本发明是关于一种显示装置；更特别言之，本发明是关于一种可具有多种应用型态的反射式虚像显示装置。
背景技术：
各种显示装置已是现行日常生活中所必需。公知显示装置多半以固定屏幕显示所需信息，例如配置于电脑的电脑屏幕、配置于各种仪器设备的控制屏幕、或配置于车辆仪表板的嵌入式屏幕等。惟基于对各种应用需求日渐多样化，前述固定式的显示装置已逐渐不敷所需。
现今已发展有各种显示装置的扩展应用方式。举例而言，用于车辆的抬头显示器(hud，headupdisplay)已可见于新发售的汽车上。此外，基于现代人们对获取即时信息的需求日渐殷切，显示装置朝轻薄微小方向发展已是必然趋势。现行如googleglass等小型显示装置已展现此小型化发展趋势。另外头戴式显示装置(hmd，headmounteddisplay)也为近年热门议题。头戴式显示装置一般可将影像信息呈现于使用者头上所穿戴的显示器。早期是用于飞行员所使用的头盔以便能获得各种信息增加飞行安全性。近期也有将头戴式显示装置用于虚拟实境(vr，virtualreality)或扩增实境(ar，augmentedreality)的应用。于前述各种显示装置中，大多是呈现二维的影像信息。近期基于对拟真及互动的需求，虚拟实境(vr，virtualreality)或扩增实境(ar，augmentedreality)则呈现立体三维影像，而能有进一步升级的应用型态。
然而，上述无论是大型或小型的显示装置，为了呈现出所需的二维或立体三维影像信息，其光学构件仍复杂，也因此局限了立体影像显示装置可扩展的应用范围。
缘此，发展具有简易结构、易于与现行仪器设备整合使用且能呈现二维或立体三维影像的显示装置，已为立体影像显示装置改进的当务之急。
技术实现要素：
本发明提供一种具简易结构及可呈现二维或立体三维影像的反射式虚像显示装置。通过调变影像源、部分反射单元、各种光学元件以及虚像间的相对位置、相对距离，可获得多样化的应用型态。调变影像源、部分反射单元、各种光学元件以及虚像间的相对位置、相对距离及光学参数最佳化的配置，获得多样化的应用型态。本发明并一并公开最佳化光学参数，以便获得更佳的显示效果。
为达上述目的，本发明提供一种反射式虚像显示装置，其包含影像源以及部分反射单元。影像源用以投射投影影像。其中投影影像可为二维影像或立体三维影像。部分反射单元包含第一表面及第二表面，第一表面用以接收并反射由影像源投射的投影影像至使用者的眼睛，使用者的眼睛看穿第一表面，并于第二表面同侧看到与投影影像具有相同信息内容、放大尺寸且呈二维或立体三维的虚像及外部背景。其中使用者的眼睛对应部分反射单元的眼睛盒(eyebox)为圆形或长方形，若眼睛盒(eyebox)为圆形，则其直径大于等于60mm；若眼睛盒(eyebox)为长方形，则其长度大于等于60mm，高度大于等于6mm。使用者的眼睛与虚像的距离为大于等于250mm。部分反射单元的第一表面与使用者的距离为10～1500mm。部分反射单元的第一表面为凹面且为球面、非球面或自由曲面，其有效焦距(efl)大于等于10mm，小于等于1000mm，借此调变虚像的放大倍率。部分反射单元的第二表面上可镀有抗反射膜。
上述反射式虚像显示装置中，其中在部分反射单元的第二表面同侧装设有液晶显示面板，其是用以通过液晶分子旋转切换外部背景的光线穿透比例。
上述反射式虚像显示装置中，影像源可来自液晶显示器(lcd)、数字光处理投影机(dlp)、硅基液晶投影机(lcos)、有机显示器(oled)、手机、卫星导航系统(gps)、平板电脑或相机的投影影像。部分反射单元的第一表面的反射率为50％～80％；优选可为25％～80％。
上述反射式虚像显示装置中，还包含至少一个反射镜。反射镜用以改变影像源所投射的投影影像的投影方向，借以缩短影像源与部分反射单元的距离。
上述反射式虚像显示装置中，影像源相对部分反射单元具有偏移量，偏移量大于等于0mm，小于等于60mm；较佳为大于等于0mm，小于等于120mm。影像源相对部分反射单元具有偏移角度，偏移角度大于等于0度，小于等于30度。
在另一实施例中，本发明所一种反射式虚像显示装置，其包含二个影像源以及二个部分反射单元。二个影像源用以分别投射投影影像。各部分反射单元包含第一表面及第二表面，各第一表面用以接收并反射由各影像源投射的投影影像至使用者的单眼，使用者的二只单眼分别接受各部分反射单元反射的投影影像后，看穿各第一表面，并于各第二表面同侧看到由各投影源所投射的投影影像组合而成，具放大尺寸且呈立体三维的虚像及外部背景。其中使用者的任一只单眼对应各部分反射单元的出瞳直径大于等于2mm。各部分反射单元的第一表面为凹面且为球面、非球面或自由曲面，其有效焦距(efl)大于等于10mm，小于等于1000mm，借此调变虚像的放大倍率。使用者的任一只单眼与虚像的距离为大于等于250mm。各部分反射单元的第一表面与使用者的任一只单眼的距离为10～1500mm。
上述反射式虚像显示装置中，在各部分反射单元的第二表面同侧装设有液晶显示面板，其是用以通过液晶分子旋转切换外部背景的光线穿透比例，也可装设偏光镜(组)、电致变色装置或光致变色装置。
上述反射式虚像显示装置中，各部分反射单元的第一表面的反射率为50％～80％；优选为25％～80％。各部分反射单元的第二表面上可镀有抗反射膜。
上述反射式虚像显示装置中，影像源可来自液晶显示器(lcd)、数字光处理投影机(dlp)、硅基液晶投影机(lcos)、有机显示器(oled)、手机、卫星导航系统(gps)、平板电脑或相机的投影影像。
上述反射式虚像显示装置中，还包含至少一个反射镜。反射镜用以改变各影像源所投射的投影影像的投影方向，借以缩短各影像源与各部分反射单元的距离。
上述反射式虚像显示装置中，各影像源相对各部分反射单元具有垂直偏移量，垂直偏移量大于等于0mm，小于等于60mm；优选为大于等于0mm，小于等于120mm。各影像源相对各部分反射单元具有偏移角度，偏移角度大于等于0度，小于等于30度。
本发明与现有技术相比可以获得多样化的应用型态以及获得更佳的显示效果。
附图说明
图1是绘示本发明第一实施例的反射式虚像显示装置示意图；
图2a是绘示图1中的眼睛盒(eyebox)为圆形示意图；
图2b是绘示图1中的眼睛盒(eyebox)为长方形示意图；
图3是绘示本发明第二实施例的反射式虚像显示装置示意图；
图4是绘示本发明第三实施例的反射式虚像显示装置示意图；
图5是绘示本发明第四实施例的反射式虚像显示装置示意图；
图6是绘示图5中的反射式虚像显示装置的mtf曲线图；
图7是绘示图5中的反射式虚像显示装置的场曲及畸变曲线图；
图8是绘示本发明第五实施例的反射式虚像显示装置示意图；
图9是绘示图8中的反射式虚像显示装置的mtf曲线图；
图10是绘示图8中的反射式虚像显示装置的场曲及畸变曲线图；
图11是绘示本发明第六实施例的反射式虚像显示装置示意图；
图12是绘示图11中的反射式虚像显示装置的mtf曲线图；
图13是绘示图11中的反射式虚像显示装置的场曲及畸变曲线图；
图14是绘示本发明第七实施例的反射式虚像显示装置示意图；
图15是绘示图14中的反射式虚像显示装置的mtf曲线图；以及
图16是绘示图14中的反射式虚像显示装置的场曲及畸变曲线图。
具体实施方式
以下将参照附图说明本发明的多个实施例。为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施例中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些公知惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式绘示。
本发明的反射式虚像显示装置100，可依据实际状况，调变影像源101、部分反射单元102、各种光学元件以及虚像s间的相对位置、相对距离及光学参数最佳化的配置，获得多样化的应用型态。将于下述段落中，述及多种反射式虚像显示装置100的实施例及应用例，并一并公开最佳化光学参数，以便获得更佳的显示效果。
请参照图1。图1是绘示本发明第一实施例的反射式虚像显示装置100示意图。反射式虚像显示装置100基本包含影像源101、一部分反射单元102以及蓝牙控制器105。影像源101用以投射投影影像。在下述的实施例中，影像源101是来自于手机屏幕所投射的投影影像。在其他可能的实施例中，影像源101也可来自液晶显示器(lcd)、数字光处理投影机(dlp)、硅基液晶投影机(lcos)、有机显示器(oled)、卫星导航是统(gps)、平板电脑或相机的投影影像。部分反射单元102包含第一表面102a及第二表面102b。第一表面102a为凹面且可为球面、非球面或自由曲面，其用以接收并反射由影像源101投射的投影影像至使用者的至少一双眼睛。此时，使用者可于与部分反射单元102的第二表面102b同侧，看到与投影影像具有相同信息内容且具放大尺寸的虚像s。此处调变虚像s的放大倍率可通过调变部分反射单元102的第一表面102a的有效焦距(efl)得到。有效焦距大于等于10mm，小于等于1000mm。当有效焦距越小，则可得到放大倍率较大的虚像s，此时使用者的眼睛视角越大。在图1中，部分反射单元102的第一表面102a的反射率为50％～80％；优选为25％～80％，亦即，使用者可穿透部分反射单元102看到呈现于使用者双眼前的虚像s，并同时可看到外部背景b。蓝牙控制器105是用以控制操作影像源101，使用者得以以蓝牙(无线)方式来操作控制影像源101。
影像源101的投影影像可为二维影像或立体三维影像。当影像源101的投影影像为二维影像，则由使用者眼睛可看到呈二维的虚像s。当影像源101的投影影像为三维影像，则由使用者眼睛可看到呈立体三维的虚像s。借此，可以形成裸视3d的效果。
为了符合实际状况，还可使用反射镜103改变由影像源101所投射的投影影像的投影方向，以便使投影影像转折而能为使用者的至少一双眼睛所看到。此反射镜103除改变投影方向外，也具有调整虚像s方向的功能，此是因影像源101所投射的投影影像经部分反射单元102反射后，使用者的眼睛所看到为左右相反的虚像s。经过反射镜103反射后，会将虚像s方向转正，此时使用者所看到为与影像源101所投射的投影影像方向相同的虚像s。在不使用反射镜103时，可预先调整影像源101所投射的投影影像(例如：旋转手机屏幕左右镜射相反)，此时最终使用者的双眼也可看到方向正确的虚像s。此外，通过反射镜103的设置，由于光路经过转折，也可缩短影像源101与部分反射单元102的距离，以便形成更为紧凑的配置来简易地与其他设备整合。
反射式虚像显示装置100中，影像源101相对部分反射单元102可具有垂直偏移量，其值大于等于0mm，小于等于60mm；优选为大于等于0mm，小于等于120mm。并且，影像源101相对部分反射单元102页可具有偏移角度，其值大于等于0度，小于等于30度。调变上述垂直偏移量及偏移角度可调变光程差，进而影响像差(aberration)而调变mtf(modulationtransformationfunction)值。此mtf值将影响成像的解像力，将于后续段落有较详细说明。欲削减像差的另外方式为使用辅助光学件，其是设置于影像源101与部分反射单元102间，也可用以降低虚像的像差。辅助光学件可为场镜(可为球面、非球面、自由曲面或fresnellens)、菱镜(prism)、微镜阵列(microlensarray)、光扩散件(diffuser)、全像光学元件(hoe)。
请续参照图2a及图2b。图2a是绘示图1中的眼睛盒(eyebox)为圆形示意图。图2b是绘示图1中的眼睛盒(eyebox)为长方形示意图。由于反射式虚像显示装置100不仅要呈现出放大影像，同时成像位置要在人眼能够舒适观看处，且在观看者的眼睛上下左右稍微移动时不至导致影像的失真或变形。当放大元件的出瞳(exitpupil)太小，无法得到完整的视野(fov，fieldofview)，影像会被截掉或是有光晕。眼睛盒(eyebox)是指眼睛在不会影响观看影像品质的前提下，可以移动的程度，只有足够大的眼睛盒才能看到完整的虚像s。由在本实施例中，是使用单个部分反射单元102搭配使用者的至少一双眼睛，为能看到完整的虚像s，使用者的双眼对应的眼睛盒(eyebox)可定义为圆形或长方形，若眼睛盒(eyebox)为圆形，则其直径大于等于60mm；若眼睛盒(eyebox)为长方形，则其长度大于等于60mm，高度大于等于6mm。
由于本实施例中，同时可看到呈现于使用者眼睛前的虚像s及外部背景b，图1中，通过在部分反射单元102的第二表面102b侧装设液晶显示面板104，液晶显示面板104可为平面状或弧面状，可通过液晶分子旋转切换光线穿透比例而改变外部背景b的光线穿透比例。当液晶分子旋转切换至关闭状态时，则外部背景b的光线不可通过，此时外部背景b不可见，借此可避免因外部背景b过亮而使虚像s的清晰度受到影响。当然也可调变液晶分子旋转切换的关闭/开启状态的比例，使外部背景b依照不同使用情况而有不同的光线穿透比例，液晶显示面板104可与部分反射单元102的第二表面102b分开一定距离，或直接贴合于部分反射单元102的第二表面102b，可视实际状况应用之，另也可用偏光镜(组)、电致变色装置或光致变色装置。此外，在部分反射单元102的第二表面102b可镀有抗反射膜，可减少叠影的产生，使虚像s更为清晰。
请续参照图3。图3是绘示本发明第二实施例的反射式虚像显示装置100示意图。此实施例省略了反射镜103的使用。影像源101所投射的投影影像为部分反射单元102的第一表面102a直接反射至使用者的至少一双眼睛。此时，使用者可在与部分反射单元102的第二表面102b同侧看到与投影影像具有相同信息内容且具放大尺寸的呈二维或立体三维的虚像s。
请续参照图4。图4是绘示本发明第三实施例的反射式虚像显示装置100示意图。前述已说明反射镜103可改变由影像源101所投射的投影影像的投影方向以及虚像s的方向。在图3中，可依据实际使用状况使用多个反射镜103进行多重反射，可转折光路而缩短影像源101与部分反射单元102的距离，以便缩小反射式虚像显示装置100的体积。
影像源101所投射的投影影像可经部分反射单元102放大而形成使用者的至少一双眼睛可视的放大虚像s。此实施例可应用于例如台式电脑的屏幕、嵌入式屏幕、电视屏幕或电影屏幕等。由于呈现为悬空的虚像s，且大小及虚像s距离远近可任意调整，因此可取代现行使用固定式屏幕的方式，具应用上的灵活性及达到健康屏幕的效果。
前述图1至图4中的反射式虚像显示装置100，由于结构简单，故可高度整合于如头戴式显示装置(hmd)、抬头显示器(hud)、安全帽、自行车帽、帽子或眼镜等，作为主要光学显示装置，并且可以以无线(蓝牙)滑鼠、键盘、触控板、简报器、手势感应器或遥控器等来操作虚像显示装置。举例而言，可装设于头盔内或装设于汽车仪表板内，作为显示影像信息来源。同时，前述图1至图3中的反射式虚像显示装置100，除了可提供一般二维影像外，也可到大视角(大视野)二维影像(例如:左眼与右眼的影像叠加)，也可改变影像源101及部分反射单元102数量而得到立体三维影像(例如用以形成虚拟实境或扩增实境)。并且，影像源101、部分反射单元102、反射镜103以及虚像s间的相对位置、相对距离及光学参数最佳化的配置，更能调变以便能应用于近端显示装置(hud、hmd)或远端显示装置(投影屏幕)等。举例而言，部分反射单元102的第一表面102a的有效焦距efl可大于等于10mm，小于等于1000mm；使用者的眼睛与虚像s的距离为250mm至无穷大；部分反射单元102的第一表面102a与使用者眼睛的距离为10～1500mm。
请续参照图5至图7。图5是绘示本发明第四实施例的反射式虚像显示装置100示意图；图6是绘示图5中的反射式虚像显示装置100的mtf曲线图；图7是绘示图5中的反射式虚像显示装置100的场曲线及歪曲曲线图。
图5中绘示了应用本发明的反射式虚像显示装置100于形成立体三维影像的应用。此实施例与前述使用单个影像源，搭配单个部分反射单元102同时成像至使用者的双眼而形成二维或立体三维影像的方式不同。此实施例中，反射式虚像显示装置100包含二个影像源101以及二个部分反射单元102。二个影像源101用以分别投射投影影像。二个部分反射单元102分别包含第一表面102a及第二表面102b。各第一表面102a用以接收并反射由各影像源101投射的投影影像至使用者的单眼。在使用者的二只单眼分别接受各部分反射单元102的各第一表面102a反射的投影影像后，在各第二表面102b同侧看到由各影像源101所投射的投影影像信息组合而成、具放大尺寸且呈立体三维的虚像s，或左眼与右眼影像的叠加而形成二维大视角(大视野)的虚像s。此虚像s可通过虚拟实境或扩增实境方式呈现。在此实施例中，使用者单眼对应各部分反射单元102的出瞳(exitpupil)直径大于2mm。此实施例中，部分反射单元102的第一表面102a与使用者单眼的距离为100mm，使用者单眼与虚像s的距离为550mm。以此方式配置而成的反射式虚像显示装置100，其光学特性如图6的mtf曲线图以及图7的场曲及畸变曲线图所示。由图6及图7，可知此种反射式虚像显示装置100在虚像距离为550mm下，人眼辨识能力的mtf值至少3.2lp/mm＠24％，其畸变可小于+2％，一般在使用者的眼睛与虚像距离为550mm下，人眼辨识能力的mtf值至少需为3.2lp/mm，光学畸变规格为正负3％以内。故以此实施的最佳化光学参数配置下，可得到较一般规格更佳的mtf值及较低的畸变值，故成像的解像力佳，且影像畸变小，可得到较佳的影像品质。
请续参照图8至图10。图8是绘示本发明第五实施例的反射式虚像显示装置100示意图；图9是绘示图8中的反射式虚像显示装置100的mtf曲线图；图10是绘示图8中的反射式虚像显示装置100的场曲及畸变曲线图。与前述实施例中不同，此实施例是使用单一影像源101以及单一部分反射单元102而成像至使用者的至少一的双眼睛。为能看到完整的虚像s，使用者的双眼对应部分反射单元102的眼睛盒(eyebox)为圆形，其直径大于60mm。在此实施例中，由于人眼出瞳直径大约为2～8mm，因此于计算mtf值时，以眼睛盒的直径为6mm代入即可。此实施例中，部分反射单元102的第一表面102a与使用者的眼睛的距离为100mm，使用者的眼睛与虚像s的距离为555mm。以此方式配置而成的反射式虚像显示装置100，其光学特性如图9的mtf曲线图以及图10的场曲及畸变曲线图所示。由图9及图10，可知此种反射式虚像显示装置在使用者的眼睛与虚像距离为555mm下人眼辨识能力的mtf值至少为3.2lp/mm＠8％，其畸变可小于+2％，一般在使用者的眼睛与虚像距离为555mm下，人眼辨识能力的mtf值至少需为3.2lp/mm，光学畸变规格为正负3％以内。故以此实施的最佳化光学参数配置下，可得到较一般规格更佳的mtf值及较低的畸变值，故成像的解像力佳，且影像畸变小，可得到较佳的影像品质。
请续参照图11至图13。图11是绘示本发明第六实施例的反射式虚像显示装置100示意图；图12是绘示图11中的反射式虚像显示装置100的mtf曲线图；图13是绘示图11中的反射式虚像显示装置100的场曲及畸变曲线图。此实施例是使用单一影像源101以及单一部分反射单元102而成像至使用者的至少一的双眼睛。为能看到完整的虚像s，使用者的双眼对应部分反射单元102定义一眼睛盒(eyebox)为圆形，其直径大于60mm。在此实施例中，由于人眼出瞳直径大约为2～8mm，因此在评价mtf值时，以眼睛盒的直径为6mm代表的此实施例中，部分反射单元102的第一表面102a与使用者的眼睛的距离为450mm，使用者的眼睛与虚像s的距离为2090mm。借此，可作为吊挂式抬头显示器且能安装于车子顶篷处(遮阳板)。以此方式配置而成的反射式虚像显示装置100，其光学特性如图12的mtf曲线图以及图13的场曲及畸变曲线图所示。由图12及图13，可知此种反射式虚像显示装置100在使用者的眼睛与虚像距离为450mm下人眼辨识能力的mtf值至少为0.86lp/mm＠66％，其畸变可小于+2％，一般在使用者的眼睛与虚像距离为2090mm下，人眼辨识能力的mtf值至少需为0.86lp/mm，光学畸变规格为正负3％以内。故以此实施的最佳化光学参数配置下，可得到较一般规格更佳的mtf值及畸变，故成像的解像力佳，且影像畸变小，可得到较佳的影像品质。
请续参照图14至图16。图14是绘示本发明第七实施例的反射式虚像显示装置100示意图；图15是绘示图14中的反射式虚像显示装置100的mtf曲线图；图16是绘示图14中的反射式虚像显示装置100的场曲及畸变曲线图。此实施例是使用单一影像源101以及单个部分反射单元102而成像至使用者的至少一双眼睛。为能看到完整的虚像s，使用者的眼睛对应部分反射单元102定义眼睛盒(eyebox)为圆形，其直径大于60mm。在此实施例中，由于人眼出瞳直径大约为2～8mm，因此于评价mtf值时，以眼睛盒的直径为6mm代表的此实施例中，部分反射单元102的第一表面102a与使用者的眼睛的距离为1300mm，使用者的眼睛与虚像s的距离为2090mm。借此，在部分反射单元102的第一表面102a与使用者的眼睛之间可设置反射镜使光路转折，形成可配置于汽车并看到呈二维或立体三维的虚像s的反射式虚像显示装置100，可作为抬头显示器。此实施例将反射式虚像显示装置100埋设于仪表板下，将影像源101的投影影像经反射镜反射至部分反射单元102，再反射至使用者的至少一的双眼睛。此时，即可由使用者的至少一双眼睛看到在挡风玻璃前的虚像s。以此反射式虚像显示装置100，其光学特性如图15的mtf曲线图以及图16的场曲线及畸变曲线图所示。由图15及图16，可知此种反射式虚像显示装置100在使用者的眼睛与虚像距离为2090mm下，人眼辨识能力的mtf值至少为0.86lp/mm@71％，其畸变可小于-2％。一般在使用者的双眼与虚像距离为2000mm下，人眼辨识能力的mtf值至少需为0.86lp/mm，光学畸变规格为正负3％以内。故以此实施的最佳化光学参数配置下，可得到较一般规格更佳的mtf值及较低的畸变值，故成像的解像力佳，且影像畸变小，可得到较佳的影像品质。
综上，本发明的反射式虚像显示装置100具有简易结构，可根据实际使用状况，简易地与其余设备整合。并且，通过光学参数的最佳化，可形成成像的解像力佳，且畸变小的虚像s。本发明的反射式虚像显示装置100可用于形成呈二维或立体三维的虚像s，具广泛的应用性。
虽然本发明已以实施方式公开如上，然其并非用以限定本发明，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。