CN108873326A - 头戴式显示装置 - Google Patents

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Abstract

一种头戴式显示装置包括照明系统、显示器、透镜模块以及波导系统。照明系统包括孔径光栏。显示器将照明光束转换为影像光束。波导系统导引影像光束，并且将影像光束投射至投射目标。波导系统包括第一波导元件以及第二波导元件。影像光束经由透镜模块、第一波导元件以及第二波导元件投射至投射目标。影像光束在第一波导元件之内收敛至第一光栏。第一光栏位于第一波导元件之内。影像光束在第二波导元件之外投射至第二光栏。第二光栏位于投射目标之处。照明光束在照明系统之内收敛至第三光栏。孔径光栏位于第三光栏之处。

Description

头戴式显示装置
技术领域
本发明是有关于一种显示装置，且特别是有关于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)是目前极具发产潜力的下一代杀手级产品。在近眼显示技术的相关应用上，目前可分为扩增实境(Augmented Reality,AR)技术以及虚拟实境(Virtual Reality,VR)技术。对扩增实境技术而言，相关开发人员目前致力于如何在轻薄的前提下提供最佳的影像品质。
在头戴式显示器实现扩增实境的光学架构中，用以显示的影像光束由投影装置发出后，经由波导进入使用者的眼睛。来自光阀的影像以及外界的环境光束，经由波导进入使用者的眼睛，达到扩增实境的效果。在目前的头戴式显示器产品中，因为波导与光机机构的距离过于接近，而阻挡了环境光束进入眼睛的视野，破坏的沉浸感，对于扩增实境之效果大打折扣。
现在对于头戴显示装置的要求，都会希望能越接近一般的近视眼镜或太阳眼镜的设计，因此如何将庞大的光机挪移至使用者的可视区之外，不阻挡使用者的视线，即是目前重要的课题之一。此外，头戴式显示器可提供的视角大小及其体积也是影响使用者体验的重要因素。
“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”段落所公开的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的已知技术。在“背景技术”段落所公开的内容，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本领域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，其可提供大视角及良好的显示品质，并且体积小。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所公开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。头戴式显示装置包括照明系统、显示器、透镜模块以及波导系统。照明系统用于提供照明光束，并且包括孔径光栏。显示器用于将照明光束转换为影像光束。影像光束传递且投射至投射目标。透镜模块用于接收并投射影像光束。波导系统用于导引影像光束，并且将影像光束投射至投射目标。波导系统包括第一波导元件以及第二波导元件。影像光束经由透镜模块、第一波导元件以及第二波导元件投射至投射目标。影像光束在第一波导元件之内收敛至第一光栏。第一光栏位于第一波导元件之内。影像光束离开第二波导元件并且在第二波导元件之外投射至第二光栏。第二光栏位于投射目标之处。照明光束在照明系统之内收敛至第三光栏。孔径光栏位于第三光栏之处。
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，并配合所附图作详细说明如下。
附图说明
图1绘示本发明一实施例的头戴式显示装置的立体示意图。
图2A绘示图1的头戴式显示装置的侧视示意图。
图2B绘示本发明图2A中实施例的头戴式显示装置的光路径侧视示意图。
图2C绘示图1的另一头戴式显示装置的侧视示意图。
图3绘示本发明另一实施例的头戴式显示装置的立体示意图。
图4绘示本发明另一实施例的头戴式显示装置的立体示意图。
图5A绘示本发明的头戴式显示装置的一实施例的示意图。
图5B绘示本发明的头戴式显示装置的一实施例的示意图。
图5C绘示本发明的头戴式显示装置的一实施例的示意图。
图6A绘示本发明另一实施例的头戴式显示装置的示意图。
图6B绘示本发明另一实施例的头戴式显示装置的示意图。
图7绘示图1的第二波导元件的俯视示意图。
图8绘示本发明一实施例之扩散镀膜的反射率相对于影像光束的入射角的反射率分布曲线的概要示意图。
图9绘示图7实施例之影像光束在投射目标之处产生的影像画面的概要示意图。
图10绘示图1的第一波导元件的侧视示意图。
图11绘示图10实施例之影像光束在投射目标之处产生的影像画面的概要示意图。
图12A绘示叠加图9与图11的影像光束在投射目标之处产生的影像画面的概要示意图。
图12B绘示不同的第二分光元件将影像光束反射至投射目标的概要示意图。
图13绘示本发明一实施例之影像光束由入射第一分光元件入射至第二波导元件的概要示意图。
图14A绘示本发明一实施例之影像光束入射第一分光元件的概要示意图。
图14B所绘示本发明另一实施例之影像光束入射第一分光元件的概要示意图。
图15绘示本发明一实施例的头戴式显示装置的概要示意图。
图16绘示本发明一实施例的头戴式显示装置的概要示意图。
图17绘示本发明一实施例的头戴式显示装置的概要示意图。
图18绘示图17实施例的头戴式显示装置的部分元件的概要示意图。
图19绘示本发明一实施例的头戴式显示装置的概要示意图。
图20绘示本发明一实施例的头戴式显示装置的概要示意图。
图21绘示本发明一实施例的头戴式显示装置的概要示意图。
具体实施方式
有关本发明之前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图之一实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。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绘示本发明一实施例的头戴式显示装置的立体示意图。图2A绘示图1的头戴式显示装置的侧视示意图。请参考图1及图2A，本实施例的头戴式显示装置100包括第一波导元件110、第二波导元件120、显示器130以及透镜模块140。第二波导元件120连接于第一波导元件110。透镜模块140配置在显示器130与第一波导元件110之间。
在本实施例中，第一波导元件110包括第一入光面S11、第一出光面S12以及多个第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4。第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4沿第一方向Y排列。在本实施例中，第一入光面S11与第一出光面S12相对设置，但本发明并不限于此。在一实施例中，依据显示器130的设置位置的不同，第一入光面S11也可与第一出光面S12邻接。在本实施例中，影像光束ML在第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4的位置发生半穿透半反射的光学效应，第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4例如为半穿透半反射膜(See Through Mirror,STM)。在本实施例中，第二波导元件120包括第二入光面S21、第二出光面S22以及多个第二分光元件X1、X2、X3、X4、X5、X6，其中第二入光面S21、第二出光面S22属于同一表面，差异在于第二波导元件120的第二入光面S21是面对第一波导元件110的第一出光面S12。第二分光元件X1、X2、X3、X4、X5、X6沿第二方向X排列。在本实施例中，影像光束ML在第二分光元件X1、X2、X3、X4、X5、X6的位置发生半穿透半反射的光学效应。在本实施例中，各波导元件所包括的分光元件的数量及相邻分光元件的间距可依据不同产品需求来设计之，并不用以限定本发明。并且，第一分光元件的数量可与第二分光元件的数量相同或不相同，相邻分光元件的间距可相同或不相同。在本实施例中，显示器130用于将来自照明系统的照明光束转换为影像光束ML，以提供影像光束ML给透镜模块140，其中照明系统将于下面内容中详细描述。在本实施例中，显示器130例如包括数位光源处理(Digital Light ProcessingTM，简称DLPTM)投影系统、液晶显示(liquid-crystal display，简称LCD)投影系统或液晶覆硅(Liquid Crystal On Silicon，简称LCoS)投影系统等影像投影系统，惟本发明并不加以限制。在本实施例中，透镜模块140例如为一个或多个透镜，数量不限，依设计而定。透镜模块140具有光轴A1是在第三方向Z上延伸。影像光束ML在透镜模块140中沿着第三方向Z传递。来自于显示器130的影像光束ML通过透镜模块140，经由第一入光面S11入射第一波导元件110。在本实施例中，在第一波导元件110之内影像光束ML穿透第一分光元件Y1而沿着第一方向Y传递，并且影像光束ML经由第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4反射的作用之后，沿着第三方向Z的相反方向(-Z)经由第一出光面S12离开第一波导元件110，值得注意的是，第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4为半穿透半反射膜，也就是部分影像光束ML可被第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4反射，部分影像光束ML穿透于第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4，本实施例中，以主要影像光束ML的光路径为描述重点。
此外，来自于第一波导元件110的影像光束ML沿着第三方向Z的相反方向(-Z)经由第二入光面S21入射进第二波导元件120，并且经由第二波导元件120的反射面S23反射后朝向第二波导元件120的第二分光元件X1、X2、X3、X4、X5、X6传递。在本实施例中，在第二波导元件120之内的影像光束ML沿着第二方向X传递，影像光束ML经由第二分光元件X1、X2、X3、X4、X5、X6反射的作用之后，从第二出光面S22离开第二波导元件110，投射至投射目标P。因此，在本实施例中，第二入光面S21与第二出光面S22是第二波导元件120的同一表面，但第二出光面S22面对投射目标P。在本实施例中，投射目标P例如是光瞳是使用者的眼睛其中之一。在其他实施例中，投射目标P例如是接收影像光束ML的影像感测装置，例如感光耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)或是互补金属氧化物半导体影像感测器(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor image sensor，CMOS image sensor)。
在本实施例中，影像光束ML在透镜模块140中沿着第三方向Z的相反方向(-Z)传递，其传递方向与光轴A1的延伸方向实质上相同。在本实施例中，投射目标P具有视轴A2，其延伸方向(第三方向Z)实质上与影像光束ML投射入投射目标P的传递方向相同，并且垂直于第一方向Y。因此，在图1中，将投射目标P的视轴A2向第一波导元件110平移至YZ平面(参考平面)上，可在第一波导元件110中标示出参考轴A3，如图2A所示。
也就是说，在本实施例中，投射目标P具有与第一方向Y垂直的视轴A2，并且视轴A2朝向第一波导元件110平移会在第一波导元件110内的参考平面YZ上产生参考轴A3。在图2A中，在参考平面YZ上，照明光束ML的传递路径上，照明光束ML形成的第一光栏(Stop)PA1与第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4的第一片分光元件Y1的中心位置PC在第一方向上的距离为D1，以及参考轴A3与第一片分光元件Y1的中心位置PC在第一方向Y上的距离为D2。在本实施例中，距离D1大于或等于距离D2。第一片分光元件Y1是部分影像光束ML进入第一波导元件110中，第一个反射影像光束ML的分光元件，也是最接近透镜模块140的第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4其中之一。
在本实施例中，来自于透镜模块140的影像光束ML在第一波导元件110之内收敛至第一光栏PA1。第一光栏PA1位于第一波导元件110之内。在本实施例中，第一光栏PA是影像光束ML在第一波导元件110之内收敛至最小光束直径的位置，并且通过第一光栏PA的位置后，影像光束ML开始发散。举例而言，透镜模块140可使入射至第一波导元件110的影像光束ML从第一分光元件Y1开始收敛，并且在第一光栏PA1达到光束直径最小的位置。在第一光栏PA1之后，影像光束ML开始发散并且入射至第一分光元件Y4再被反射至第一出光面S12。在本实施例中，影像光束ML经由第二出光面S22离开第二波导元件120之后在第二波导元件120之外投射至第二光栏PA2。第二光栏PA2位于投射目标P之处。举例而言，第二分光元件X1、X2、X3、X4、X5、X6可使入射至第二波导元件120的影像光束ML反射从第二出光面S22离开第二波导元件120，且影像光束ML投射到第二光栏PA2的位置，从而影像光束ML可入射至投射目标P，其中第二光栏PA2的位置实质同于投射目标P的位置，也就是使用者的其中之一的眼睛可以看到影像的位置即是第二光栏PA2的位置。
在本实施例中，透镜模块140的视角(Field Of View,FOV)相对应于投射目标P之处接收到影像的视角(FOV)。换句话说，在本实施例中，在投射目标P接收到由影像光束ML形成影像的对角线方向的视角大体上等同透镜模块140投射出影像光束ML的视角。但在其他实施例中，投射目标P接收到由影像光束ML形成影像的对角线方向的视角小于透镜模块140投射出影像光束ML的视角。
藉由影像光束ML形成影像的对角线方向的视角可得知在第一方向Y上的第一视角以及在第二方向X上的第二视角。在本实施例中，当显示器130投射出影像光束ML欲显现为16:9投射比的影像时，透过透镜模块140会投射出具有对角线方向视角约在30度到90度之间，例如视角40度的影像光束ML透过第一波导元件110与第二波导元件120将影像光束ML传递至投射目标P，使得投射目标P可接收到影像光束ML形成影像的对角线方向的视角约在30度到90度之间，例如为40度，但不以此为限。此领域技术人员可藉由16:9投射比计算出在第一方向Y上的第一视角约为10度以及在第二方向X上的第二视角约为17度。由上述可知，透过本发明的头戴式显示装置，使得投射目标P之处接收到由影像光束ML形成影像的对角线方向的视角(FOV)可为30～90度或者90度以上。此外，如图2A所示，另一实施例中，透镜模块140的光轴A1垂直第一方向Y且平行投射目标P的视轴A2，投射目标P之处接收到由影像光束ML形成影像的对角线方向的视角(FOV)可为30～50度。以及先参考图3所示，另一实施例中，透镜模块140的光轴A1平行第一方向Y且垂直投射目标P的视轴A2，投射目标P之处接收到由影像光束ML形成影像的对角线方向的视角(FOV)可为50～90度。所述对角线方向的视角可依据不同产品需求来设计之，并不用以限定本发明。可使头戴式显示装置100提供大视角，且头戴式显示装置100的体积缩小。
在其它实施例中，当透镜模块140投射的影像光束ML形成影像的对角线方向的视角(FOV)后，第一视角的大小可依据第一波导元件110中第一分光元件的数量来决定，或者是依据第一波导元件110中第一片分光元件至最后一片分光元件的距离来决定，或者是依据第一波导元件110中相邻两片分光元件之间的距离来决定。类似地，第二视角的大小例如是依据第二波导元件120中第二分光元件的数量来决定，或者是依据第二波导元件120中第一片分光元件至最后一片分光元件的距离来决定，或者是依据第二波导元件120中相邻两片分光元件之间的距离来决定。但值得一提的是，藉由上述第一波导元件110与第二波导元件120的调整而产生的第一视角的大小与第二视角的大小，皆可小于或等于透镜模块140投射的影像光束ML形成影像的第一视角的大小与第二视角的大小。
此外，由于考量显示器130可提供的影像投射比，将影响在第一波导元件110的第一片分光元件的数量和第二波导元件120的第二片分光元件的数量，举例而言，若投射比为16:9则第二波导元件120的第二片分光元件的数量大于第一波导元件110的第一片分光元件的数量。不过，在其他设计条件下，第二波导元件120的第二片分光元件的数量可小于第一波导元件110的第一片分光元件的数量，不以此为限。
此外，依据显示器与透镜模块设置位置的不同，在一实施例中，第一波导元件的第一入光面可与第一出光面邻接，且透镜模块的光轴平行于第一方向。在一实施例中，第一波导元件的第一入光面可与第一出光面邻接，且透镜模块的光轴可垂直于第一方向且平行于第二方向。
图2B绘示本发明图2A中实施例的头戴式显示装置的光路径侧视示意图。同时参考图2B。由于第一波导元件110的第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4为半穿透半反射膜，也就是将部分影像光束ML可被第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4反射，部分影像光束ML穿透于第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4，在本实施例中，在第一波导元件110中部分影像光束ML收敛于第一光栏PA1的位置，由基础光学原理可知，穿过第一分光元件Y1的部分影像光束ML同样可收敛于第二波导元件120中光栏PA1’的位置，且由第一分光元件Y1的中心位置至光栏PA1’的位置的距离等于第一分光元件Y1的中心位置至第一光栏PA1的位置的距离。相同理由，第一分光元件Y2、Y3所反射的部分影像光束ML可收敛于第二波导元件120中光栏PA1”与PA1”’的位置，且第一分光元件Y2的中心位置至光栏PA1”的位置的距离等于第一分光元件Y2的中心位置至第一光栏PA1的位置的距离，以及第一分光元件Y3的中心位置至光栏PA1”’的位置的距离等于第一分光元件Y3的中心位置至第一光栏PA1的位置的距离。
图2C绘示本发明另一实施例的头戴式显示装置的侧视示意图。图2C实施例的头戴式显示装置类似于图2A实施例的头戴式显示装置100，其构件以及相关叙述可以参考头戴式显示装置100的构件以及相关叙述，在此不再赘述。头戴式显示装置100与头戴式显示装置100的差异如下所述。在本实施例中，头戴式显示装置100包括第一光波导元件110以及第二光波导元件120。另外，头戴式显示装置100还包括反射镜150，配置于第一入光面S11旁，且面向第一入光面S11。反射镜150用于反射由显示器130经过透镜模块140所提供的影像光束ML，以使影像光束ML由第一入光面S11进入第一光波导元件110。接着，进入第一光波导元件110的影像光束ML可再被多个第一分光片Y1、Y2、Y3、Y4反射而传递至第二光波导元件120。
具体而言，反射镜150与第一出光面S11之间的夹角例如是45度。当影像光束ML经由反射镜150反射后，可以入射第一分光片Y1。此外，在本实施例中，影像光束ML的第一光栏PA1的位置例如是位于第一光波导元件110中。第一光栏PA1的位置例如是位于这些第一分光片Y1、Y2、Y3、Y4之间。因此，行进于第一光波导元件110的影像光束ML可以缩束到第一光栏PA1的位置。在本实施例中，藉由将影像光束ML缩束的第一光栏PA1的位置设置至第一光波导元件110的内部，可以避免影像光束ML太早于XY平面上发散而在第一出光面S12以及第一入光面S11产生全反射。也就是说，影像光束ML在发生全反射之前就可以通过这些第一分光片Y1、Y2、Y3、Y4导引到第二光波导元件120中，因此可以避免影像光束ML于第一光波导元件110中发生全反射而造成非预期显示画面的问题。
图3绘示本发明另一实施例的头戴式显示装置的立体示意图。请参考图1及图3，本实施例的头戴式显示装置200类似于图1实施例的头戴式显示装置100，惟两者之间主要的差异例如在于头戴式显示装置200的显示器230与透镜模块240平行设置在第一波导元件110的侧边，来自透镜模块240的影像光束ML从第一波导元件110的第一入光面S13入射第一波导元件100，并且经由第一出光面S12离开第一波导元件110。因此，在本实施例中，第一波导元件110的第一入光面S13与第一出光面S12邻接，且透镜模块240的光轴A1平行于第一方向Y。在本实施例中，第一光栏PA1位于第一波导元件210之内，并且第二光栏PA2位于投射目标P之处。并且，第一光栏PA1在第一波导元件210之内的位置也符合距离D1大于或等于距离D2的条件。
图4绘示本发明另一实施例的头戴式显示装置的立体示意图。请参考图1及图4，本实施例的头戴式显示装置800类似于图1实施例的头戴式显示装置100，惟两者之间主要的差异例如在于第一入光面与第一出光面邻接，且透镜模块的光轴A1垂直于第一方向Y且平行于第二方向X。
具体而言，在本实施例中，头戴式显示装置800包括第一波导元件810、第二波导元件820、第三波导元件850、显示器830以及透镜模块840。在一实施例中，第三波导元件850与第二波导元件820亦可为相同材料且一体成型的结构。显示器830用于提供影像光束ML。在本实施例中，影像光束ML经由第一入射面S14入射至第一波导元件810，并且经由反射面S15反射，朝向第一方向Y传递。接着，影像光束ML再由第一出光面S12离开第一波导元件810。因此，在本实施例中，第一入光面S14与第一出光面S12与反射面S15邻接，且透镜模块840的光轴A1垂直于第一方向Y且平行于第二方向X。显示器830与透镜模块840配置的位置可依据不同产品设计或光学特性来决定之，本发明并不加以限制。并且，本实施例的第三波导元件850可采用如图5A至图5C实施例的其中之一的第三波导元件设计。
在本实施例中，第一波导元件810包括多个第一分光元件811。影像光束ML在这些第一分光元件811的位置发生半穿透半反射的光学效应，并且入射至第三波导元件850。第三波导元件850可具有例如图5A至图5C实施例所述的反射结构。在本实施例中，影像光束ML在第三波导元件850的反射结构的位置发生反射，并且入射至第二波导元件820。第二波导元件820包括多个第二分光元件831。影像光束ML在这些第二分光元件831的位置发生半穿透半反射的光学效应，并且离开第二波导元件820。在本实施例中，离开第二波导元件820的影像光束ML用于进入投射目标P，其中投射目标P例如是使用者的一只眼睛位置。此外，第一分光元件811以及第二分光元件831的数量并不限于图4所示，配置在第一波导元件810以及第二波导元件820当中的分光元件的数量可依据不同产品需求来设计之，本发明并不加以限制。
在本实施例中，由于这些第一分光元件811以及这些第二分光元件831分别具有镀膜，并且镀膜仅能使得特定入射角范围入射的影像光束ML穿透。因此，当影像光束ML在第一波导元件810以及第二波导元件820行进的过程中以过大的入射角入射这些第一分光元件811以及这些第二分光元件831时，一部分的影像光束ML反而会在这些第一分光元件811以及这些第二分光元件831片上发生反射。此非预期的反射影像光束ML会继续于第一波导元件810以及第二波导元件820中行进，而在后续以较小角度入射分光片的情况下，以与前述预期方向相反的方向倾斜地导入使用者的眼睛。此时，使用者除了会观看到原本预期的影像画面外，同时还会观看到镜像的非预期的影像画面。因此，使用者容易在使用头戴式显示器的过程中感觉影像画面有鬼影的存在或影像画面变得模糊。
图5A绘示本发明的头戴式显示装置的一实施例的示意图，参考图5A。在本实施例中，头戴式显示装置500包括第一波导元件510、第二波导元件520以及第三波导元件530，其中第二波导元件520包括多个第二分光元件531。在本实施例中，第一波导元件510配置于第三波导元件530旁。第一波导元件510可贴合于第三波导元件530，或透过透明胶材粘合，或者利用固定件532(例如间隔物或胶材或垫片)在第一波导元件510与第三波导元件530的外围固定，中间区域具有间隔(gap)，间隔可为微小的空气间隙(air gap)。此外，第一出光面ES1面对第二入光面IS2。第二入光面IS2连接第二出光面ES2。第三波导元件530可贴合于第二波导元件520，或透过透明胶材粘合。因此，第三入光面IS3连接于第二出光面ES2。在本实施例中，第三波导元件530包括反射结构521。反射结构521可由多个光学微结构所组成，并且这些多个光学微结构可为多个倾斜配置且周期性排列的多个反射面。
此外，上述空气间隙(air gap)的目的在于具有大角度的入射角度的影像光束ML射入第一波导元件510中，可避免部分的影像光束ML直接穿透第一波导元件510，使得部分影像光束ML以全反射的方式在第一波导元件510中传递。另一优点，部分影像光束ML由反射结构521反射后朝向第二入光面IS2，由于空气间隙可让部分影像光束ML在第二入光面IS2产生全反射，将部分影像光束ML导入第二波导元件520。
在本实施例中，影像光束ML经由第一波导元件510的第一出光面ES1入射至第三波导元件530，并且经由第二入光面IS2入射第三波导元件530。影像光束ML经由反射结构521反射来自于第二入光面IS2的影像光束ML，并且经由第二出光面ES2离开第三波导元件530。影像光束ML经由第三入光面IS3入射第二波导元件520，并经由第三出光面ES3离开第二波导元件520。
在本实施例中，第三波导元件530与第二波导元件520可为不同材料。例如，第三波导元件530可为塑胶材料，并且第一波导元件510以及第二波导元件520可为玻璃，但本发明并不限于此。在一实施例中，第三波导元件530与第二波导元件520亦可为相同材料且一体成型的结构。在本实施例中，第一波导元件510、第三波导元件530以及第二波导元件520个别的材料选择亦可依据不同反射率需求或产品设计来决定之。
图5B绘示本发明的头戴式显示装置的一实施例的示意图，参考图5B。在本实施例中，头戴式显示装置600包括第一波导元件610、第三波导元件630以及第二波导元件620，其中第二波导元件620包括多个第二分光元件631。在本实施例中，第一波导元件610配置于第二波导元件620旁。第一波导元件610可贴合于第二波导元件620，或透过透明胶材粘合，或利用机构件(例如间隔物或胶材)在第一波导元件610与第二波导元件620的外围固定，但中间区域具有间隔，间隔可为微小的空气间隙。因此，在影像光束ML的传递路径上，影像光束ML经由第一出光面ES1穿过第二波导元件620而传递至第三波导元件630。此外，第一出光面ES1面对第二入光面IS2。第二入光面IS2连接第二出光面ES2。第三波导元件630可贴合于第二波导元件620，或透过透明胶材粘合。因此，第三入光面IS3连接于第二出光面ES2。第二入光面IS2与第三入光面IS3面对第一出光面ES1。在本实施例中，第三波导元件630包括反射结构621。反射结构621可由多个光学微结构所组成，并且这些多个光学微结构可为多个倾斜配置且周期性排列的多个反射面。
在本实施例中，影像光束ML经由第一波导元件610的第一出光面ES1入射第二波导元件620，通过第二波导元件620后再经由第二入光面IS2入射第三波导元件630。影像光束ML经由反射结构621反射来自于第二入光面IS2的影像光束ML，并且经由第二出光面ES2离开第三波导元件630。影像光束ML经由第三入光面IS3再入射第二波导元件620，并经由第三出光面ES3离开第二波导元件620。
在本实施例中，第三波导元件630与第二波导元件620可为不同材料。例如，第三波导元件630可为塑胶材料，并且第一波导元件610以及第二波导元件620可为玻璃，但本发明并不限于此。在一实施例中，第三波导元件630与第二波导元件620亦可为相同材料且一体成型的结构。在本实施例中，第一波导元件610、第三波导元件630以及第二波导元件620个别的材料选择亦可依据不同反射率需求或产品设计来决定之。
图5C绘示本发明的头戴式显示装置的一实施例的示意图，参考图5C。在本实施例中，头戴式显示装置700包括第一波导元件710、第三波导元件730以及第二波导元件720，其中第二波导元件720包括多个第二分光元件731。在本实施例中，第一波导元件710配置于第二波导元件720旁。第一波导元件710可贴合于第二波导元件720，或透过透明胶材粘合，或利用固定件(例如间隔物或胶材或垫片，如图5A所示)在第一波导元件710与第二波导元件720的外围固定，中间区域具有间隔(gap)，间隔可为微小的空气间隙(air gap)。因此，第一出光面ES1透过第二波导元件720面对第二入光面IS2。第二入光面IS2连接第二出光面ES2。第三波导元件730倾斜配置于第二波导元件720旁，因此第二入光面IS2、第二出光面ES2以及第三入光面IS3相对于第三出光面ES3具有一倾斜角度。第三波导元件730可贴合于第二波导元件720，或透过透明胶材粘合。因此，第三入光面IS3连接第二出光面ES2。在本实施例中，第三波导元件730包括反射结构721与透光层。第三波导元件730为反射单元(reflecting unit)，并且反射结构721可为反射镜或者为反射涂层。
在本实施例中，影像光束ML经由第一波导元件710的第一出光面ES1入射第二波导元件720，通过第二波导元件720后再经由第二入光面IS2入射第三波导元件730。影像光束ML经由反射结构721反射来自于第二入光面IS2的影像光束ML，并且经由第二出光面ES2离开第三波导元件730。影像光束ML经由第三入光面IS3再入射第二波导元件720，并经由第三出光面ES3离开第二波导元件720。
在本实施例中，第一波导元件710、第三波导元件730以及第二波导元件720可皆为玻璃材料，但本发明并不限于此。在一实施例中，第三波导元件730可为塑胶材料的反射单元。并且，第一波导元件710、第三波导元件730以及第三波导元件730个别的材料选择亦可依据不同反射率需求或产品设计来决定之。
图6A绘示本发明另一实施例的头戴式显示装置的示意图。请参考图1～4,6A，在本实施例中，头戴式显示装置900包括第一波导元件910、第三波导元件930、第二波导元件920以及反射元件950。反射元件950用于接收显示器提供的影像光束ML，反射元件950可为具有反射层的棱镜(未显示)，且显示器提供的影像光束由X轴方向入射至反射元件950，在藉由反射元件950的反射层将影像光束沿Y轴方向入射至第一波导元件910。为了方便说明，本实施例的第三波导元件930采用上述图5C实施例的第二波导元件的反射结构设计，但本发明并不限于此。上述图5A以及图5B实施例的第二波导元件的反射结构设计亦可适用之。
在本实施例中，本发明提出显示器提供的影像光束ML可仅具有单一极化方向。举例来说，影像光束ML由反射元件950入射至第一波导元件910时，可使用偏振元件(Polarizer)，偏振元件960可配置在显示器与第一波导元件910之间、显示器与反射元件950之间，或者反射元件950与第一波导元件910之间，以使由显示器入射至第一波导元件910的影像光束只具有P极化方向的光(如同第三轴Z的方向)，并且影像光束ML由第一波导元件910经由第三波导元件930的反射结构入射至第二波导元件920，基于此领域基本偏振光的光学定义可知，将P极化方向的光转换为S极化方向的光(如同第二轴Y的方向)。因此，第一波导元件910中，只传递单一极化方向的影像光束，并且这些第一分光元件911以及这些第二分光元件931各别的镀膜层是可对应具有单一极化方向的影像光束来设计。
在另一实施例中，本实施例的头戴式显示装置900可进一步包括相位延迟片970。在本实施例中，偏振元件960可配置在显示器与第一波导元件910之间，或反射元件950与第一波导元件910之间，以使由反射元件950入射至第一波导元件910的影像光束可只具有S极化方向的光。并且，相位延迟片970可配置在第一波导元件910与第三波导元件930之间(也将相位延迟片970可配置在第二波导元件920与第一波导元件910之间)，以使由第一波导元件910入射至第二波导元件920的影像光束可为S极化方向的光。据此，头戴式显示装置900藉由配置偏振元件960、相位延迟片970，而可有效降低非预期的反射光线于第一波导元件910以及第二波导元件920中行进的情况。
图6B绘示本发明另一实施例的头戴式900A显示装置的示意图。对此，显示器830提供的影像光束ML可仅具有单一极化方向。举例来说，影像光束ML直接入射至第一波导元件910可具有P极化方向的光(如同第三方向Z的方向)，并且影像光束ML由第一波导元件910经由反射结构入射至第二波导元件920，基于基本光学反射效果，而自然地转换为S极化方向的影像光束ML(如同第一方向Y的方向)。因此，第一波导元件910当中可只传递单一极化方向的影像光束ML，并且这些第一分光元件911以及这些第二分光元件931个别的镀膜可对应具有单一极化方向的影像光束ML来设计之。据此，本实施例的头戴式显示装置900A可有效降低非预期的反射光线于第一波导元件910以及第二波导元件920中行进的情况。在本实施例中，第一光栏也位于第一波导元件910之内，并且第二光栏PA2位于投射目标P之处。并且，第一光栏在第一波导元件910之内的位置也符合距离D1大于或等于距离D2的条件。
图7绘示图1的第二波导元件的俯视示意图。图8绘示本发明一实施例之扩散镀膜的反射率相对于影像光束的入射角的反射率分布曲线的概要示意图。在图8中，扩散镀膜的反射率相对于影像光束的入射角的反射率分布曲线例如是以波长520奈米为例，但不用以限定本发明。并且，图8的反射率分布曲线仅用以例示说明，也不用以限定本发明。请参考图7至图8，在本实施例中，在第二波导元件120中的各第二分光元件X1、X2、X3、X4、X5、X6皆包括第一表面以及相对于第一表面的第二表面，且在第一表面与第二表面其中之一可包括扩散镀膜，以第一表面包括扩散镀膜为例。以第二分光元件X1为例，第二表面SX12相对于第一表面SX11，并且第一表面SX11包括扩散镀膜。在本实施例中，影像光束ML从各第二分光元件的第一表面入射至各第二分光元件，影像光束ML入射至各第二分光元件的入射角范围介于15度至45度之间，如此可让部分影像光束ML经由扩散镀膜反射至光瞳P，其中第二波导元件120中的各第二分光元件与第二出光面S22之间的夹角为30度，但本案不以此为限。在第二波导元件120中，影像光束ML具有的偏振方向为第二极化方向(例如S方向偏振光)。在本实施例中，扩散镀膜的反射率例如符合图8的反射率分布曲线。在入射角介于15度至45度之间，第N个第二分光元件的反射率小于或等于第(N+1)个第二分光元件的反射率，其中N是大于或等于1的整数。在图8中，曲线SR(N+1)例如是第(N+1)个第二分光元件的反射率分布曲线，曲线SRN例如是第N个第二分光元件的反射率分布曲线。举例而言，第1个第二分光元件X1的反射率小于或等于第2个第二分光元件X2的反射率，但不以此为限。
图9绘示图7实施例之影像光束在投射目标之处产生的影像画面的概要示意图。请参考图7至图9，在本实施例中，在投射目标P中所形成的影像画面是来自各第二分光元件反射的影像光束ML，换句话说，人眼可看到的水平方向(第二方向X)的影像画面。因此，经由不同的第二分光元件反射的影像光束ML在投射目标P上产生的影像画面部分会重叠或者影像画面部分相接，若影像画面之间产生空隙，则会使人眼观看到一影像具有一黑区。因此，如图9所示，举例而言，在投射目标P中影像画面的不同区块是由不同的第二分光元件所反射的影像光束ML所贡献，并且在部分区块产生影像重叠或影像相接。依据本实施例的扩散镀膜的设计方式，亦即第二分光元件当中的第N个第二分光元件的反射率小于或等于第二分光元件当中的第(N+1)个第二分光元件，即使部分区块产生重叠，在投射目标P中的影像画面仍可保持均匀，具有良好的显示品质。
图10绘示图1的第一波导元件的侧视示意图。请参考图10，在本实施例中，各第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4包括第一表面以及相对于第一表面的第二表面，且第一表面包括扩散镀膜。且在第一表面与第二表面其中之一可包括扩散镀膜，以第一分光元件Y1为例，第二表面SY22相对于第一表面SY21，并且第一表面SY21包括扩散镀膜。在本实施例中，同时参考图3，透镜模块140的光轴A1平行第一方向Y且垂直投射目标P的视轴A2，影像光束ML入射至第一分光元件Y1的第一表面SY21，其入射角介于30度至60度之间，其中第一波导元件110中的各第一分光元件与第一出光面S12之间的夹角为45度，在其他设计下也可为30度，但本案不以此为限。此外，第M个第一分光元件的反射率小于或等于第(M+1)个第一分光元件的反射率，其中M是大于或等于1的整数。举例而言，第2个第一分光元件Y2的反射率小于或等于第3个第一分光元件Y3的反射率，如此可让部分影像光束ML经由扩散镀膜反射至第二波导元件120，在投射目标P中的影像画面仍可保持均匀，具有良好的显示品质。在另一实施例中，同时参考图2A，透镜模块140的光轴A1垂直第一方向Y且平行投射目标P的视轴A2，影像光束ML入射至第一分光元件的第一表面SY21，1减去第一个第一分光元件的反射率小于或等于第(M+1)个第一分光元件的反射率，其中M是大于或等于1的整数。举例而言，1减去第1个第一分光元件Y1的反射率小于或等于第2个第一分光元件Y2的反射率。如此可让部分影像光束ML经由扩散镀膜反射至第二波导元件120，在投射目标P中的影像画面仍可保持均匀，具有良好的显示品质。
图11绘示图10实施例之影像光束在投射目标之处产生的影像画面的概要示意图。请参考图10及图11，在本实施例中，在投射目标P中所形成的影像画面是来自各第一分光元件反射的影像光束ML。换句话说，人眼可看到的垂直方向(第一方向Y)的影像画面。经由不同的第一分光元件反射的影像光束ML在投射目标P上产生的影像画面部分重叠或者影像画面部分相接，也就是经由不同的第二分光元件反射的影像光束ML在投射目标P上产生一影像画面，影像画面由部分重叠的影像光束ML所形成，或者经由不同的第二分光元件反射的影像光束ML在投射目标P上产生一影像画面，影像画面由部分相接的影像光束ML所形成。
在其他实施例中，经由不同的第一分光元件反射的影像光束ML以及经由不同的第二分光元件反射的影像光束ML，在投射目标P上产生一影像画面，影像画面由部分重叠的影像光束ML所形成。或者另一实施例中，经由不同的第一分光元件反射的所述影像光束ML以及经由不同的第二分光元件反射的影像光束ML，在投射目标P上产生一影像画面，影像画面由部分相接的影像光束所形成。若影像画面之间产生空隙，则会使人眼观看到一影像具有一黑区。因此，如图11所示，在投射目标P中影像画面的不同区块是由不同的第一分光元件反射的影像光束ML所贡献，并且在部分区块产生影像重叠或影像相接，使得在投射目标P中的影像画面仍可保持均匀，具有良好的显示品质。
图12A绘示叠加图9与图11的影像光束在投射目标之处产生的影像画面的概要示意图。可参考图9、图11与图12A可知，将在投射目标P中所形成的影像画面是来自各第二分光元件反射的影像光束ML，形成水平方向(第二方向X)的影像画面，以及在投射目标P中所形成的影像画面是来自各第一分光元件反射的影像光束ML，形成垂直方向(第一方向Y)的影像画面。两者的影像画面加以叠加则形成投射目标P可观看到的影像画面。
图12B绘示不同的第二分光元件将影像光束反射至投射目标的概要示意图。参考图12B可知，影像光束透过第二分光元件向第二波导元件外部以扩散的方式射出，但在投射目标P的位置是可接收由第二分光元件投射出来的影像光束，且投射目标P接收到部分重叠的影像光束或者部分相邻的影像光束，可让投射目标P获取清晰且完整的影像。
图13绘示本发明一实施例之影像光束由入射第一分光元件入射至第二波导元件的概要示意图。在图13中，经由不同的第一分光元件反射的影像光束ML从第一波导元件110离开至第二波导元件120的入射角可能不同，因此，针对不同的第一分光元件，其扩散镀膜可作不同的设计。部分影像光束的主光线经由第一分光元件的第一片分光元件Y1反射的路径偏向第一分光元件的最后一片分光元件Y4。部分影像光束的主光线经由第一分光元件的最后一片分光元件Y4反射的路径偏向第一分光元件的第一片分光元件Y1。在在图13中的光束方向为示意描述，实际影像光束是入射进入第二波导元件120。举例而言，在图13中，影像光束ML的行进方向(第一方向Y)例如以45度角相对于第一分光元件作为入射角，影像光束ML入射至第一分光元件的角度可能大于、小于或等于45度(参考角度)。例如，影像光束ML入射至第一分光元件Y1、Y2的角度可能大于45度，可参考图14A所示。图14A所绘示的是影像光束ML入射第一分光元件Y1的概要示意图，其入射角大于45度。影像光束ML入射至第一分光元件Y2的角度可以此类推。因此，针对第一分光元件Y1、Y2的扩散镀膜设计，可设计为在入射角大于45度之处，在第一分光元件Y1、Y2在入射角为47度与50度的区域具有反射率为15％与30％，使得从第一分光元件Y1、Y2反射至第二波导元件120的影像光束ML具有较大的光量，从而提高影像光束ML投射至投射目标P的效率。又例如，影像光束ML入射至第一分光元件Y3、Y4的角度可能小于45度，如图14B所示。图14B所绘示的是影像光束ML入射第一分光元件Y4的概要示意图，其入射角小于45度。影像光束ML入射至第一分光元件Y3的角度可以此类推。因此，针对第一分光元件Y3、Y4的扩散镀膜设计，可设计为在入射角小于45度之处，在第一分光元件Y3、Y4在入射角为40度与43度的区域具有反射率为40％与55％，使得从第一分光元件Y3、Y4反射至第二波导元件120的影像光束ML具有较大的光量，从而提高影像光束ML投射至投射目标P的效率。
因此，在本发明的实施例中，利用调整分光元件上的扩散镀膜的光学特性，可使得在投射目标P上的影像画面具有均匀性且投射至投射目标P的影像光束ML的光量较大。
以下再举多个实施例，说明包括照明系统、显示器以及波导系统的头戴式显示装置的操作方法。
图15绘示本发明一实施例的头戴式显示装置的概要示意图。请参考图15，本实施例的头戴式显示装置300A包括照明系统350A、显示器330A、透镜模块340以及波导系统。透镜模块340可包括一个或多个透镜，波导系统包括第一波导元件310以及第二波导元件320。在本实施例中，显示器330A例如包括数位光源处理(Digital Light ProcessingTM，简称DLPTM)投影系统，用于将来自照明系统350A的照明光束IL转换为影像光束ML。影像光束ML经由波导系统传递至投射目标P。在本实施例中，波导系统的操作方式可由图1至图14B实施例之叙述中获致足够的教示、建议与实施说明。
在本实施例中，照明系统350A用于提供照明光束IL给显示器330A。照明系统350A包括照明光源351、准直透镜组353、孔径光栏(aperture stop)355、均光元件357以及棱镜模块359A。照明光源351提供照明光束IL。照明光束IL经由准直透镜组353、孔径光栏(aperture stop)355、均光元件357以及棱镜模块359A传递至显示器330A。在本实施例中，孔径光栏355配置在准直透镜组353与均光元件357之间，并且照明光源351例如是发光二极管(light emitting diode,LED)，但不以此为限，均光元件357例如是透镜阵列(fly-eyelens array)，准直透镜组353包括一个或多个透镜。在本实施例中，来自于照明光源351的照明光束IL在照明系统350A之内收敛至第三光栏(stop)PA3。第三光栏PA3位于孔径光栏355之处。在本实施例中，孔径光栏355可具有驱动元件358(例如马达)，驱动元件用于控制孔径光栏355的开口大小，以控制第三光栏PA3的面积大小。因此，孔径光栏355可调整通过其开口的照明光束IL的光量。在本实施例中，棱镜模块359A包括棱镜352(第一棱镜)。来自于均光元件357的照明光束IL经由棱镜352传递至显示器330A。在另一实施例中，依设计需求，孔径光栏355的开口可为固定孔径大小。
图16绘示本发明一实施例的头戴式显示装置的概要示意图。请参考图15及图16，本实施例的头戴式显示装置300B类似于图15的头戴式显示装置300A，惟两者之间主要的差异例如在于照明系统350B以及显示器330B的设计方式。
具体而言，在本实施例中，显示器330A例如包括液晶覆硅(Liquid Crystal OnSilicon，简称LCoS)投影系统，用于将来自照明系统350B的照明光束IL转换为影像光束ML。影像光束ML经由波导系统传递至投射目标P。在本实施例中，波导系统的操作方式可由图1至图14B的实施例之叙述中获致足够的教示、建议与实施说明。在本实施例中，照明系统350B用于提供照明光束IL给显示器330B。孔径光栏355配置在准直透镜组353与均光元件357之间。在本实施例中，来自于照明光源351的照明光束IL在照明系统350A之内收敛至第三光栏PA3。照明光源351的照明光束IL可经极性转换为具有单一极性的照明光束IL。第三光栏PA3位于孔径光栏355之处。在本实施例中，孔径光栏355具有驱动元件。驱动元件用于控制孔径光栏355的开口大小，以控制第三光栏PA3的面积大小。因此，孔径光栏355可调整通过其开口的照明光束IL的光量。在本实施例中，棱镜模块359B包括一个极化分束器(Polarizing beam splitter，PBS)。来自于均光元件357的照明光束IL经由极化分束器传递至显示器330A，并且反射至透镜模块340。
图17绘示本发明一实施例的头戴式显示装置的概要示意图。请参考图15及图17，本实施例的头戴式显示装置300C类似于图15的头戴式显示装置300A，惟两者之间主要的差异例如在于棱镜模块359C的设计方式。
具体而言，在本实施例中，显示器330C例如包括数位光源处理(Digital LightProcessingTM，简称DLPTM)投影系统，用于将来自照明系统350C的照明光束IL转换为影像光束ML。影像光束ML经由波导系统传递至投射目标P。在本实施例中，波导系统的操作方式可由图1至图14B的实施例之叙述中获致足够的教示、建议与实施说明。在本实施例中，棱镜模块359C包括第一棱镜359_1、第二棱镜359_2以及第三棱镜359_3。第一棱镜359_1具有曲面。曲面具有反射层R。曲面用于反射自于均光元件357的照明光束IL。在本实施例中，两两棱镜之间间隔微小的空气间隙。例如，第一间隙位于第一棱镜359_1与第二棱镜359_2之间，第二间隙位于第二棱镜359_2与第三棱镜359_3之间。来自于均光元件357的照明光束IL经由第一棱镜359_1、第一间隙、曲面、第二棱镜359_2、第二间隙以及第三棱镜359_3传递至显示器330C。在一实施例中，第一棱镜359_1可贴合于第二棱镜359_2，或透过透明胶材粘合。第二棱镜359_2可贴合于第三棱镜359_3，或透过透明胶材粘合。
在图15至图17的实施例中，照明系统350A、350B、350C具有第一F值，且第一F值是依据第三光栏PA3的面积大小来决定。透镜模块340具有第二F值。头戴式显示装置300A、300B、300C符合第一F值大于或等于第二F值条件，可消除降低影像画面所产生鬼影的情况。F值可定义为1/2*sin(θ)，θ角为光束入射的圆锥角(cone angle)。
举例而言，图18绘示图17实施例的头戴式显示装置的部分元件的概要示意图。为简要说明起见，图18仅绘示头戴式显示装置300C的显示器330C、第三棱镜359_3以及透镜模块340。在本实施例中，照明光束IL入射至显示器330C，显示器330C例如包括数位微型反射镜元件(Digital Micromirror Device，简称DMD)。数位微型反射镜元件先将照明光束IL转换为影像光束ML，再将影像光束ML反射至第三棱镜359_3。第三棱镜359_3再将影像光束ML反射至透镜模块340。在本实施例中，照明光束IL入射至显示器330C的圆锥角(cone angle)例如是θ1，照明系统350C的第一F值可定义为1/2*sin(θ1)。在本实施例中，透镜模块340接收来自于显示器330C的影像光束ML，其圆锥角(cone angle)例如是θ2。透镜模块340的第二F值可定义为1/2*sin(θ2)。
在本实施例中，依据制造者的设计，预先设定好透镜模块340的第二F值，即可得知所需要入射角度θ2，因此，透过孔径光栏355可调整通过其开口的大小来控制第三光栏PA3的大小，而第三光栏PA3的大小会影响照明光束IL入射至显示器330C的圆锥角θ1的大小。也就是，透镜模块340的第二F值被决定之后，可透过孔径光栏355来控制照明系统350C的第一F值的大小，以使头戴式显示装置300C符合第一F值大于或等于第二F值条件。在一实施例中，孔径光栏355的开口可为固定孔径大小，配合透镜模块340的第二F值设计，将控制照明系统350C的第一F值的大小设计为使头戴式显示装置300C符合第一F值大于或等于第二F值条件。在图15及图16的实施例中，照明系统350A、350B也可利用此方式来调整，以使头戴式显示装置300A、300B符合第一F值大于或等于第二F值条件，因此，使用者容易在使用头戴式显示器300A、300B的过程中将可消除或降低观看的影像画面中会有鬼影的存在或观看的影像画面变得模糊的情况。
图19绘示本发明一实施例的头戴式显示装置的概要示意图。请参考图15及图19，本实施例的头戴式显示装置400A类似于图15的头戴式显示装置300A，惟两者之间主要的差异例如在于孔径光栏455的设置位置以及均光元件457是光积分柱。
具体而言，在本实施例中，棱镜模块459A包括一棱镜与两个透镜，其中孔径光栏455配置在两个透镜之间，并且均光元件457例如是光积分柱。在本实施例中，来自于照明光源451的照明光束IL在照明系统450A之内收敛至第三光栏PA3。第三光栏PA3位于孔径光栏455之处。在本实施例中，孔径光栏455具有驱动元件。驱动元件用于控制孔径光栏455的开口大小，以控制第三光栏PA3的大小，从而控制照明光束IL入射至显示器430A的圆锥角的大小。因此，在透镜模块440的第二F值被决定之后，可透过孔径光栏455来控制照明系统450A的第一F值的大小，以使头戴式显示装置400A符合第一F值大于或等于第二F值条件。
图20绘示本发明一实施例的头戴式显示装置的概要示意图。请参考图16及图20，本实施例的头戴式显示装置400B类似于图16的头戴式显示装置300B，惟两者之间主要的差异例如在于孔径光栏455的设置位置以及均光元件457是光积分柱。
具体而言，在本实施例中，棱镜模块459B包括两棱镜与两个透镜，其中孔径光栏455配置在棱镜模块459B中的两个透镜之间，并且均光元件457例如是光积分柱。在本实施例中，来自于照明光源451的照明光束IL在照明系统450A之内收敛至第三光栏PA3。第三光栏PA3位于孔径光栏455之处。在本实施例中，孔径光栏455具有驱动元件。驱动元件用于控制孔径光栏455的开口大小，以控制第三光栏PA3的大小，从而控制照明光束IL入射至显示器430A的圆锥角的大小。因此，在透镜模块440的第二F值被决定之后，可透过孔径光栏455来控制照明系统450A的第一F值的大小，以使头戴式显示装置400A符合第一F值大于或等于第二F值条件。
图21绘示本发明一实施例的头戴式显示装置的概要示意图。请参考图21，本实施例的头戴式显示装置400C包括照明系统450C、显示器430C、透镜模块440以及波导系统。波导系统包括第一波导元件410以及第二波导元件420。在本实施例中，显示器330A例如包括数位光源处理(Digital Light ProcessingTM，简称DLPTM)投影系统或者液晶覆硅(LiquidCrystal On Silicon，简称LCoS)投影系统，用于将来自照明系统450C的照明光束IL转换为影像光束ML。影像光束ML经由波导系统传递至投射目标P。在本实施例中，波导系统的操作方式可由图1至图14B的实施例之叙述中获致足够的教示、建议与实施说明。
在本实施例中，照明系统450C用于提供照明光束IL给显示器430C。照明系统450C包括照明光源451、均光元件457、准直透镜组453C、孔径光栏455以及棱镜模块459C。照明光源451提供照明光束IL。照明光束IL经由均光元件357、孔径光栏355、准直透镜组453C以及棱镜模块459C传递至显示器430C。在本实施例中，准直透镜组453C包括透镜453_1、453_2。孔径光栏455配置在准直透镜组353C中的透镜453_1、453_2之间。均光元件457例如是光积分柱。在本实施例中，来自于照明光源451的照明光束IL在照明系统450C之内收敛至第三光栏PA3。第三光栏PA3位于孔径光栏455之处。在本实施例中，孔径光栏455具有驱动元件。驱动元件用于控制孔径光栏455的开口大小，以控制第三光栏PA3的大小。因此，孔径光栏455可调整通过其开口的照明光束IL的光量。在本实施例中，棱镜模块459C包括第一棱镜352_1以及第二棱镜352_2。来自于准直透镜组453C的照明光束IL经由第一棱镜352_1反射至显示器430C，照明光束IL转变为影像光束ML并且透过第二棱镜352_2传递至透镜模块440。
在本实施例中，孔径光栏455可调整通过其开口的大小来控制第三光栏PA3的大小，而第三光栏PA3的大小会影响照明光束IL入射至显示器430C的圆锥角θ1的大小。因此，在透镜模块440的第二F值被决定之后，可透过孔径光栏455来控制照明系统450C的第一F值的大小，以使头戴式显示装置400C符合第一F值大于或等于第二F值条件。
综上所述，在本发明的示范实施例中，第一光栏位于第一波导元件之内，第二光栏位于投射目标之处，可使头戴式显示装置提供大视角，且波导系统的体积小。在本发明的示范实施例中，各分光元件的扩散镀膜可依据不同反射率需求或产品设计来决定之，以使在投射目标中的影像画面可保持均匀，具有良好的显示品质。在本发明的示范实施例中，第三光栏位在照明系统之内，并且孔径光栏设置在第三光栏之处。头戴式显示装置可透过孔径光栏来第三光栏以及控制照明系统的第一F值的大小，以使头戴式显示装置符合第一F值大于或等于透镜模块的第二F值条件，从而改善影像画面中的鬼影，提供良好的显示品质。
以上所述，仅为本发明之实施例而已，不能以此限定本发明实施之范围，即凡是依本发明权利要求书及说明书内容所作之简单的等效变化与修饰，都仍属本发明专利覆盖之范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所公开之全部目的或优点或特点。此外，说明书摘要和发明名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明之权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“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。
附图标记列表
100、200、300A、300B、300C、400A、400B、400C、500、600、700、800、900：头戴式显示装置
110、210、310、410、510、610、710、810、910：第一波导元件
120、220、320、420、520、620、720、820、920：第二波导元件
130、230、330A、330B、330C、430A、430B、430C、830：显示器
140、240、340、440、840：透镜模块
350A、350B、350C、450A、450B、450C：照明系统
351、451：照明光源
352、352_1、352_2、359_1、359_2、359_3：棱镜
353、453C：准直透镜组
355、455：孔径光栏
357、457：均光元件
358：驱动元件
359A、359B、359C、459A、459B、459C：棱镜模块
453_1、453_2：透镜
521、621、721：反射结构
530、630、730、850、930：第三波导元件
532：固定件
960、970：偏振元件
A1：光轴
A2：视轴
A3：参考轴
D1、D2：距离
ES3：第三出光面
IS3：第三入光面
IL：照明光束
ML：影像光束
P：投射目标
PA1：第一光栏
PA1’、PA1”、PA1”’：光栏
PA2：第二光栏
PA3：第三光栏
PC：中心位置
R：反射层
S11、S13、S14：第一入光面
S12、ES1：第一出光面
S23、S15：反射面
S21、IS2：第二入光面
S22、ES2：第二出光面
SX11、SY21：第一表面
SX12、SY22：第二表面
SRN、SR(N+1)：曲线
X：第二方向
X1、X2、X3、X4、X5、X6、531、631、731、831、931：第二分光元件
Y：第一方向
Y1、Y2、Y3、Y4、811、911：第一分光元件
Z：第三方向
θ1、θ2：圆锥角

Claims (17)

1.一种头戴式显示装置，其特征在于，包括：
照明系统，用于提供照明光束，并且包括孔径光栏；
显示器，用于将所述照明光束转换为影像光束，所述影像光束传递且投射至投射目标；
透镜模块用于接收并投射所述影像光束；以及
波导系统，用于导引所述影像光束，并且将所述影像光束投射至所述投射目标，其中所述波导系统包括第一波导元件以及第二波导元件，所述影像光束经由所述透镜模块、所述第一波导元件以及所述第二波导元件投射至所述投射目标，所述影像光束在所述第一波导元件之内收敛至第一光栏，所述第一光栏位于所述第一波导元件之内，以及所述影像光束离开所述第二波导元件并且在所述第二波导元件之外投射至第二光栏，所述第二光栏位于所述投射目标之处，其中所述照明光束在所述照明系统之内收敛至第三光栏，所述孔径光栏位于所述第三光栏之处。
2.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，照明系统具有第一F值，所述透镜模块具有第二F值，所述第一F值是依据所述第三光栏的面积大小来决定，以及所述第一F值大于或等于所述第二F值。
3.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述照明系统还包括照明光源、准直透镜组、均光元件以及棱镜模块，所述照明光源提供所述照明光束，所述照明光束经由所述准直透镜组、所述孔径光栏、所述均光元件以及所述棱镜模块传递至所述显示器。
4.如权利要求3所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述均光元件是透镜阵列，并且所述孔径光栏配置在所述准直透镜组与所述均光元件之间。
5.如权利要求4所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述棱镜模块是极化分束器，并且所述光源提供所述照明光束具有极性。
6.如权利要求3所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述均光元件是光积分柱，并且所述孔径光栏配置在所述棱镜模块之中。
7.如权利要求3所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述棱镜模块包括第一棱镜，来自于所述均光元件的所述照明光束经由所述第一棱镜传递至所述显示器。
8.如权利要求3所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述棱镜模块包括第一棱镜、第二棱镜以及第三棱镜，来自于所述均光元件的所述照明光束经由所述第一棱镜、所述第二棱镜以及所述第三棱镜传递至所述显示器。
9.如权利要求8所述的头戴式显示装置，其特征在于，第一间隙位于所述第一棱镜与所述第二棱镜之间，第二间隙位于所述第二棱镜与所述第三棱镜之间，来自于所述均光元件的所述照明光束经由所述第一间隙以及所述第二间隙传递至所述显示器。
10.如权利要求8所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述第一棱镜具有曲面，用于反射自于所述均光元件的所述照明光束，其中所述曲面具有反射层。
11.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述照明系统还包括照明光源、均光元件、准直透镜组以及棱镜模块，所述照明光源提供所述照明光束，所述照明光束经由所述均光元件、所述准直透镜组以及所述棱镜模块传递至所述显示器。
12.如权利要求11所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述均光元件是光积分柱，并且所述孔径光栏配置在所述准直透镜组之内。
13.如权利要求11所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述棱镜模块包括第一棱镜以及第二棱镜，来自于所述准直透镜的所述照明光束经由所述第一棱镜以及所述第二棱镜传递至所述显示器。
14.如权利要求11所述的头戴式显示装置，其特征在于，间隙位于所述第一棱镜与所述第二棱镜之间，来自于所述均光元件的所述照明光束经由所述间隙传递至所述显示器。
15.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述第一波导元件包括第一入光面、第一出光面以及这些第一分光元件，其中来自于所述显示器的所述影像光束经由所述第一入光面入射所述第一波导元件，以及所述影像光束经由所述第一出光面离开所述第一波导元件，以及所述第二波导元件连接于所述第一波导元件，并包括第二入光面、第二出光面以及这些第二分光元件，其中来自于所述第一波导元件的所述影像光束经由所述第二入光面入射所述第二波导元件。
16.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述孔径光栏具有驱动元件，所述驱动元件用于控制所述孔径光栏的开口大小，以控制所述第三光栏的面积大小。
17.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述第一波导元件与所述第二波导元件之间具有间隔。
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