CN104820287B - 可穿戴式显示器、图像显示单元以及支架 - Google Patents

Abstract

公开了一种可穿戴式显示器、图像显示单元以及支架。可穿戴式显示器包括：发光元件；光学调制元件；导光元件，其用于将来自发光元件的光线导向光学调制元件；支架，其用于一体地保持发光元件、光学调制元件和导光元件；以及虚像光学组件，其连接到支架上，并且用于生成来自光学调制元件的图像光线的虚像。

Description

可穿戴式显示器、图像显示单元以及支架

相关申请交叉参考

本申请要求2014年1月30日申请的日本专利申请JP2014-015728的优先权，该文件全文通过参考被引用于此。

技术领域

本发明涉及一种用于可穿戴式显示器例如头戴式显示器的技术。

背景技术

已知头戴式显示器(HMD)，其安装在使用者的头上，并且能够通过在使用者眼前的显示器或类似装置向使用者呈现图像。

例如，日本专利申请早期公开号2006-350129公开了一种用于头戴式显示器或类似装置的虚像显示装置。该虚像显示装置包括导光板，从图像显示元件发射的显示光入射其上。在导光板上显示光被重复地完全反射并进入观众的瞳孔。

提出了各种关于可穿戴式显示器，如头戴式显示器的技术。然而，在这些技术中，采用大量部件以用于显示图像的图像显示单元，因此不容易组装这些部件且同时保证光学精准度。

发明内容

因此期望能够提供一种容易组装的图像显示单元，包括其的可穿戴显示器以及用于其的支架。

根据本申请的一个实施例，提供了一种可穿戴式显示器，其包括发光元件、光学调制元件、导光元件、支架以及虚像光学组件。

光学调制元件用于生成能够由可穿戴式显示器输出的图像。

导光元件用于将来自发光元件的光线导向光学调制元件。

支架用于一体地保持发光元件、光学调制元件和导光元件。

虚像光学组件连接到支架上，并且用于生成来自光学调制元件的图像光线的虚像。

可穿戴式显示器包括一体地保持部件的支架，因而执行组装工作的工人只需要将支架连接到虚像光学组件。因此，工人能够轻易地执行组装工作，同时保证光学精确度。

光学调制元件可以是透射元件。

这样，与反射光学调制元件相比，能够缩小图像显示组件(至少由发光元件、光学调制元件、导光元件和支架形成的部件)的尺寸。

支架可包括本体，该本体包括第一端部、第二端部和中间部。第一端部用于保持发光元件。第二端部设置成于第一端部相对，并且用于保持光学调制元件。中间部设置在第一端部和第二端部之间，并且用于保持导光元件。

这样，发光元件、导光元件和光学调制元件布置成一条线。因而，有助于缩小图像显示组件的尺寸。

第二端部可包括第一端面，光学调制元件连接到该端面。

光学调制元件连接到第二端部的端面上，因此支架的尺寸能够尽可能地减小。

第一端部也可能包括一端面，发光元件连接到该端面。

可穿戴式显示器可进一步包括扩散元件，其布置在导光元件的发射端面。第二端部可包括第二端面，扩散元件连接到该端面上，第二端面布置成比第一端面更靠近导光元件。

这样，可以便于扩散元件和光学调制元件在支架上的组装和定位。

支架可进一步包括从第二端部延伸的腿部，以保持光学调制元件。虚像光学组件可连接到腿部上。

这样有利于且确保光学调制元件在支架上的组装，以及光学调制元件和其他元件的光学定位。

可穿戴式显示器还可进一步包括金属片，其用于将支架和虚像光学组件彼此连接。

这样，金属片被用作用于连接双方的机构，因此可穿戴式显示器的耐冲击性增加。此外，也可以减小支架和虚像光学组件的尺寸。

金属片可包括本体，以及设置成从本体向支架突出的多个突出件。

这样，可以确保光学调制元件和虚像光学组件之间的间隙与突出件的突出量对应。也就是说，通过金属片能获得尺寸减小，同时保持部件的光学位置精准度。

穿戴式显示器还可进一步包括框架，其用于保持虚像光学组件的导光板。虚像光学组件可包括准直光学元件，该准直光学元件用于接收从光学调制元件入射的图像光线，并将图像光线向导光板发射，并且准直光学元件可经金属片连接到框架。

金属片将支架和准直光学元件彼此连接，并且将准直光学元件与框架彼此连接。这样，能够减小可穿戴式显示器的尺寸，并且有助于增加准直光学元件的耐冲击性。

光学调制元件可以是光反射元件。

根据本申请的一个实施例，提供一种图像显示单元，其包括发光元件、光学调制元件、导光元件和支架。

特别是，支架用于可连接到虚像光学组件，该虚像光学组件用于生成来自光学调制元件的图像光线的虚像，该支架用于一体地保持发光元件、光学调制元件和导光元件，虚像光学组件被用于可穿戴式显示器。

根据本申请的一个实施例，提供一种支架，其包括第一端部、第二端部、壳体部和连接部。

第一端部用于保持发光元件。

第二端部设置在与第一端部不同的位置，并且用于保持光学调制元件。

壳体部设置在第一端部和第二端部之间，并且用于容纳导光元件。

连接部用于可连接到虚像光学组件，该虚像光学组件用于生成来自光学调制元件的图像光线的虚像，连接部从第二端部延伸，虚像光学组件用于可穿戴式显示器。

如上所述，根据本申请的实施例，能够容易地组装可穿戴式显示器。

应该注意，这里所描述的效果并非限制性的，可具有本说明书中所描述的任何效果。

应该意识到这里描述的效果并非局限性，并且还可以具有本申请中描述的任何其他效果。

根据随后的最佳实施方式的说明书，以及附图所示，本申请的这些目的、特征和优点将变得更清楚。

附图说明

图1是根据本申请的第一实施例的可穿戴式显示器的一部分的透视图；

图2是图1所示可穿戴式显示器的分解透视图；

图3是示出支架的平面图；

图4是沿着图3的A-A线的剖视图；

图5是沿着图3的B-B线的剖视图；

图6是图3所示支架的透视图；

图7是保持了元件的支架的透视图；

图8是示出从与图7不同的角度观察的支架的透视图，其中省略了光学调制元件；

图9是示出虚像光学组件的透视图；

图10是从一孔隙处观察的准直光学元件的视图；

图11是示出根据本申请的第二实施例的可穿戴式显示器的主要部件的透视图；

图12是示出根据第二实施例的金属片的透视图；

图13是示出根据本申请的第三实施例的可穿戴式显示器的图像显示组件的视图；以及

图14是示出支架的透视图，该支架一体地保持构成图13所示图像显示组件的光学元件。

具体实施方式

现在将参考附图描述本申请的实施例。

第一实施例

(可穿戴式显示器的整体结构)

图1是示出根据本申请的第一实施例的可穿戴式显示器的一部分的透视图。图2是图1所示可穿戴式显示器100的分解透视图。

可穿戴式显示器100是可以戴在头上的眼镜型显示器。其主要部件显示于图中。可穿戴式显示器100包括图像显示组件(图像显示单元)130、虚像光学组件170以及框架160，框架160保持设置在虚像光学组件170中的导光板140。

框架160用于例如围绕导光板140的圆周长度的70％或更多，该导光板随后将进行描述。框架160有利地用于围绕导光板140的整个圆周。从而，能够阻止在导光板140上的应力集中以及对可穿戴式显示器100的损坏。因此，能够保证抗冲击性。因此，例如，可以采用玻璃或薄的材料来制造导光板140，随后将详细描述。换句话说，没有必要使用昂贵的强化玻璃或厚的树脂材料。从而，能够降低成本。

框架160由树脂或金属制成。作为金属，框架160典型地由镁合金制成。这样可降低可穿戴式显示器的重量。

(图像显示组件的结构)

如图2所示，图像显示组件130包括发光元件10、支架30、导光元件50、扩散元件60、以及光学调制元件70。

发光元件10包括光源11以及安装衬底12(参见图8)。光源11例如由发光二极管(LED)形成。或者，可以采用诸如电致发光(EL)这样的光。

导光元件50是有效地将从发光元件10发射的光经扩散元件60引导到光学调制元件70的元件。例如，导光元件50包括入射端面51、发射端面53、以及它们之间的导光部52。发射端面53比入射端面51的面积更大。

导光部52用于在宽度上从入射端面51到发射端面53逐渐增大。入射端面51和发射端面53几乎是平行的。导光部52具有从入射端面51延伸到发射端面53的笔直形状。由于笔直的导光元件50，能够节省图像显示组件130中导光元件50的空间，并且减小图像显示组件130的尺寸。

扩散元件60是板状元件，其从导光元件50发射的光进行扩散，以抑制不均匀的照度。

透射材料，例如透明树脂、玻璃、陶瓷，用作导光元件50和扩散元件60的材料。例如，聚碳酸酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)用作透明树脂。

例如，光透射液晶显示元件用作光学调制元件70。

支架30一体地保持发光元件10、导光元件50、扩散元件60以及光学调制元件70。随后将对支架30的构造进行描述，并且详细描述支架30如何保持部件。

(支架的构造及支架对部件的保持)

图3是示出支架30的平面图。图4是沿着图3的A-A线的剖视图。图5是沿着图3的B-B线的剖视图。图6是示出支架30的透视图。图7是保持了光学元件的支架30的透视图。图8是从与图7不同的角度观察的支架30的透视图(省略了光学调制元件70)。

例如，如聚亚苯基(PPS)、聚丙烯(PP)以及聚醚醚酮(PEEK)这样的合成树脂被用于支架30的材料。当然，也可以采用其他树脂。

支架30包括本体31和用作连接部的腿部35。如图7和8所示，本体31包括：保持发光元件10的第一端部32、设置成与第一端部32相对且保持有光学调制元件70的第二端部33、以及设置在第一端部32和第二端部33之间的中间部(壳体部)34。中间部34在内部空间34a中容纳和保持导光元件50。腿部35由从第二端部33延伸的两个腿部件37和37形成。

如上所述，导光元件50是笔直的。发光元件10、导光元件50、扩散元件60以及光学调制元件70在本体10中布置成一条线。因此，它有助于缩小图像显示组件130的尺寸。

第一端部32包括在支架30的纵向方向上延伸的延伸件32a。如此保持发光元件10使得光源11位于延伸件32a之间。本体31的中间部34的外形形成为从光入射侧(发光元件10的一侧)向光发射侧(光学调制元件70的一侧)在宽度上逐渐增加，与导光元件50的外形一致。当然，本体31的宽度可以从光入射侧到光发射侧是不变的，与中间部34的光发射侧的宽度(较大宽度)对应。然而，如果如上所述，中间部34用于与导光元件50的外形一致，那么可以节省支架30在图像显示组件130中的空间，并且减小图像显示组件130的尺寸。

此外，发光元件10和光学调制元件70附接到支架30的本体31的两端，从而能够尽可能的减小支架30的尺寸，这有助于减小图像显示组件130的尺寸。此外，支架30保持发光元件10和光学调制元件70，因此工人能够容易地将这些元件组装到支架30上，同时以高精准度保证这些元件之间的光学距离。

此外，光学调制元件70被连接到第二端部33，因此它能够尽可能的减小支架30的尺寸。

如图4和5所示，第二端部33包括在其上布置并连接有光学调制元件70的第一端面33a，和在其上布置并连接有扩散元件60的第二端面33b。第二端面33b设置成比第一端面33a更靠近导光元件50。因此，第二端部33形成为具有第一端面33a和第二端面33b(即，两个不同表面)的台阶，因此有利于将扩散元件60和光学调制元件70组装和定位到支架30。

如图7所示，光学调制元件70被保持成夹在腿部35的两个腿部件37和37之间。这样，就有利于且能保证光学调制元件70组装到支架30上，以及光学调制元件70和其他元件的光学位置。

粘结剂，例如光固化树脂，通常用于将光学元件固定到支架30。还可以采用其他粘结剂，或者光学元件可以通过螺纹或其他类似方式进行固定。

(虚像光学组件的构造)

图9是虚像光学组件170的透视图。虚像光学组件170包括准直光学元件110、孔隙120(参见图2)以及导光板140。图10是从准直光学元件110的发射侧表面114观察的准直光学元件的透视图。

准直光学元件110包括入射侧表面112，从图像显示组件130的光学调制元件70发射的图像光线入射到该表面上。从入射侧表面112入射的图像光线在准直光学元件110之内形成具有不同视角的多个平行的光通量。此外，准直光学元件110包括发射侧表面114，其向导光板140发射平行通量。

根据这个实施例的准直光学元件110具有特殊形状，例如，三角柱或者变形的四棱柱。然而，准直光学元件并不局限于该特殊形状，还可能是由透镜的组合形成的并单元化的元件。

如上所述导光板140附接到框架160上。如图10所示，孔隙120连接到准直光学元件110的发射侧表面114。准直光学元件110的入射侧表面112通过金属片80连接到图像显示组件130上。发射侧表面114通过孔隙120连接到导光板140(参见图2和10)。

如图9所示，导光板140包括在其一端的入射口143以及在其另一端的发射口146。从准直光学元件110发射的图像光线入射到入射口143。发射口146将从入射口143入射的图像光线朝着人的瞳孔发射。如果有必要，在入射口143的相对侧上在导光板140的表面上以及在发射口146的相对侧上在导光板140的表面上设置反射镜或者反射体积全息照相光栅(未示出)。

在导光板140中，从入射口143入射的图像光线被反射镜、反射体积全息照相光栅或其他类似装置反射或者折射，并且在重复地全反射的同时传播到发射口146。靠近发射口146，图像光线如在入射口143中那样被反射镜或反射体积全息照相光栅(未示出)反射或者折射，并且从发射口146发射到瞳孔。

粘结剂，例如热固性树脂，通常被用于将准直光学元件110固定到金属片80，以及将准直光学元件110固定到导光板140上。然而，还可以采用其他粘结剂，或者准直光学元件110可通过螺纹或类似方式连接到金属片80和导光板140上。对于准直光学元件110固定到孔隙120来说，也可以采用相同方式。

(图像显示组件和虚像光学组件的连接)

如图9所示，可穿戴式显示器100还进一步包括金属片80，其将图像显示组件130和虚像光学组件170彼此连接并固定。不锈钢、铁、铜、或其他材料可以用作金属片80的材料。

金属片80包括用作本体的框架81和多个从框架81垂直突出的突出件82。准直光学元件110的入射侧表面112被连接到框架81上。然后，突出件82被连接到支架30的腿部35上。

在框架81的内周，设置有与多个设置在准直光学元件110的入射侧表面112上的突出113相配合的切断口115。由于多个突出113和切断口115的配合，使得准直光学元件110和金属片80彼此定位。

如图6-8所示，支架30的腿部35的腿部件37包括在其端部的多个凹口37a。如图1所示，突出件82连接到凹口37a。为了将突出件82连接并固定到凹口37a上，使用如热固性树脂这样的粘结剂。然而，也可以采用其他粘结剂，或者突出件82和凹口37a通过螺纹或类似方式进行连接。注意，如图1所示，在突出件82和凹口37a之间形成空间，粘合剂就处于该空间中。

光学调制元件70和虚像光学组件170之间的间隙被保证为与突出件82的突出量相对应。也就是说，通过金属件80能够实现尺寸减小，同时保证光学元件的光学位置精准度。

透射材料，例如透明树脂、玻璃、陶瓷，可被用于准直光学元件110和导光板140的材料。例如，聚碳酸酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)用作透明树脂。

(总结)

如上所述，根据这个实施例的可穿戴式显示器100包括支架30，其对部件进行一体地保持，因此执行组装工作的工人只需要将支架30连接到虚像光学组件170上即可。因而，能够容易的进行组装，同时保证光学精准度。这样，也能节省成本。

采用透射光学调制元件70，因此与使用反射光学调制元件的情况相比，图像显示组件130的尺寸缩小。

金属片80被用于连接图像显示组件130和虚像光学组件170，因此可穿戴式显示器100的耐冲击性增加。此外，还能够减小支架30和虚像光学组件170的尺寸(换句话说，节省了在其中设置有支架30和虚像光学组件170的可穿戴式显示器100的空间)。

根据这个实施例的支架30的腿部35并不局限于具有夹紧光学调制元件70的作用。腿部35还具有能够夹紧用于组装和调节的夹具的形状，因此便于组装和调节。

第二实施例

图11是根据本申请的第二实施例的可穿戴式显示器的主要部件的透视图。在此之后，将简化或省略与上述实施例的可穿戴式显示器100相同的元件、作用或者类似元件、作用的描述，主要描述那些不同点。

可穿戴式显示器200的金属片180连接到支架30和框架160上。图12是金属片180的透视图。金属片180通过整体模制成型，包括底部框架181和两侧部183和183。也就是说，当从一个方向观察时，金属片180具有大体上为U型或倒C型的外形。

底部框架181具有与第一实施例中的金属片180的框架81相同的作用。如图11所示，两侧部183被附接到准直光学元件110的侧表面上。金属片180用螺纹例如在两侧部183的端部183a处固定到框架160上，同时保持准直光学元件110。

如上所述，支架30和准直光学元件110通过金属片180彼此连接，并且准直光学元件110和框架160通过金属片180彼此连接.这样，就能如上述实施例所述减小可穿戴式显示器200的尺寸。此外，还能增加准直光学元件110的耐冲击性。

第三实施例

图13是根据本申请的第三实施例的可穿戴式显示器的图像显示组件的视图。图14是图13所示光学元件以及一体地保持光学元件的支架230的透视图。

如图14所示，图像显示组件250包括发光元件10、导光元件50、棱镜元件220、光学调制元件270以及一体地保持发光元件10、导光元件50、棱镜元件220和光学调制元件270的支架230。例如，光学调制元件270是反射液晶显示元件。

棱镜元件220例如包括偏振分束器。也就是说，棱镜元件220将来自导光元件50的光反射到光学调制元件270，并且接收从光学调制元件270发射的图像光线，然后由于内部反射而将光线朝着另一方向发射。

如图2所示的笔直的导光元件可用作导光元件50。

于是，本申请还可应用于反射光学调制元件270。

其他实施例

本申请并不局限于上述实施例，各种其他实施例也可以实现。

在上述实施例中，图像显示组件130和虚像光学组件170由于金属片或类似装置而彼此连接。然而，图像显示组件130和虚像光学组件170可直接利用粘结剂彼此连接，而无需金属片。

作为反射光学调制元件，可以用数字微镜器件(DMD)来代替液晶显示元件。在这种情况中，光学元件和支架的设计应该根据该替换进行适当地改变。

在上述实施例的特征中的至少两个可以组合。

本申请还可采取下列结构。

(1)一种可穿戴式显示器，其包括：

发光元件；

光学调制元件；

导光元件，其用于将来自发光元件的光线导向光学调制元件；

支架，其用于一体地保持发光元件、光学调制元件和导光元件；以及

虚像光学组件，其连接到支架上，并且用于生成来自光学调制元件的图像光线的虚像。

(2)如(1)所述的可穿戴式显示器，其中，

光学调制元件是光透射元件。

(3)如(2)所述的可穿戴式显示器，其中，

支架包括本体，该本体包括：

第一端部，其用于保持发光元件；

第二端部，其设置成与第一端部相对，并且用于保持光学调制元件，以及

中间部，其设置在第一端部和第二端部之间，并且用于保持导光元件。

(4)如(3)所述的可穿戴式显示器，其中，

第二端部包括第一端面，光学调制元件连接到该端面。

(5)如(4)所述的可穿戴式显示器，还进一步包括：

扩散元件，其布置在导光元件的发射端面，其中，

第二端部包括第二端面，扩散元件连接到该端面上，第二端面布置成比第一端面更靠近导光元件。

(6)如(4)或(5)所述的可穿戴式显示器，其中，

支架进一步包括从第二端部延伸的用来保持光学调制元件的腿部，其中

虚像光学组件连接到腿部上。

(7)如(1)-(6)任一所述的可穿戴式显示器，还进一步包括：

金属片，其用于将支架和虚像光学组件彼此连接。

(8)如(7)所述的可穿戴式显示器，其中，

金属片包括：

本体，以及

设置成从本体向支架突出的多个突出件。

(9)如(7)所述的可穿戴式显示器，还进一步包括：

框架，其用于保持虚像光学组件的导光板，其中

虚像光学组件包括准直光学元件，该准直光学元件用于接收从光学调制元件入射的图像光线，并将图像光线向导光板发射，以及

准直光学元件经金属片连接到框架。

(10)如(1)所述的可穿戴式显示器，其中，

光学调制元件是光反射元件。

(11)一种图像显示单元，其包括：

发光元件；

光学调制元件；

导光元件，其用于将来自发光元件的光线导向光学调制元件；以及

用于可连接到虚像光学组件的支架，该虚像光学组件用于生成来自光学调制元件的图像光线的虚像，该支架用于一体地保持发光元件、光学调制元件和导光元件，虚像光学组件被用于可穿戴式显示器。

(12)一种支架，其包括：

第一端部，其用于保持发光元件；

第二端部，其设置在与第一端部不同的位置处，并且用于保持光学调制元件；

壳体部，其设置在第一端部和第二端部之间，并且用于容纳导光元件；以及

用于可连接到虚像光学组件的连接部，该虚像光学组件用于生成来自光学调制元件的图像光线的虚像，连接部从第二端部延伸，虚像光学组件用于可穿戴式显示器。

本领域技术人员应该意识到，可根据设计需求或其他因素做出各种修改、组合、子组合和改变，只要它们在所附权利要求及其等价物的范围内。

Claims (11)

1.一种可穿戴式显示器，其包括：

发光元件；

光学调制元件；

导光元件，其用于将来自所述发光元件的光线导向所述光学调制元件；

支架，其用于一体地固定所述发光元件、所述光学调制元件和所述导光元件；

虚像光学组件，其连接到所述支架上，并且用于生成来自所述光学调制元件的图像光线的虚像；以及

金属片，其用于将所述支架和所述虚像光学组件彼此连接并固定。

2.如权利要求1所述的可穿戴式显示器，其中，

所述光学调制元件是光透射元件。

3.如权利要求2所述的可穿戴式显示器，其中，

所述支架包括本体，该本体包括：

第一端部，其用于保持所述发光元件；

第二端部，其设置成与所述第一端部相对，并且用于保持所述光学调制元件，以及

中间部，其设置在所述第一端部和所述第二端部之间，并且用于保持所述导光元件。

4.如权利要求3所述的可穿戴式显示器，其中，

所述第二端部包括第一端面，所述光学调制元件连接到该第一端面。

5.如权利要求4所述的可穿戴式显示器，还进一步包括：

扩散元件，其布置在所述导光元件的发射端面，其中，

所述第二端部包括第二端面，所述扩散元件连接到该第二端面上，所述第二端面布置成比所述第一端面更靠近所述导光元件。

6.如权利要求4所述的可穿戴式显示器，其中，

所述支架进一步包括从所述第二端部延伸的腿部，以便保持所述光学调制元件，其中，

所述虚像光学组件连接到所述腿部。

7.如权利要求1所述的可穿戴式显示器，其中，

所述金属片包括：

本体，以及

从所述本体向所述支架突出地设置的多个突出件。

8.如权利要求1所述的可穿戴式显示器，还进一步包括：

框架，其用于保持所述虚像光学组件的导光板，其中，

所述虚像光学组件包括准直光学元件，该准直光学元件用于接收从所述光学调制元件入射的图像光线，并将所述图像光线向所述导光板发射，以及

所述准直光学元件经所述金属片连接到所述框架。

9.如权利要求1所述的可穿戴式显示器，其中，

所述光学调制元件是光反射元件。

10.一种图像显示单元，其包括：

发光元件；

光学调制元件；

导光元件，其用于将来自所述发光元件的光线导向所述光学调制元件；

支架，其构造成能够连接到虚像光学组件，该虚像光学组件用于生成来自所述光学调制元件的图像光线的虚像，所述支架用于一体地固定所述发光元件、所述光学调制元件和所述导光元件，所述虚像光学组件被用于可穿戴式显示器；以及

金属片，其用于将所述支架和所述虚像光学组件彼此连接并固定。

11.一种支架，其包括：

第一端部，其用于固定发光元件；

第二端部，其设置在与所述第一端部不同的位置处，并且用于固定光学调制元件；

壳体部，其设置在所述第一端部和所述第二端部之间，并且用于容纳导光元件；

从所述第二端部延伸的连接部，其经构造以通过金属片而被连接并固定到虚像光学组件，该虚像光学组件用于生成来自所述光学调制元件的图像光线的虚像，所述虚像光学组件用于可穿戴式显示器。