CN107015362A - 头戴式显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种头戴式显示装置，其包括透明显示器、第一液晶透镜以及第二液晶透镜。透明显示器用以发出影像光束。第一液晶透镜配置于透明显示器旁。透明显示器配置于第一液晶透镜与第二液晶透镜之间。第二液晶透镜用以接收环境光束。藉由头戴式显示装置的第一液晶透镜的相位调变，以使影像光束通过第一液晶透镜后通过光瞳。由于本发明的透明显示器不会造成视角遮蔽的问题，因此本发明的头戴式显示装置可以实现广视角的显示效果。

Description

头戴式显示装置
技术领域
本发明涉及一种显示装置，且特别涉及一种头戴式显示装置。
背景技术
近眼显示器(near eye display,NED)以及头戴式显示器(head-mounteddisplay,HMD)是目前极具发展潜力的新产品。在近眼显示器的相关应用上，目前分为扩增实境(augmented reality,AR)以及虚拟实境(virtual reality,VR)。对于虚拟实境而言，如何营造虚拟世界的真实感为其重要的开发议题。对扩增实境而言，相关开发人员则致力于如何在轻薄的前提下提供最佳的影像品质。
在以头戴式显示器实现扩增实境的基本光学架构中，用以显示的影像光束由投影装置发出后，经由具半反射半穿透的光学元件反射而进入使用者的眼睛。显示影像的光束以及外界的环境光束皆进入使用者的眼睛，而达到扩增实境的显示效果。然而，在上述架构中，投影装置无可避免地会设置于使用者的眼睛的视角范围中，且上述元件占有一定的体积。因此，头戴式显示器实际能显示的影像的视角大为受限。为了实现广视角的显示效果，目前的其中一种解决方式是以使影像光束多次反射的光学透镜、镜片组或光学反射系统，使投影装置设置在使用者的眼睛的视角范围以外。然而，上述光学透镜、镜片组或光学反射系统常造成头戴式显示器体积增大以及重量增加的问题，且光学透镜、镜片组的多个反射面其组装的精度和面型精度都有很高的要求。另外一种解决方式是以多层分光元件相贴合的导光元件将投影装置的影像光束导入使用者的眼睛。然而，上述导光元件的制程包括繁复的镀膜、贴合、对位、切割以及抛光等制程，其量产性较差。因此，如何在实现扩增实境的广视角显示的同时，减少头戴式显示器的体积以及重量以及简化制程，实为本领域相关人员值得关注的重点之一。
“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成所属技术领域中普通技术人员所知道的公知技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被所属技术领域中普通技术人员所知晓或认知。
发明内容
本发明提供一种头戴式显示装置，其可以实现广视角，且其体积较小、重量较轻且制程较为简化。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种头戴式显示装置，其包括透明显示器、第一液晶透镜以及第二液晶透镜。透明显示器用以发出影像光束。第一液晶透镜配置于透明显示器旁。透明显示器配置于第一液晶透镜与第二液晶透镜之间。第二液晶透镜用以接收环境光束。藉由头戴式显示装置的第一液晶透镜的相位调变，以使影像光束通过第一液晶透镜后通过光瞳。
基于上述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。本发明的实施例中，头戴式显示装置的透明显示器配置于第一液晶透镜与第二液晶透镜之间。透明显示器用以发出影像光束，而第二液晶透镜用以接收环境光束。藉由头戴式显示装置的第一液晶透镜的相位调变，以使影像光束通过第一液晶透镜后通过光瞳。因此，头戴式显示装置可以同时发出用以显示的影像光束以及接收外来的环境光束，且第一液晶透镜可发生相位调变而使得用以显示的影像光束与外来的环境光束并存而实现扩增实境(Augmented Reality,AR)的显示效果。由于透明显示器不会造成视角遮蔽的问题，因此头戴式显示装置可以实现广视角的显示效果。另外，由于头戴式显示装置不必额外装设可使影像光束多次反射的光学透镜、镜片组或光学反射系统，因此头戴式显示装置的体积较小且重量较轻。除此之外，头戴式显示装置不需设置具有多层分光结构相贴合的导光元件，因此头戴式显示装置的制程得以简化，其量产性较佳。
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，并配合附图详细说明如下。
附图说明
图1是示出本发明一实施例的头戴式显示装置的光路示意图。
图2A是示出本发明另一实施例的头戴式显示装置的光路示意图。
图2B是示出图2A实施例的液晶模块的至少一部分不透光的示意图。
图3是示出本发明又一实施例的头戴式显示装置的光路示意图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一优选实施例的详细说明中，将可清楚地呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
图1是示出本发明一实施例的头戴式显示装置的光路示意图，请参考图1。在本实施例中，头戴式显示装置100包括透明显示器110、第一液晶透镜120以及第二液晶透镜130。第一液晶透镜120配置于透明显示器110旁，且透明显示器110配置于第一液晶透镜120与第二液晶透镜130之间。具体而言，透明显示器110用以发出影像光束IL1，且影像光束IL1对应于透明显示器110上的影像显示区域I1。藉由头戴式显示装置100的第一液晶透镜120的相位调变，以使影像光束IL1通过第一液晶透镜120后通过光瞳P。举例而言，藉由头戴式显示装置100的第一液晶透镜120的相位调变，以使第一液晶透镜120的屈光度为正值，以使透明显示器110的影像光束IL1发生汇聚而通过P。在本实施例中，举例而言，光瞳P可以是使用者的眼睛HE的瞳孔，当影像光束IL1通过瞳孔后会于使用者的眼睛HE的视网膜上形成影像。然而，在其他实施例中，光瞳P亦可以例如是一般光学镜头的孔径光阑所在的位置，本发明并不限于此。
在本实施例中，第一液晶透镜120整体发生相位调变，而使得通过第一液晶透镜120的影像光束IL1通过光瞳P。然而，在一些实施例中，在透明显示器110局部显示出显示画面时，第一液晶透镜120亦可以配合显示的区域做局部的相位调变，且第一液晶透镜120发生相位调变的区域对应于透明显示器110显示出显示画面的区域，本发明并不限于此。具体而言，透明显示器110可以在保持其透光的情形下，发出影像光束IL1以产生对应的显示画面。进一步而言，来自外界的环境光束AL穿过透明显示器110而通过光瞳P。也就是说，当光瞳P例如是使用者的眼睛HE的瞳孔时，来自透明显示器110的影像光束IL1以及来自外界的环境光束AL皆可以通过瞳孔(光瞳P)，并在使用者的眼睛HE的视网膜上形成影像。因此，当头戴式显示装置100设置于使用者的眼睛HE前方，且影像光束IL1以及环境光束AL通过使用者的眼睛HE的瞳孔(光瞳P)时，使用者可以观看到影像光束IL1对应的显示画面所形成的虚像VI1。同时，使用者亦可观看到环境光束AL对应的外界影像(未示出)，而实现扩增实境(Augmented Reality,AR)的显示效果。在本实施例中，透明显示器110例如是透明的薄膜电晶体液晶(thin film transistor-liquid crystal display,TFT-LCD)显示器、透明的有机发光二极管(organic light-emitting diode,OLED)显示器或是其他类型的透明显示器，本发明并不限于此。
请继续参考图1。在本实施例中，藉由头戴式显示装置100的第一液晶透镜120的相位调变，以使第一液晶透镜120的屈光度为正值，且藉由头戴式显示装置100的第二液晶透镜130的相位调变，以使第二液晶透镜130的屈光度为负值。具体而言，第二液晶透镜130用以接收环境光束AL。环境光束AL经由第二液晶透镜130接收之后，依序通过透明显示器110以及第一液晶透镜120。藉由头戴式显示装置100的第二液晶透镜130的相位调变以使环境光束AL依序通过第二液晶透镜130、透明显示器110以及第一液晶透镜120之后通过光瞳P。
在本实施例中，第一液晶透镜120与第二液晶透镜130的屈光度可以相互搭配调整，而同时对影像光束IL1以及环境光束AL进行调整。当由透明显示器110发出的影像光束IL1通过第一液晶透镜120之后，影像光束IL1得以通过光瞳P。同时，当环境光束AL依序通过第二液晶透镜130、透明显示器110以及第一液晶透镜120之后，环境光束AL并未发生发散或汇聚，而环境光束AL所对应的外界影像(未示出)并未发生变形。具体而言，可以对经相位调变后的第一液晶透镜120的屈光度以及经相位调变后的第二液晶透镜130的屈光度进行调整，而对影像光束IL1对应的显示画面以及环境光束AL对应的外界影像进行调整。另外，在一些实施例中，当使用者配戴头戴式显示装置100时，可以依据使用者的视力条件，例如是近视或是远视，而调整第一液晶透镜120的屈光度以及第二液晶透镜130的屈光度，而使得影像光束IL1以及环境光束AL在使用者的眼睛HE的视网膜上形成影像。因此，不同视力条件的使用者在无需增加其他光学元件的情况下，皆可以看到清晰的虚像VI1以及环境光束AL对应的外界影像。举例而言，近视的使用者可以在不另外配戴眼镜的情况下，使用头戴式显示装置100看到清晰的虚像VI1以及环境光束AL对应的外界影像，本发明不限于此。除此之外，在其他实施例中，亦可以采用其他类型的透镜，例如是一般透镜或者是菲涅耳透镜(Fresnel lens)来取代第一液晶透镜120或第二液晶透镜130，本发明亦不限于此。
在本实施例中，由于藉由头戴式显示装置100的第一液晶透镜120的相位调变，以使影像光束IL1通过第一液晶透镜120后通过光瞳P。因此，头戴式显示装置100可以同时发出用以显示的影像光束，例如是影像光束IL1，以及接收外来的环境光束，例如是环境光束AL。同时，第一液晶透镜120可发生相位调变而使得用以显示的影像光束IL1与外来的环境光束AL并存而实现扩增实境的显示效果。另外，由于透明显示器110不会造成视角遮蔽的问题，因此头戴式显示装置100可以实现广视角的显示效果。此外，由于头戴式显示装置100不必额外装设可使影像光束多次反射的光学透镜、镜片组或光学反射系统，因此头戴式显示装置100的体积较小且重量较轻。除此之外，头戴式显示装置100不需设置具有多层分光结构相贴合的导光元件，因此头戴式显示装置100的制程得以简化，其量产性较佳，并且有利于成本的降低。在本实施例中，头戴式显示装置100包括透明显示器110、第一液晶透镜120以及第二液晶透镜130，且透明显示器110配置于第一液晶透镜120与第二液晶透镜130之间。因此，经相位调变后的第一液晶透镜120其屈光度与经相位调变后的第二液晶透镜130其屈光度可以搭配地调整，避免环境光束AL所对应的外界影像发生变形。也就是说，头戴式显示装置100可以同时地显示出透明显示器110显示画面以及环境光束AL对应的外界影像，且环境光束AL所对应的外界影像不会发生变形，而达到更理想的扩增实境显示效果。
图2A是示出本发明另一实施例的头戴式显示装置的光路示意图，而图2B是示出图2A实施例的液晶模块的至少一部分不透光的示意图，请同时参考图2A以及图2B。在本实施例中，头戴式显示装置200类似于图1的头戴式显示装置100。头戴式显示装置200的元件以及相关叙述可以参考图1的头戴式显示装置100，在此便不再赘述。头戴式显示装置200与头戴式显示装置100的差异如下所述。头戴式显示装置200还包括液晶模块240，且液晶模块240配置于透明显示器110与第二液晶透镜130之间。液晶模块240包括液晶面板242、偏光片244以及偏光片246，且液晶面板242配置于偏光片244以及偏光片246之间。液晶模块240的至少一部分藉由液晶面板242的相位调变而阻挡部分的环境光束AL，使得部分的环境光束AL无法穿透液晶模块240。
请参考图2B，环境光束AL即一般外界环境光(external light)，其偏振态包括P偏振态以及S偏振态。当环境光束AL通过偏光片244时，偏光片244将环境光束AL的其中一种偏振态滤除。举例而言，偏光片244可以将环境光束AL的S偏振态滤除而保留P偏振态。或者偏光片244可以将环境光束AL的P偏振态滤除而保留S偏振态。另外，液晶面板242可以藉由其相位调变，而随意改变光线的偏振态，例如是将P偏振态转变为S偏振态，或者将S偏振态转变为P偏振态，又或者将P偏振态转变为部分P偏振态而部分S偏振态，本发明并不限于此。除此之外，偏光片246类似于偏光片244，偏光片246亦可以将环境光束AL的其中一种偏振态滤除。
在本实施例中，部分的环境光束AL，即环境光束AL2通过偏光片244时，仅有S偏振态可以通过偏光片244。当此S偏振态的环境光束AL2通过液晶面板242的区域A1时，液晶面板242的区域A1将环境光束AL2的偏振态保持为S偏振态。由于偏光片246只允许P偏振态的环境光束通过，因此具有S偏振态的环境光束AL2无法通过偏光片246。相对而言，另一部分的环境光束AL，即环境光束AL1通过偏光片244时，亦仅有S偏振态可以通过偏光片244。当此S偏振态的环境光束AL1通过液晶面板242的区域A1以外的区域时，液晶面板242的区域A1以外的区域将此S偏振态转变为P偏振态，使得具有P偏振态的环境光束AL1可以通过偏光片246。具体而言，请同时参考图2A以及图2B，液晶模块240的液晶面板242的至少一部分藉由相位调变而阻挡部分的环境光束AL。环境光束AL1可以通过液晶模块240，而环境光束AL2无法通过区域A，其中区域A对应于液晶面板242的区域A1。
在本实施例中，区域A的位置可以对应于透明显示器110显示出影像的区域的至少一部分，例如是影像显示区域I1的至少一部分。当使用者观看影像光束IL1对应的影像显示区域I1所形成的虚像(未示出)时，影像光束IL1所形成的虚像的至少一部分不会与环境光束AL对应的外界影像(未示出)相重叠。因此，环境光束AL对应的外界影像不会对影像光束IL1所形成的虚像的至少一部分区域(对应于区域A)造成干扰。举例而言，当使用者在骑乘机车时使用此头戴式显示装置200，头戴式显示装置200可在使用者眼睛视线的角落显示行车辅助资讯，例如是行车时速、道路速限或路线导航等。由于外界环境光束AL过于强烈，使得观看者受到外界环境光束AL的干扰而无法清晰地看到这些行车辅助资讯。此时，液晶模块240可以阻挡掉位于这些行车辅助资讯显示区域的部分的环境光束AL，使得这些行车辅助资讯可以清楚地显示。另外，液晶面板242可以藉由其相位调变而调整环境光束AL的S偏振态与P偏振态的比例，通过液晶模块240的环境光束AL其光强度便可进一步地受到调整。因此，头戴式显示装置200可以藉由液晶模块240的光强度调整而达到如太阳眼镜的功能。在一些实施例中，头戴式显示装置200还可以随着外界环境光束AL的光强度变化，对应地调整通过液晶模块240的环境光束AL的光强度，使得头戴式显示装置200在外界环境光束AL的各种条件下，使用者皆能清楚地观看到影像光束IL1对应的显示画面与环境光束AL对应的外界影像。除此之外，在其他实施例中，亦可以使液晶面板242整体发生相位调变，而使环境光束AL无法穿透，使得使用者穿戴头戴式显示装置时并不会看到对应于外界影像的环境光束。此时，头戴式显示装置可以实现虚拟实境的显示效果。在本实施例中，头戴式显示装置200具有类似于图1实施例中头戴式显示装置100所述的技术效果。头戴式显示装置200可以实现广视角的显示效果，且其体积较小、重量较轻且制程较为简化。
图3是示出本发明又一实施例的头戴式显示装置的光路示意图，请参考图3。在本实施例中，头戴式显示装置300类似于图1的头戴式显示装置100。头戴式显示装置300的元件以及相关叙述可以参考图1的头戴式显示装置100，在此便不再赘述。头戴式显示装置300与头戴式显示装置100的差异如下所述。头戴式显示装置300包括透明显示器310、第一液晶透镜320以及第二液晶透镜330，且透明显示器310配置于第一液晶透镜320与第二液晶透镜330之间。透明显示器310为曲面(curved)透明显示器，第一液晶透镜320面向光瞳P的第一表面S1为曲面，且第二液晶透镜330面向光瞳P的第二表面S2为曲面。具体而言，透明显示器310的显示面DS面向光瞳P，显示面DS为凹面，且第一表面S1以及第二表面S2皆为凹面。此外，透明显示器310的显示面DS、第一液晶透镜320的第一表面S1以及第二液晶透镜330的第二表面S2的曲率相等。在本实施例中，透明显示器310用以发出影像光束IL2，且影像光束IL2对应于透明显示器310上的影像显示区域I2。
相较于前述实施例的平面透明显示器110，在本实施例中，采用曲面透明显示器310可以降低头戴式显示装置300的光学系统的像差，例如是降低光学系统的畸变像差(distortion aberration)或者是降低场曲(field curvature)，使得头戴式显示装置300达到更好的光学影像品质。此外，头戴式显示装置300的外观可以因采用曲面透明显示器310而设计得更具备流线性与时尚感。同时，采用曲面透明显示器310使得头戴式显示装置300提供更佳的包覆性，而可以增加其应用场域，例如是作为使用者骑乘自行车的防风眼镜。在本实施例中，头戴式显示装置300具有类似于图1实施例中头戴式显示装置100所述的技术效果。头戴式显示装置300可以实现广视角的显示效果，且其体积较小、重量较轻且制程较为简化。
综上所述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。本发明的实施例中，头戴式显示装置的透明显示器配置于第一液晶透镜与第二液晶透镜之间。透明显示器用以发出影像光束，而第二液晶透镜用以接收环境光束。藉由头戴式显示装置的第一液晶透镜的相位调变，以使影像光束通过第一液晶透镜后收敛于光瞳。因此，头戴式显示装置可以同时发出用以显示的影像光束以及接收外来的环境光束，且第一液晶透镜可发生相位调变而使得用以显示的影像光束与外来的环境光束并存而实现扩增实境的显示效果。由于透明显示器不会造成视角遮蔽的问题，因此头戴式显示装置可以实现广视角的显示效果。另外，由于头戴式显示装置不必额外装设可使影像光束多次反射的光学透镜、镜片组或光学反射系统，因此头戴式显示装置的体积较小且重量较轻。除此之外，头戴式显示装置不需设置具有多层分光结构相贴合的导光元件，因此头戴式显示装置的制程得以简化，其量产性较佳。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求及发明内容所作的简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。
【符号说明】
100、200、300：头戴式显示装置
110、310：透明显示器
120、320：第一液晶透镜
130、330：第二液晶透镜
240：液晶模块
242：液晶面板
244、246：偏光片
A、A1：区域
AL、AL1、AL2：环境光束
DS：显示面
HE：使用者的眼睛
I1、I2：影像显示区域
IL1、IL2：影像光束
P：光瞳
S1：第一表面
S2：第二表面
VI1：虚像

Claims (7)

1.一种头戴式显示装置，包括：
透明显示器，用以发出影像光束；
第一液晶透镜，配置于该透明显示器旁；以及
第二液晶透镜，该透明显示器配置于该第一液晶透镜与该第二液晶透镜之间，且该第二液晶透镜用以接收环境光束，其中藉由该头戴式显示装置的该第一液晶透镜的相位调变，以使该影像光束通过该第一液晶透镜后通过光瞳。
2.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，藉由该头戴式显示装置的该第二液晶透镜的相位调变以使该环境光束依序通过该第二液晶透镜、该透明显示器以及该第一液晶透镜之后再通过该光瞳。
3.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，还包括液晶模块，该液晶模块配置于该透明显示器与该第二液晶透镜之间，该液晶模块包括液晶面板以及两个偏光片，该液晶面板配置于该两个偏光片之间，且该液晶模块的该液晶面板的至少一部分藉由相位调变而阻挡部分的该环境光束。
4.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，藉由该头戴式显示装置的该第一液晶透镜的相位调变，以使该第一液晶透镜的屈光度为正值，且藉由该头戴式显示装置的该第二液晶透镜的相位调变，以使该第二液晶透镜的屈光度为负值。
5.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，该透明显示器为曲面透明显示器，该第一液晶透镜面向该光瞳的第一表面为曲面，且该第二液晶透镜面向该光瞳的第二表面为曲面。
6.如权利要求5所述的头戴式显示装置，其特征在于，该透明显示器的显示面面向该光瞳，该显示面为凹面，且该第一表面以及该第二表面皆为凹面。
7.如权利要求5所述的头戴式显示装置，其特征在于，该透明显示器的显示面、该第一表面以及该第二表面的曲率相等。
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