為達(dá)成上述的目的，本發(fā)明『單體折射成像顯示機(jī)』包含一顯示單元；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；二反射單元，相對(duì)于該第一折射鏡組位于該顯示單元的同一側(cè)，用以偏折自該第一折射鏡組射出的光線，其中該二第一折射鏡組皆位于該二反射單元之間；二第二折射鏡組，位于該反射單元的一側(cè)，但該第二折射鏡組不位于該反射單元及該第一折射鏡組形成的直線，用以分別偏折自該反射單元穿透或反射的光線；以及二虛像成像鏡組，是分別位于該二折射鏡組的另一側(cè)，以偏折由該折射鏡組所傳來的光線，且該虛像成像鏡組將該折射鏡組所形成的影像轉(zhuǎn)換成虛像；其中，該折射鏡組位于該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，是經(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)由該反射單元反射至該第二折射鏡組，并穿透該第二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。
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、印表機(jī)的信息顯示裝置、屏幕、運(yùn)輸載具(vehicle)的信息顯示裝置、信號(hào)機(jī)器、通訊設(shè)備(例如無線手機(jī)，電話)的信息顯示裝置、電話的信息顯示裝置、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)位助理(personal digitalassistant)、虛擬游戲機(jī)(game)、虛擬飛行訓(xùn)練的信息顯示裝置、飛機(jī)(airplane)設(shè)備的顯示及游戲眼罩的顯示等。
請光參見圖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為現(xiàn)有的投影系統(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4(a)至圖4(c)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)，眼球是調(diào)整其焦點(diǎn)于該反射面，是以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4(b)及圖4(c)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)反射形成的虛像44，于經(jīng)過眼球水晶體后，會(huì)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)膜之前，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4(b)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)像是位于反射面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4(b)及圖4(c)可以說明物體或影像即使有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由以上的說明可以知道，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、影像重疊或殘像的都卜勒效應(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現(xiàn)有技藝的示意圖。圖5是現(xiàn)有使用凸透鏡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則為現(xiàn)有使用凹面鏡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，因此也會(huì)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的折射后的光徑與入顯示單元190所投射影像的光徑并不相同，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。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)該反射單元反射的像與該第二折射鏡組之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可為現(xiàn)有的折射光學(xué)鏡組，較佳為具部分反射與穿透功能的三棱鏡，或是于該三棱鏡上鍍有50％反射率與50％穿透率的反射膜。該第二折射鏡組無限制，可為任何現(xiàn)有的折射鏡組，較佳為一聚光鏡組，更佳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，較佳為該二單凸透鏡的曲率不同。本發(fā)明影像顯示裝置的自該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鏡組，是用以改變光行進(jìn)的方向或反射部分散失的光線，以使光可完全由該第一折射鏡組進(jìn)入該反射單元；該反射單元種類無限制，可為現(xiàn)有的反射光學(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現(xiàn)有的顯示器，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，較佳為凹面鏡、凹透鏡或平面鏡；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之間距，較佳為該第二折射鏡組形成的實(shí)像與該虛像成像鏡組之間距小于該虛像成像鏡組的焦距。本發(fā)明更包含一光源，以提供該顯示單元光線。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)明更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(例如模擬機(jī)，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信息顯示及環(huán)境顯示，或作為虛擬游戲的顯示裝置。


圖1是現(xiàn)有影像投影顯示裝置；圖2(a)，2(b)，2(c)，2(d)，2()e是人眼都卜勒效應(yīng)的示意圖；圖3是人眼觀看實(shí)像的示意圖；圖4(a)，4(b)，圖4(c)是人眼觀看虛像的示意圖；圖5是現(xiàn)有以凸透鏡直接放大投影的示意圖；圖6是現(xiàn)有以凹面鏡反射投影的示意圖；圖7是本發(fā)明以折射投影的示意圖；
圖8是本發(fā)明眼鏡型影像顯示裝置內(nèi)部的剖面囤；圖9是本發(fā)明眼鏡型影像顯示裝置內(nèi)部的上視圖；圖10是本發(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是本發(fā)明眼鏡型影像顯示裝置的組合示意圖；圖12是本發(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
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請參照圖8，圖8是本發(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211，二個(gè)鍍有50％反射率反射膜的三菱鏡220與221(第一折射透鏡組)，另二個(gè)三棱鏡230與231(反射單元)，二非等曲率凸透鏡240與241(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250與251(虛像成像單元)。其中，該微顯示器210的同一側(cè)置有二個(gè)三棱鏡220與221，且該二個(gè)三棱鏡220與221的兩側(cè)分別置有三棱鏡230與231，使該微顯示器210與該三棱鏡220與221皆介于該三棱鏡230與231之間，且該顯示器210與該三棱鏡220與221所形成的直線，與該三棱鏡220、221與該三棱鏡230、231形成的直線垂直。三棱鏡230與231下方分別置有凸透鏡240與241，該凸透鏡240與241下方分別為虛像成像區(qū)250與251。其中該凸透鏡240與241并安排成使由三棱鏡230、231來的入射光與該凸透鏡240與241入射面法線形成一30度的夾角Y。
請參照圖9，圖9是本發(fā)明眼鏡型影像顯示裝置內(nèi)部的上視圖。此圖顯示該具有部分反射功能的三棱鏡220與221是以特定角度設(shè)置，使得該三棱鏡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，而投射至三棱鏡220上的少部份散射光線則會(huì)被三棱鏡221反射回三棱鏡220，繼續(xù)穿透至該反射單元三棱鏡230處。經(jīng)由此種設(shè)置，該顯示器210所提供的影像是經(jīng)由三棱鏡220與221分別偏折至左右兩方的三棱鏡230與231處。之后，該分開的影像再經(jīng)由三棱鏡230與231分別反射至凸透鏡240與241處，形成一倒立放大實(shí)像，于下將有詳細(xì)敘述。
請參照圖10，圖10是本發(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230會(huì)將顯示單元所提供的影像偏折折射至凸透鏡240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)形成一與影像271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倒立放大實(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250的焦距內(nèi)，同樣的，依據(jù)成像原理，在凹面鏡250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250之間的距離。
值得注意的是，在本實(shí)施例中凸透鏡240與凹面鏡250之間沒有屏幕，無法看到由凸透鏡240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240匯聚偏折至凹面鏡250，之后于凹面鏡250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250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)域的人可認(rèn)知到，為了達(dá)成上述的成像設(shè)計(jì)，該三棱鏡230、凸透鏡240與凹面鏡250三者須成一特定的相對(duì)位置，使得影像271可落于該凸透鏡240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)。
上述的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。上述的影像顯示裝置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)控之用，或作為駕駛交通載具的信息顯示及環(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，其不同之處在于該虛像成像單元250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240一次折射與放大作用，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240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，其不同之處在于該虛像成像單元250由凹面鏡置換為具有40％反射率的凹透鏡；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250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250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請參見圖12。本實(shí)施例構(gòu)造大致如同實(shí)施例3所述，惟不同之處在于該虛像成像單元250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。惟該半固態(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)行信息或影像的接收，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250，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信息時(shí)，在不影響影像或信息對(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)，影像因杜卜勒效應(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，所以透社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。此外，由于本發(fā)明影像顯示裝置，僅使用一微顯示器，便可將影像分別傳送至左右二眼，與傳統(tǒng)技術(shù)中須使用兩個(gè)顯示器相較，本發(fā)明的影像顯示裝置重量較輕，體積較小，并大幅節(jié)省成本。且該微顯示器所提供的微小影像，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)十寸屏幕的效果，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。
綜上所陳，本發(fā)明無論就目的、手段及功效，均顯示其不同于現(xiàn)有技術(shù)的特征，為『單體雙折射成像顯示裝置』的一大突破。但應(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
1.一種影像顯示裝置，其特征在于，主要包括；一顯示單元；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；二反射單元，相對(duì)于該第一折射鏡組位于該顯示單元的同一側(cè)，用以偏折自該第一折射鏡組射出的光線，其中該二第一折射鏡組皆位于該二反射單元之間；二第二折射鏡組，位于該反射單元的一側(cè)，但該第二折射鏡組不位于該反射單元及該第一折射鏡組形成的直線，用以分別偏折自該反射單元穿透或反射的光線；以及二虛像成像鏡組，是分別位于該二折射鏡組的另一側(cè)，以偏折由該折射鏡組所傳來的光線，且該虛像成像鏡組將該折射鏡組所形成的影像轉(zhuǎn)換成虛像；其中，該折射鏡組位于該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，是經(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)由該反射單元反射至該第二折射鏡組，并穿透該第二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，所述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反射單元穿透或反射的光線，形成放大實(shí)像；且該虛像成像鏡組將該折射鏡組所形成的實(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，所述該第一折射鏡組與第二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，所述該自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；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。
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，所述該第二折射鏡組為一凸透鏡，用以偏折該反射單元的光線，并同時(shí)放大穿透該第二折射鏡組的影像。
8.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，所述該第二折射鏡組為一凸透鏡，用以偏折該反射單元的光線，并同時(shí)放大穿透該第二折射鏡組的影像。
9.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，所述該顯示單元為一平面微顯示器。
10.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，所述該顯示單元為LCD、L-COS微顯示器或DMD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，所述該第一折射鏡組是為具部分反射與部分穿透功能的三棱鏡。
12.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，所述該反射單元是為具反射功能的三棱鏡。
13.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，所述該虛像成像鏡組為凹面鏡或凹透鏡。
14.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，所述該虛像成像鏡組為平面鏡。
15.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，所述經(jīng)該第二折射鏡組形成的實(shí)像與該虛像成像鏡組之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，所述該第二折射鏡組與該顯示單元間的夾角介于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，所述經(jīng)該反射單元反射的像與該第二折射鏡組之間距介于該第二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，其更包含至少一光源，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，其更包含至少一半固態(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。
20.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，其更包含至少一可調(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。
21.如權(quán)利要求1所述的影像顯示裝置，其特征在于，其是作為眼鏡型顯示裝置或頭盔型顯示裝置。
全文摘要
一種影像顯示裝置，主要包括；一顯示單元；二第一折射鏡組，位于顯示單元的一側(cè)；二反射單元，相對(duì)于第一折射鏡組位于該顯示單元的同一側(cè)；二第二折射鏡組，位于反射單元的一側(cè)，但第二折射鏡組不位于該反射單元及第一折射鏡組形成的直線；以及二虛像成像鏡組，是分別位于該二折射鏡組的另一側(cè)，且虛像成像鏡組將該折射鏡組所形成的影像轉(zhuǎn)換成虛像；其中，折射鏡組位于該反射單元與虛像成像鏡組之間；且該顯示單元所顯示的影像，是經(jīng)由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)由反射單元反射至第二折射鏡組，并穿透第二折射鏡組偏折形成一與原影像正立的實(shí)像，再經(jīng)由虛像成像鏡組轉(zhuǎn)換成與原影像正立的虛像。
文檔編號(hào)G02B27/01GK1570694SQ0313283
公開日2005年1月26日 申請日期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) 申請人:呂興增, 胡錦標(biāo)