CN108572452A - 头戴式显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种头戴式显示装置，其头戴式显示装置包括第一成像装置以及第一影像光束投射装置。第一影像光束投射装置用来投射第一影像光束。第一成像装置具有第一影像显示面，用来接收第一影像光束。第一影像显示面为第一曲面。第一曲面沿着至少一个第一弯曲轴以及至少一个第二弯曲轴产生弯曲，且至少一个第一弯曲轴与至少一个第二弯曲轴相互正交。

Description

头戴式显示装置

技术领域

本发明涉及一种头戴式显示装置，特别是涉及一种可提升观看视野的头戴式显示装置。

背景技术

一般而言，头戴式显示器(head mounted display，HMD)会在使用者眼睛前方设置光学镜片及显示荧幕，使用者可经由光学镜片来放大显示荧幕呈现的影像，以提供较佳的观看体验。为了提供较广的观看视野(field of view，FOV)，传统的头戴式显示器通常配置有高曲率的光学镜片。然而，光学镜片的曲率越高，光学镜片所造成的场曲像差(fieldcurvature aberration)或畸变像差(distortion aberration)也越严重。为了降低光学镜片的像差，光学镜片的曲率将有所限制，因而造成使用者的观看视野不佳。

现有技术并提出一种具有弯曲度的显示面板，来克服上述的问题。然而，这种具有弯曲度的显示面板的制造较为困难，且需要较高的生产成本，造成头戴式显示器的产品竞争度的降低。

发明内容

本发明提供一种头戴式显示装置，可提升使用者的观看视野，并节省头戴式显示装置的制作成本。

本发明提供的一种头戴式显示装置，包括第一成像装置以及第一影像光束投射装置。第一影像光束投射装置用来投射第一影像光束至第一影像显示面。第一成像装置具有第一影像显示面，用来接收第一影像光束。第一影像显示面为第一曲面。第一曲面沿着至少一个第一弯曲轴以及至少一个第二弯曲轴产生弯曲，且至少一个第一弯曲轴与至少一个第二弯曲轴相互正交。

在本发明的一实施例中，第一影像光束投射装置包括光源以及反射镜。光源用来产生第一影像光束，而反射镜则用来将第一影像光束反射至第一影像显示面。

在本发明的一实施例中，第一影像光束投射装置还包括微机电装置以及控制器。微机电装置用来改变反射镜的旋转角度，而控制器则用来驱动微机电装置，以便使第一影像光束在第一影像显示面进行扫描。

在本发明的一实施例中，第一成像装置包括多个子成像装置，各个子成像装置具有子影像显示面，且各个子影像显示面沿着相互正交的第一子弯曲轴以及第二子弯曲轴产生弯曲。

在本发明的一实施例中，头戴式显示装置还包括第一透镜。第一透镜用来从第一成像装置接收第一影像光束。

基于上述，在本发明的实施例中，头戴式显示装置的第一成像装置具有第一影像显示面，且第一影像显示面呈现双轴弯曲的曲面状态。因此，所述头戴式显示装置可提供使用者较广的观看视野。此外，由于第一成像装置不须采用复杂的电路设计来显示影像，故能有效降低头戴式显示装置的制作成本。

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，并配合所附的附图作详细说明如下。

附图说明

图1是本发明一实施例的头戴式显示装置的示意图；

图2A至图2D是本发明不同实施例说明图1的第一成像装置110的示意图；

图3A至图3B是本发明不同实施例说明图1的第一成像装置110的细部结构的示意图；

图4是本发明另一实施例的头戴式显示装置的示意图；

图5是本发明一实施例说明图4的第一成像装置与第二成像装置的示意图。

符号说明

100、400：头戴式显示装置

110：第一成像装置

111B、112B、111C～119C：子成像装置

120：第一影像光束投射装置

121：光源

122：反射镜

123：微机电装置

124：控制器

130：第一透镜

410：第二成像装置

420：第二影像光束投射装置

430：第二透镜

1101：透光基板

1102：成像介质

A1：第一弯曲轴

A2：第二弯曲轴

A3：第三弯曲轴

A4：第四弯曲轴

b1～b3、c1～c3：弯曲轴

a1～a4：子弯曲轴

D1：第一方向

D2：第二方向

DS1：第一影像显示面

DS2：第二影像显示面

dsL、dsR、ds1～ds9：子影像显示面

E：眼睛

E1：左眼

E2：右眼

FS：自由曲面

L1：第一影像光束

L2：第二影像光束

具体实施方式

在本案附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件代表相同或类似部分。不同实施例中使用相同标号或使用相同用语的元件/构件可以相互参照相关说明。

图1是依照本发明一实施例的头戴式显示装置的示意图。如图1所示，头戴式显示装置100包括第一成像装置110、第一影像光束投射装置120与第一透镜130。第一成像装置110具有第一影像显示面DS1，且第一影像显示面DS1为曲面。举例来说，第一影像显示面DS1可沿着相互正交的2个弯曲轴产生弯曲而呈现双轴弯曲的曲面状态，或是第一影像显示面DS1可沿着多组相互正交的弯曲轴产生弯曲而呈现多个双轴弯曲的曲面状态。如此一来，头戴式显示装置100便可提供使用者较广的观看视野。

第一影像光束投射装置120可投射第一影像光束L1至第一影像显示面DS1，以便在第一影像显示面DS1产生显示影像。使用者可通过第一透镜130从第一成像装置110接收第一影像光束L1，进而观看到上述的显示影像。举例来说，第一成像装置110为一可透光装置，如此一来，通过第一透镜130，使用者便可观看在第一成像装置110所形成的显示影像。

附带一提，本实施例的头戴式显示装置100可应用在虚拟实境系统(virtualreality system)、扩增实境系统(augmented reality system)及/或混合实境系统(mixedreality system)中。

请再参照图1所示，第一影像光束投射装置120包括光源121、反射镜122、微机电装置123与控制器124。依照设计需求，光源121可以是激光光源或发光二极管光源。光源121可产生第一影像光束L1，而反射镜122可将第一影像光束L1反射至第一影像显示面DS1。微机电装置123例如是采用微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)制作工艺所制作的微制动器，可带动反射镜122旋转，以改变反射镜122的旋转角度。控制器124则用来驱动微机电装置123。由于反射镜122、微机电装置123与控制器124可形成一个微机电扫描装置，故光源121所投射出的第一影像光束L1可在第一影像显示面DS1上进行扫描，并在第一影像显示面DS1产生显示影像。

图2A至图2D是依照本发明不同实施例说明图1的第一成像装置110的示意图。如图2A所示，第一成像装置110的第一影像显示面DS1可同时沿着相互正交的第一弯曲轴A1(例如是水平轴)与第二弯曲轴A2(例如是垂直轴)产生弯曲，而形成双轴弯曲的曲面。因此，第一影像显示面DS1可同时具有沿第一弯曲轴A1形成的横向曲面与沿第二弯曲轴A2形成的纵向曲面。第一透镜130可设置于使用者的眼睛E(例如左眼或右眼)与第一影像显示面DS1之间，以供放大第一影像显示面DS1上的显示影像。在图2A的实施例中，头戴式显示装置100的第一成像装置110具有双轴弯曲的第一影像显示面DS1，故相较于平面形状的影像显示面而言，本实施例的头戴式显示装置100可提供使用者较宽广的视野范围。

在另一实施例中，第一成像装置110可包括多个子成像装置。举例来说，在图2B中，第一成像装置110包括2个子成像装置111B、112B，且子成像装置111B、112B分别具有弯曲的子影像显示面dsL、dsR，其中子影像显示面dsL是沿着相互正交的子弯曲轴a1与子弯曲轴a2产生弯曲，而子影像显示面dsR是沿着相互正交的子弯曲轴a3与子弯曲轴a4产生弯曲。由于子影像显示面dsL、dsR共同组成第一影像显示面DS1，因此图2B的第一影像显示面DS1形成2个双轴弯曲曲面。

在图2B的实施例中，子弯曲轴a1与子弯曲轴a3可以是不相同的轴，且子弯曲轴a2与子弯曲轴a4也可以是不相同的轴。举例来说，子弯曲轴a1与子弯曲轴a3可以是相互平行的轴或不平行的轴。子弯曲轴a1与子弯曲轴a3可沿图2A绘示的第一弯曲轴A1方向来配置，但不需与第一弯曲轴A1相互平行。子弯曲轴a2与子弯曲轴a4可以是相互平行的轴或不平行的轴。子弯曲轴a2与子弯曲轴a4可沿图2A的第二弯曲轴A2方向来配置，但不需与第一弯曲轴A2相互平行。

在图2C中，第一成像装置110包括多个子成像装置111C～119C(例如9个)，且子成像装置111C～119C可呈阵列状排列。如图2C所示，子成像装置111C～119C分别具有弯曲的子影像显示面ds1～ds9，且子影像显示面ds1～ds9是分别沿着相互正交的2个子弯曲轴产生弯曲(如虚线所示)。由于子影像显示面ds1～ds9共同组成第一影像显示面DS1，因此图2C的第一影像显示面DS1形成9个双轴弯曲曲面。此外，在图2C的实施例中，第一成像装置110还可包括邻接于第一影像显示面DS1的自由曲面(free-form surface)FS。例如：第一成像装置110的轮廓形状可设计成自由曲面(free-form surface)FS，以满足不同的应用需求。

当然，在本发明其他实施例中，子成像装置的数量可以依据需求进行调整，并非固定为9个。另外，子成像装置的排列方式也非必要为整齐排列的矩阵形状，设计者可以依据头戴式显示装置100的形状、尺寸来设置子成像装置的排列方式，没有特定的限制。

图2D是依照本发明再一实施例说明图1的第一成像装置110的示意图。如图2D所示，第一成像装置110的第一影像显示面DS1可于第一方向D1上(例如是水平方向)依序沿着多个弯曲轴b1～b3产生弯曲，同时第一影像显示面DS1还可于第二方向D2上(例如是垂直方向)依序沿着多个弯曲轴c1～c3产生弯曲，其中在第一方向D1上的弯曲轴b1～b3与第二方向D2上的弯曲轴c1～c3相互正交。

值得一提的，第一影像显示面DS1依据各弯曲轴c1～c3、弯曲轴b1～b3可产生不同弯曲度或相同弯曲度的弯曲，使第一影像显示面DS1具有更高的可调式性。

在图2D的实施例中，配置于同一方向且相邻的2个弯曲轴之间可以具有相同或不相同的间距。举例来说，弯曲轴b1与弯曲轴b2之间的间距可不同于弯曲轴b2与弯曲轴b3之间的间距。同样的，弯曲轴c1与弯曲轴c2之间的间距可不同于弯曲轴c2与弯曲轴c3之间的间距。因此，图2D的第一影像显示面DS1所形成的双轴弯曲曲面，可依据对应的不同的弯曲轴而有不同的弯曲度。如此一来，使用者通过第一透镜130来观看第一影像显示面DS1上的显示影像时，可感受到更宽广的视野范围。

图3A至图3B是依照本发明不同实施例说明图1的第一成像装置110的细部结构的示意图。如图3A至图3B所示，第一成像装置110包括透光基板1101与成像介质1102，且透光基板1101呈弯曲状态。透光基板1101的内部或透光基板1101的表面上可设置成像介质1102，使得透光基板1101的内部或表面上形成可供成像的第一影像显示面DS1。由于第一成像装置110具有透光性，因此第一影像光束L1在第一影像显示面DS1形成显示影像后，第一影像光束L1会再穿透第一成像装置110而被图1的第一透镜130接收。

成像介质1102可以是多个扩散粒子、微透镜阵列、高分子分散型液晶(PDLC)、多个粗糙化(texture)结构、多个全像光栅(holographic grating)结构或是镀膜层。举例来说，如图3A所示，当成像介质1102为设置于透光基板1101内部的扩散粒子时，第一成像装置110可作为光扩散片使用。如图3B所示，当成像介质1102为设置于透光基板1101表面上的全像光栅结构时，第一成像装置110可作为全像片使用。此外，透光基板1101的材质可以是玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)，本发明实施例没有特定的限制。

图4是依照本发明另一实施例的头戴式显示装置的示意图。请参照图4所示，图4的头戴式显示装置400与图1的头戴式显示装置100的差异在于，头戴式显示装置400还包括第二成像装置410、第二影像光束投射装置420与第二透镜430。第二成像装置410具有第二影像显示面DS2，且第二影像显示面DS2为曲面。第二影像光束投射装置420可投射第二影像光束L2至第二影像显示面DS2，以便在第二影像显示面DS2产生显示影像。使用者可通过第二透镜430从第二成像装置410接收第二影像光束L2，进而观看到显示影像。

在图4的实施例中，第一成像装置110与第二成像装置410具有相同的结构(例如都由透光材质构成)，且第一影像光束投射装置120与第二影像光束投射装置420也具有相同的结构(例如都设置有微机电扫描装置)，故第二成像装置410与第二影像光束投射装置420的实施细节可参照第一成像装置110与第一影像光束投射装置120的相关实施例，在此不再赘述。

此外，图4中的第一成像装置110与第二成像装置410可以是独立的2个成像装置或是整合为一体的成像装置。举例来说，图5是依照本发明一实施例说明图4的第一成像装置110与第二成像装置410的示意图。如图5所示，第一成像装置110与第二成像装置410可呈物理性接触，且第一成像装置110与第二成像装置410的轮廓形状可设计成自由曲面(free-form surface)FS。第一成像装置110具有弯曲的第一影像显示面DS1，且第一影像显示面DS1沿着相互正交的第一弯曲轴A1与第二弯曲轴A2产生弯曲。第二成像装置410具有弯曲的第二影像显示面DS2，且第二影像显示面DS2沿着相互正交的第三弯曲轴A3与第四弯曲轴A4产生弯曲。第一弯曲轴A1与第三弯曲轴A3可以是相互平行的轴或不平行的轴，而第二弯曲轴A2与第四弯曲轴A4也可以是相互平行的轴或不平行的轴。

此外，在图5中，第一透镜130与第二透镜430的设置位置可分别对应于使用者的双眼位置，例如当第一透镜130设置于左眼E1前方时，则第二透镜430将设置于右眼E2前方，以供使用者体验立体的影像效果。在本实施例中，第一透镜130与第二透镜430可采用菲涅耳透镜(Fresnel lens)，以缩小头戴式显示装置400的体积与重量，但本发明不限于此。在其他实施例中，第一透镜130与第二透镜430也可为其他光学透镜。例如：第一透镜130与第二透镜430可以是高斯透镜(Gauss lens)、非球面透镜、自由曲面透镜(free-form lens)、液体透镜、液晶透镜或全像透镜。

综上所述，在本发明的诸实施例中，头戴式显示装置的第一成像装置与第二成像装置分别具有第一影像显示面与第二显示面，且第一影像显示面与第二显示面都呈现双轴弯曲的曲面状态。因此，所述头戴式显示装置可提供使用者较广的观看视野。此外，由于第一成像装置与第二成像装置不需采用复杂的电路设计来显示影像，故能有效降低头戴式显示装置的制作成本。再者，由于第一透镜与第二透镜不需采用高曲率设计，因而可改善传统高曲率透镜所造成的像差问题。

虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (13)

1.一种头戴式显示装置，其特征在于，包括：

第一成像装置，具有第一影像显示面，该第一影像显示面用以接收第一影像光束，其中该第一影像显示面为第一曲面，该第一曲面沿着至少一第一弯曲轴以及至少一第二弯曲轴产生弯曲，且该至少一第一弯曲轴与该至少一第二弯曲轴相互正交；以及

第一影像光束投射装置，用以投射该第一影像光束至该第一影像显示面。

2.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中该第一影像光束投射装置包括：

光源，用以产生该第一影像光束；以及

反射镜，用以反射该第一影像光束至该第一影像显示面。

3.如权利要求2所述的头戴式显示装置，其中该第一影像光束投射装置还包括：

微机电装置，用以改变该反射镜的旋转角度；以及

控制器，用以驱动该微机电装置，使得该第一影像光束在该第一影像显示面进行扫描。

4.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中该第一成像装置还具有自由曲面，该自由曲面邻接该第一影像显示面。

5.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中该第一成像装置包括多个子成像装置，各该子成像装置具有子影像显示面，各该子影像显示面沿着相互正交的第一子弯曲轴以及第二子弯曲轴产生弯曲。

6.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中该第一成像装置包括：

透光基板，具有该第一影像显示面；以及

成像介质，设置于该第一影像显示面上，

其中该第一影像显示面设置于该透光基板的内部或该透光基板的表面上。

7.如权利要求6所述的头戴式显示装置，其中该透光基板包括玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯。

8.如权利要求6所述的头戴式显示装置，其中该成像介质包括多个扩散粒子、微透镜阵列、高分子分散型液晶、多个粗糙化结构、多个全像光栅结构或镀膜层。

9.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中该头戴式显示装置还包括：

第一透镜，用以从该第一成像装置接收该第一影像光束。

10.如权利要求9所述的头戴式显示装置，其中该头戴式显示装置还包括：

第二成像装置，具有第二影像显示面，该第二影像显示面用以接收一第二影像光束，其中该第二影像显示面为第二曲面，且该第二曲面沿着相互正交的该第一弯曲轴以及该第二弯曲轴产生弯曲；以及

第二影像光束投射装置，用以投射该第二影像光束至该第二影像显示面。

11.如权利要求10所述的头戴式显示装置，其中该第一成像装置与该第二成像装置呈物理性接触。

12.如权利要求10所述的头戴式显示装置，其中该头戴式显示装置还包括：

第二透镜，用以从该第二成像装置接收该第二影像光束。

13.如权利要求12所述的头戴式显示装置，其中该第一透镜与该第二透镜包括菲涅尔透镜、高斯透镜、非球面透镜、自由曲面透镜、液体透镜、液晶透镜或全像透镜。