CN108873329A - 头戴式显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种头戴式显示装置包括投影装置、第一波导元件、第二波导元件以及第三波导元件。第一波导元件包括第一入光面、第一出光面以及多个第一分光元件。来自于投影装置的影像光束经由第一入光面入射第一波导元件。影像光束用于收敛于光栏，并且这些第一分光元件的第一片分光元件位于光栏与投影装置之间。第二波导元件包括第二入光面、反射结构以及第二出光面。第三波导元件连接于第二波导元件。第三波导元件包括第三入光面、第三出光面以及多个第二分光元件。头戴式显示装置可让使用者观看到具有良好的视线范围并且具有完整画面的影像画面。

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。

“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，可让使用者观看到具有良好的视线范围并且具有完整画面的影像画面，进而可提供良好的使用者体验。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投影装置、第一波导元件、第二波导元件以及第三波导元件。投影装置用于提供影像光束。第一波导元件包括第一入光面、第一出光面以及多个第一分光元件，其中在影像光束的传递路径上，这些第一分光元件位于第一入光面与第一出光面之间。来自于投影装置的影像光束经由第一入光面入射第一波导元件。影像光束用于收敛于光栏。这些第一分光元件的第一片分光元件位于光栏与投影装置之间，且影像光束经由第一出光面离开第一波导元件。第二波导元件包括第二入光面、反射结构以及第二出光面。在影像光束的传递路径上，反射结构位于第二入光面与第二出光面之间。来自于第一波导元件的影像光束经由第二入光面入射第二波导元件。反射结构用于反射来自于第二入光面的影像光束，且影像光束经由第二出光面离开第二波导元件。第三波导元件连接于第二波导元件。第三波导元件包括第三入光面、第三出光面以及多个第二分光元件。在影像光束的传递路径上，这些第二分光元件位于第三入光面与第三出光面之间。来自于第二波导元件的影像光束经由第三入光面入射第三波导元件，且影像光束经由第三出光面离开第三波导元件，其中第二波导元件的第二出光面接合第三波导元件的第三入光面。

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。本发明的头戴式显示装置可用于多种第二波导元件的反射结构设计，以使来自于第一波导元件的影像光束可有效地经由第二波导元件入射至第三波导元件中。并且，本发明的头戴式显示装置可经由设计第一波导元件、第二波导元件以及第三波导元件的相关特性参数(例如各波导元件的折射率与长度参数)，以使头戴式显示装置可满足条件式：P'＝(Y-S)+P_Y+P_X+X₁+X₂+R； L＝X₁+X₂-X_6PBS，或是本发明的头戴式显示装置亦可满足条件式：H＝(Y-S+P_Y)·tanθ_MY+(P_X+X₁)·tanθ_MX1+X₂·tanθ_MX2+R·tanθ_MAir。因此，本发明的头戴式显示装置可有效降低鬼影的情况，并且让使用者观看到具有良好的视线范围并且具有完整画面的影像画面，进而可提供良好的使用者体验。

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示意图。

图2绘示本发明一实施例的投影装置及第一波导元件的示意图。

图3A绘示本发明的头戴式显示装置的第一实施例的示意图。

图3B绘示本发明的头戴式显示装置的第二实施例的示意图。

图3C绘示本发明的头戴式显示装置的第三实施例的示意图。

图4绘示本发明一实施例的头戴式显示装置的立体图。

图5A绘示本发明一实施例的第一波导元件的光路示意图。

图5B绘示本发明一实施例的头戴式显示装置的光路示意图。

图5C绘示本发明一实施例的影像光束的等效光路示意图。

图6绘示本发明又一实施例的头戴式显示装置的示意图。

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示意图，参考图1。在本实施例中，头戴式显示装置100包括第一波导元件110、第二波导元件120以及第三波导元件130。头戴式显示装置100 处于由第一轴X、第二轴Y以及第三轴Z所建构的空间中，其中第一轴X方向垂直于第二轴Y方向，第三轴Z方向垂直于第一轴 X的方向也垂直于第二轴Y的方向。头戴式显示装置100可提供影像光束IL经由第一波导元件110、第二波导元件120以及第三波导元件130传递至使用者的一个眼睛位置(左眼或右眼)，本发明的细节将于下面内容中详细描述。

在本实施例中，由第一波导元件110的一放大区域C可看出，第一波导元件110包括第一入光面IS1、第一出光面ES1以及多个第一分光元件111_1～111_4。在影像光束IL的传递路径上，这些第一分光元件111_1～111_4位于第一入光面IS1与第一出光面 ES1之间。并且，第一波导元件110的第一入光面IS1可接收由一投影装置提供的影像光束IL经由第一入光面IS1入射第一波导元件110，投影装置140包括显示器141以及透镜模块142，可参考图2。在本实施例中，第一分光元件的第一片分光元件111_1 位于光栏(Stop)FP与投影装置之间，且影像光束IL经由第一出光面ES1离开第一波导元件110，其中第一片分光元件111_1定义为最接近投影装置的第一分光元件。在本实施例中，光栏FP可藉由投影装置的设计而位于第一波导元件110的第一分光元件的第一片分光元件111_1至最后一片分光元件111_4之间，而不限于图1所示。在本实施例中，这些第一分光元件111_1～111_4相互平行且呈间隔排列(即两相邻的第一分光元件之间具有一间隙)，并且这些第一分光元件111_1～111_4分别为半穿透半反射膜(See Through Mirror,STM)，其中这些第一分光元件111_1～111_4可各别与第一出光面ES1夹角为45度。此外，这些第一分光元件 111_1～111_4的数量并不限于图1所示，配置在第一波导元件110 中的第一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，第二波导元件120位于来自于第一波导元件 110的影像光束IL的传递路径上。第二波导元件120包括第二入光面IS2、反射结构121以及第二出光面ES2。在影像光束IL的传递路径上，反射结构121位于第二入光面IS2与第二出光面ES2 之间。来自于第一波导元件110的影像光束IL经由第二入光面IS2 入射第二波导元件120。反射结构121用于反射来自于第二入光面IS2的影像光束，且影像光束IL经由第二出光面ES2离开第二波导元件120。

在本实施例中，第三波导元件130位于来自于第二波导元件 120传递的影像光束IL的传递路径上。第三波导元件130连接于第二波导元件120。第三波导元件130包括第三入光面IS3、第三出光面ES3以及多个第二分光元件131_1～131_6。在影像光束IL 的传递路径上，这些第二分光元件131_1～131_6位于第三入光面 IS3与第三出光面ES3之间。来自于第二波导元件120的影像光束IL经由第三入光面IS3入射第三波导元件130，且影像光束IL 经由第三出光面ES3离开第三波导元件130。在本实施例中，这些第二分光元件131_1～131_6相互平行且呈间隔排列(即两相邻的第二分光片之间具有一间隙)，并且这些第二分光元件131_1～131_6分别为半穿透半反射膜，其中这些第二分光元件 131_1～131_6可各别与第三出光面ES3的夹角为30或45度。此外，这些第二分光元件131_1～131_6的数量并不限于图1所示，配置在第三波导元件130中的第二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，第二波导元件120具有反射结构121。第二波导元件120的反射结构121用于反射影像光束IL，以使影像光束IL入射于第三波导元件130。第二波导元件120与第三波导元件130可为相同材料或不同材料，并且可为一体成形或各自独立的结构，以及第二波导元件120与第三波导元件130可为不同的折射率。须注意的是，图1所示的第二波导元件120为本发明的一实施例。图1所示的第二波导元件120是用于说明第二波导元件120具有反射影像光束IL的光学特征，以使影像光束IL可经由第二波导元件120传导至第三波导元件130。然而，本发明的第二波导元件的结构特征并不限于图1所示。

图2绘示本发明一实施例的投影装置及第一波导元件的示意图，参考图2。在本实施例中，投影装置140包括显示器141以及透镜模块142。显示器141用于提供影像光束IL，且影像光束IL通过透镜模块142后传递至第一波导元件110中，显示器D可例如是液晶显示器(liquid crystal display,LCD)、电浆显示器(plasma display)、有机发光二极管显示器(OLED display)、电湿润显示器 (electrowetting display,EWD)、电泳显示器(electro-phoretic display, EPD)、电致变色显示器(electrochromic display,ECD)、数字微型反射镜元件(Digital Micromirror Device，简称DMD)或是其它可应用的显示器，本发明并不限于此。在本实施例中，透镜模块142用于传递且缩束影像光束IL。透镜模块142可为单一透镜或多片透镜，本发明并不加以限制。

在本实施例中，影像光束IL经由透镜模块142的缩束后将收敛于第一波导元件110中的光栏FP，并且影像光束IL从光栏FP 后开始发散，其中光栏FP指的是影像光束IL收敛至最小光束直径的位置，且在图2中仅表明影像光束IL的外围的光线会于光栏 FP处形成光线的交叉，使得影像光束IL从光栏FP后开始发散。在本实施例中，通过透镜模块142的影像光束IL收敛于第一分光元件的第一片分光元件111_1至最后一片分光元件111_4之间的位置，但本发明并不限于此。在一实施例中，通过透镜模块142 的影像光束IL收敛于第一分光元件的最后一片分光元件111_4之后的位置。也就是说，第一分光元件的最后一片分光元件111_4 可位于第一片分光元件111_1与光栏FP之间。

在本实施例中，由于当影像光束IL进入第一波导元件110时，影像光束IL的光斑即开始扩散，为了避免光斑过大，而造成影像光束IL进入使用者的眼睛后，使用者可能感觉显示画面有鬼影的存在，其中光斑即代表影像光束IL的光束截面区域。在本实施例中，经由透镜模块142的相关光学参数，光栏FP可发生于远离第一入光面IS1的位置。然而，在一实施例中，透镜模块142亦可采用长后焦距(Back Focal Length,BFL)镜头的设计，光栏FP 将形成于第一波导元件110中。举例来说，透镜模块142的后焦长度可为15毫米(mm)，因此影像光束IL经由透镜模块142可收敛于第一波导元件110中，由第一入光面IS1至最后一片分光元件111_4的距离可设置为15毫米。并且，透镜模块142的长度可为8.4毫米(mm)，其中透镜模块142的长度小于第一波导元件110的长度的二分之一。

因此，本实施例的影像光束IL的光栏FP可进一步远离第一入光面IS1的位置。对此，影像光束IL即使行进至第一波导元件 110的第一分光元件的最后一片分光元件111_4，影像光束IL的光斑也可有效缩小。也就是说，透镜模块142可贴合在第一入光面IS1，以使影像光束IL开始发生收敛的时间点延后，因此光栏 FP可更靠近第一片分光元件的最后一片分光元件111_4。

图3A绘示本发明的头戴式显示装置的第一实施例的示意图，参考图3A。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，其中第三波导元件530包括多个第二分光元件531。在本实施例中，第一波导元件510配置于第二波导元件520旁。第一波导元件510可贴合于第二波导元件520，或透过透明胶材粘合，或者利用固定件(例如间隔物或胶材或垫片)在第一波导元件510与第二波导元件520 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面对第二入光面IS2。第二入光面IS2连接第二出光面ES2。第二波导元件520可贴合于第三波导元件530，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，第二波导元件520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。

在本实施例中，影像光束IL经由第一波导元件510的第一出光面ES1入射第二波导元件520，并且经由第二入光面IS2入射第二波导元件520。影像光束IL经由反射结构521反射来自于第二入光面IS2的影像光束IL，并且经由第二出光面ES2离开第二波导元件520。影像光束IL经由第三入光面IS3入射第三波导元件530，并经由第三出光面ES3离开第三波导元件530。

在本实施例中，第二波导元件520与第三波导元件530可为不同材料。例如，第二波导元件520可为塑胶材料，并且第一波导元件510以及第三波导元件530可为玻璃，但本发明并不限于此。在一实施例中，第二波导元件520与第三波导元件530亦可为相同材料且一体成形的结构。在本实施例中，第一波导元件510、第二波导元件520以及第三波导元件530个别的材料选择亦可依据不同折射率需求或产品设计来决定之。

图3B绘示本发明的头戴式显示装置的第二实施例的示意图，参考图3B。在本实施例中，头戴式显示装置600包括第一波导元件610、第二波导元件620以及第三波导元件630，其中第三波导元件630包括多个第二分光元件631。在本实施例中，第一波导元件610配置于第三波导元件630旁。第一波导元件610可贴合于第三波导元件630，或透过透明胶材粘合，或者利用机构件(例如间隔物或胶材或垫片)在第一波导元件610与第三波导元件630 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IL的传递路径上，第一出光面ES1透过第三波导元件630且面对第二入光面IS2。第二入光面IS2连接第二出光面ES2。第二波导元件620可贴合于第三波导元件630，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，第二波导元件620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IL经由第一波导元件610的第一出光面ES1入射第三波导元件630，通过第三波导元件630后再经由第二入光面IS2入射第二波导元件620。影像光束IL经由反射结构621反射来自于第二入光面IS2的影像光束IL，并且经由第二出光面ES2离开第二波导元件620。影像光束IL经由第三入光面IS3再入射第三波导元件630，并经由第三出光面ES3离开第三波导元件630。

在本实施例中，第二波导元件620与第三波导元件630可为不同材料。例如，第二波导元件620可为塑胶材料，并且第一波导元件610以及第三波导元件630可为玻璃，但本发明并不限于此。在一实施例中，第二波导元件620与第三波导元件630亦可为相同材料且一体成形的结构。在本实施例中，第一波导元件610、第二波导元件620以及第三波导元件630个别的材料选择亦可依据不同折射率需求或产品设计来决定之。

图3C绘示本发明的头戴式显示装置的第三实施例的示意图，参考图3C。在本实施例中，头戴式显示装置700包括第一波导元件710、第二波导元件720以及第三波导元件730，其中第三波导元件730包括多个第二分光元件731。在本实施例中，第一波导元件710配置于第三波导元件730旁。第一波导元件710可贴合于第三波导元件730，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)在第一波导元件710与第三波导元件730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透过第三波导元件730面对第二入光面IS2。第二入光面IS2连接第二出光面ES2。第二波导元件720 倾斜配置于第三波导元件730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。第二波导元件720可贴合于第三波导元件730，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，第二波导元件720包括反射结构721与透光层。第二波导元件720为一反射单元(reflecting unit)，并且反射结构721可为一反射镜或者为一反射涂层。

在本实施例中，影像光束IL经由第一波导元件710的第一出光面ES1入射第三波导元件730，通过第三波导元件730后再经由第二入光面IS2入射第二波导元件720。影像光束IL经由反射结构721反射来自于第二入光面IS2的影像光束IL，并且经由第二出光面ES2离开第二波导元件720。影像光束IL经由第三入光面IS3再入射第三波导元件730，并经由第三出光面ES3离开第三波导元件730。

在本实施例中，第一波导元件710、第二波导元件720以及第三波导元件730可皆为玻璃材料，但本发明并不限于此。在一实施例中，第二波导元件720可为塑胶材料的反射单元。并且，第一波导元件710、第二波导元件720以及第三波导元件730个别的材料选择亦可依据不同折射率需求或产品设计来决定之。

图4绘示本发明一实施例的头戴式显示装置的立体图，参考图4。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830、投影装置840以及反射元件850。投影装置840用于提供影像光束IL。在本实施例中，影像光束IL经由反射元件850入射第一波导元件810，但本发明并不限于此。在一实施例中，投影装置840可配置以直接将影像光束IL入射第一波导元件810，而无须经由其他光学元件。投影装置840的配置位置可依据不同产品设计或光学特性来决定之。并且，本实施例的第二波导元件820可采用上述图3A至图3C实施例的其中之一的第二波导元件设计，而在此不再赘述。

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IL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，并且入射至第二波导元件820中。第二波导元件820可具有例如上述各实施例所述的反射结构，因此第二波导元件820的具体实施方式可参照上述各实施例所述之内容，在此不再赘述。在本实施例中，影像光束IL在第二波导元件820的反射结构的位置发生反射，并且入射至第三波导元件830。第三波导元件830包括多个第二分光元件831。影像光束IL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，并且离开第三波导元件830。在本实施例中，离开第三波导元件830的影像光束IL用于进入光瞳P，其中光瞳P例如是使用者的其中一只眼睛的位置。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以及第三波导元件830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。举例而言，使用者的其中一只眼睛看到的影像所述影像的投射比为16:9，则第三波导组件830的第二片分光组件831的数量大于第一波导组件810的第一片分光组件811的数量。不过，在其他设计条件下，第三波导组件830的第二片分光组件831的数量小于第一波导组件810的第一片分光组件811的数量，不以此为限。

图5A绘示本发明一实施例的第一波导元件的光路示意图。图 5B绘示本发明一实施例的头戴式显示装置的光路示意图。图5C 绘示本发明一实施例的影像光束的等效光路示意图。参考图4、 5A～5C，为了方便说明，本实施例的第二波导元件820采用上述图3A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3B以及图3C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，头戴式显示装置800满足以下公式(1)、公式 (2)：

P'＝(Y-S)+P_Y+P_X+X₁+X₂+R.........公式(1)

L＝X₁+X₂-X_6PBS........公式(2)

在上述公式(1)、公式(2)中，P’为影像光束IL在头戴式显示装置800中传导且至光瞳P的最大路径长度。Y为第一入光面IS1 中心位置至这些第一分光元件811的最后一片分光元件811_4中心位置的长度。S为第一入光面IS1至光栏FP的长度。P_y为这些第一分光元件811中心位置至第二入光面IS2的长度。P_x为第二入光面IS2至反射结构821的长度，其中若反射结构821为斜面，则P_x为第二入光面IS2至反射结构821中心位置的长度；若反射结构821为微结构，则P_x为第二入光面IS2至反射结构821最低位置的长度。X₁为第二波导元件820的长度。X₂为第三入光面IS3 至这些第二分光元件831的最后一片分光元件831_6中心位置的长度。R为这些第二分光元件831的最后一片分光元件831_6中心位置至光瞳P的长度。L为远离第三波导元件830的第二波导元件820的一端至这些第二分光元件831的第一片分光元件831_1 中心位置的长度，X_6PBS为这些第二分光元件831的第一片分光元件831_1中心位置至最后一片分光元件831_6中心位置的长度。上述公式(1)、公式(2)适用于利用第一波导元件810、第二波导元件820以及第三波导元件830的相关特性参数，来决定影像光束 IL在头戴式显示装置800中传导且至光瞳P的最大路径长度P’，而以下将利用图5A～图5C来说明上述公式(1)、公式(2)。

在图5A～5C中，第一波导元件810包括多个第一分光元件 811_1～811_4。影像光束IL经由第一入光面IS1入射至第一波导元件810，并且收敛于光栏FP。影像光束IL于光栏FP开始发散，并且影像光束IL具有发散角θ_FOV。因此，影像光束IL的偏移量 H由光栏FP开始计算。如图5A所示，Y为第一入光面IS1至这些第一分光元件的最后一片分光元件811_4中心位置的长度。S 为第一入光面IS1至光栏FP的长度。并且，在图5B中，影像光束IL经由上述多个第一分光元件反射后，经由第一出光面ES1 离开第一波导元件810，并且经由第二入光面IS2入射第二波导元件820。如图所示，P_Y为第一波导元件810的这些第一分光元件至第二入光面IS2的长度。也就是说，由光栏FP起算，影像光束 IL在第一波导元件810中可行经的最大路径长度等于(Y-S)+P_Y。

在图5B中，影像光束IL经由第二入光面IS2入射第二波导元件820，并且在反射结构821的位置发生反射后，经由第二出光面ES2离开第二波导元件820。如图5B所示，第二波导元件 820的长度为X₁，且亦即为第二波导元件820的一端至第二出光面ES2的长度。也就是说，影像光束IL在第二波导元件820中可行经的最大路径长度等于X₁。

在图5B中，第三波导元件830包括多个第二分光元件 831_1～831_6。影像光束IL经由第三入光面IS3入射第三波导元件830，并且通过多个第二分光元件831_1～831_6。影像光束IL 在这些第二分光元件831_1～831_6的位置上分别发生半穿透半反射的光学效应，影像光束IL经由第三出光面ES3离开第三波导元件830。离开第三波导元件830的影像光束IL用于进入光瞳P。如图所示，X₂为第三入光面IS3至这些第二分光元件的最后一片分光元件831_6中心位置的长度。R为这些第二分光元件的最后一片分光元件831_6中心位置至光瞳P的长度。也就是说，影像光束IL在第三波导元件830中可行经的最大路径长度等于X₂。因此，本实施例的影像光束IL在头戴式显示装置800中传导且至光瞳P的行经的最大路径长度P’可满足上述公式(1)。

值得注意的是，在本实施例中，由第二波导元件820的一端至这些第二分光元件的第一片分光元件831_1中心位置的长度可依据产品需求而对应设计之。如图所示，L为第二波导元件820 的一端至这些第二分光元件的第一片分光元件831_1中心位置的长度，X_6PBS为这些第二分光元件的第一片分光元件中心位置 831_1至最后一片分光元件831_6中心位置的长度。也就是说，头戴式显示装置800可满足上述公式(2)。头戴式显示装置800可藉由增加第一波导元件810的长度，即增加X1的长度而让L的长度增加，让影像光束IL的光路径增长，可加大偏移量H，以提供使用者观看到的影像画面(光瞳P的位置)可具有良好的视线范围。

参考图5A～5C，在图5C中，由于影像光束IL在各波导元件的行进过程中，影像光束IL将由光栏FP开始发散，因此当影像光束IL入射至光瞳P的位置时，影像光束IL将具有最大偏移量 H。对此，基于头戴式显示装置800的各个波导元件的特性参数可建立以下公式(3)～公式(7)：

H＝(Y-S+P_y)·tanθ_MY+(P_x+X₁)·tanθ_MX1+X₂·tanθ_MX2+R·tanθ_MAir...公式(3)

θ_MAir＝θ_FOV............公式(4)

在上述公式(3)～公式(7)中，H为影像光束IL的偏移量。Y为第一入光面IS1至这些第一分光元件的最后一片分光元件811_4 中心位置的长度。S为第一入光面IS1至光栏的长度。P_y为这些第一分光元件811_1、811_2、811_3、811_4至第二入光面IS2的长度。P_x为第二入光面IS2至反射结构821的长度。X₁为第二波导元件820的长度。X₂为第三入光面IS3至这些第二分光元件的最后一片分光元件831_6中心位置的长度。R为这些第二分光元件的最后一片分光元件831_6中心位置至光瞳P的长度。θ_FOV为影像光束IL的发散角，θ_FOV＝θ_Mair，即是透镜模块142产生的视角(FOV)，也可以是光瞳P可接收到影像光束IL的视角，θ_MY为透镜模块142产生的视角于第一波导元件810中的影像光束IL的张角，θ_MX1为透镜模块142产生的视角于第二波导元件820中的影像光束IL的张角，θ_MX2为透镜模块142产生的视角于第三波导元件830中的影像光束IL的张角。N_MY为第一波导元件810的折射率。N_MX1为第二波导元件820的折射率。N_MX2为第三波导元件830的折射率。上述公式(3)～公式(7)适用于利用第一波导元件810、第二波导元件820以及第三波导元件830的相关特性参数，来决定影像光束IL的偏移量H。

在本实施例中，若增加上述的长度L，则影像光束IL的偏移量H将会对增加。相对的，若偏移量H超过光瞳P的长度，则使用者观看到的影像画面可能出现部分的视线范围被遮蔽的情况。因此，本实施例的头戴式显示装置800的第一波导元件810、第二波导元件820以及第三波导元件830的可基于上述公式(3)～公式(7)的条件下来调整相关特性参数。

在本实施例中，头戴式显示装置800可藉由设定第一波导元件810、第二波导元件820、第三波导元件830的折射率N_MY、N_MX1、 N_MX2，来对应调整长度L。具体来说，依据上述公式(3)～公式(7)，若分别增加第一波导元件810、第二波导元件820、第三波导元件 830的折射率N_MY、N_MX1、N_MX2的至少其中之一，则基于影像光束IL的偏移量H不变的情况下，可增加头戴式显示装置800的长度L。举例来说，第一波导元件810可选用折射率N_MY近似1.7 或大于1.7的材料，亦可为N_MY<2.0的材料，且第一波导元件810 所选用的折射率N_MY大于第二波导元件820的折射率N_MX1以及第三波导元件830的折射率N_MX2，以使影像光束IL进入第一波导元件810时能缩小角度(发散角θ_FOV同样缩小)，使影像光束IL 扩散的速度减慢，并且使影像光束IL可在偏移量H不变的基础下增加长度L。

再举例来说，若选用第一波导元件810的折射率N_MY为1.607，则长度L可达17毫米(mm)。在其他实施例中，若将提供影像光束IL的投影装置的透镜模块设计为长后焦镜头，则长度L可至少增加至22毫米。并且，若选用第一波导元件810的折射率N_MY为近似1.7或大于1.7，则长度L可进一步增加至30毫米以上。在其他实施例中，若进一步调整第三波导元件830的折射率N_MX2，则长度L可再进一步增加至35毫米。

在一实施例中，预设可接收的偏移量H最大值为34mm， Y＝14mm，S＝8mm，Py＝2mm，Px＝1.7mm，X2＝18mm，R＝19.2mm，以及第一波导元件810、第二波导元件820、第三波导元件830的折射率N_MY、N_MX1、N_MX2，且经由上述公式(3)～公式(7)计算可得， L为40mm即可得出X1为第二波导元件820的最大长度为 X1＝40mm，如此设计，可将第二波导元件820的长度拉长，可让使用者的视角变大不会被投影装置140所遮挡，使用者可观看到良好且完整的影像画面。

另外，第二波导元件820与第三波导元件830的折射率N_MX1、 N_MX2差异可设计在0.15以内(10％)，并且第二波导元件820与第三波导元件830之间的阿贝值(Abbe number)的差异也可设计在10(20％)以内，以降低影像光束IL的色散现象。

在另一实施例中，头戴式显示装置800亦可透过投影装置的镜头设计，降低影像光束IL在第一波导元件810中行经的路径长度Y-S，并且基于影像光束IL可在偏移量H不变的情况下增加长度L。因此，头戴式显示装置800可让使用者观看到具有良好的视线范围并且具有完整画面的影像画面。

值得注意的是，本实施例的头戴式显示装置800在满足上述公式(3)～公式(7)的条件下，可依据产品需求来调整第一波导元件 810、第二波导元件820、第三波导元件830的至少其中之一的折射率以及长度参数，包括直接增加第一波导元件810、第二波导元件820、第三波导元件830的整体元件尺寸，以使对应增加长度L，而不限于上述举例说明的实施方式。

图6绘示本发明又一实施例的头戴式显示装置的示意图。参考图6，在本实施例中，头戴式显示装置900包括第一波导元件 910、第二波导元件920、第三波导元件930以及反射元件950。反射元件950用于接收投影装置提供的影像光束，反射元件950 可为具有反射层的棱镜(未显示)，且投影装置提供的影像光束由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，本实施例的第二波导元件920采用上述图3C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3A以及图3B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，参考图4与6，由于这些第一分光元件911 以及这些第二分光元件931分别具有镀膜层，并且镀膜层仅能使得影像光束IL在特定入射角范围入射而穿透这些分光元件(第一分光元件911或者第二分光元件931)；因此，当影像光束IL在第一波导元件910以及第三波导元件930行进的过程中，以过大的入射角入射这些第一分光元件911以及这些第二分光元件931时，一部分的影像光束IL反而会在这些第一分光元件911以及这些第二分光元件931上发生反射。此非预期的反射光线会继续于第一波导元件910以及第三波导元件930中行进，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。

本发明提出投影装置提供的影像光束可仅具有单一极化方向。举例来说，影像光束由反射元件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可配置在投影装置与第一波导元件910之间、投影装置与反射元件950之间，或者反射元件950与第一波导元件910之间，以使由投影装置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)，并且影像光束由第一波导元件910经由第二波导元件920的反射结构入射至第三波导元件930，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。据此，本实施例的头戴式显示装置800可有效降低非预期的反射光线于第一波导元件910以及第三波导元件930中行进的情况。

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可配置在投影装置与第一波导元件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与第二波导元件920之间，以使由第一波导元件910入射至第三波导元件930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 以及第三波导元件930中行进的情况。

在本实施例中，头戴式显示装置900可选择性地配置偏振元件960、相位延迟片970，而不限于图6所示。在一实施例中，头戴式显示装置900也可只有配置偏振元件960在投影装置与第一波导元件910之间，或反射元件950与第一波导元件910之间。上述各实施方式皆可有效降低非预期的反射光线于第一波导元件 910以及第三波导元件930中行进，进而降低影像光束IL所提供的影像画面中的鬼影的情况。

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。在本发明的头戴式显示装置中，头戴式显示装置可适用多种第二波导元件的反射结构设计，以使来自于第一波导元件的影像光束可有效地经由第二波导元件入射至第三波导元件中。本发明的第二波导元件与第三波导元件可用于一体成形结构或用于不同材料。并且，本发明的头戴式显示装置可经由设计第一波导元件、第二波导元件以及第三波导元件的相关特性参数以使头戴式显示装置可满足条件式：P'＝(Y-S)+P_Y+P_X+X₁+X₂+R； L＝X₁+X₂-X_6PBS，或头戴式显示装置亦可满足另一条件式： H＝(Y-S+P_Y)·tanθ_MY+(P_X+X₁)·tanθ_MX1+X₂·tanθ_MX2+R·tanθ_MAir。其中，本发明的头戴式显示装置可调整第一波导元件、第二波导元件以及第三波导元件的折射率或长度，并且依据上述关系式来基于影像光束在偏移量不变的情况下，来对应设计第一波导元件、第二波导元件以及第三波导元件的其他特性参数。因此，头戴式显示装置可让使用者观看到具有良好的视线范围并且具有完整画面的影像画面。

此外，本发明的头戴式显示装置可进一步配置有一个偏振元件，使得在第一波导元件中行进的影像光束为单一极化方向的光且在第三波导元件中行进的影像光束为另一极化方向的光。或者本发明的头戴式显示装置可进一步配置一个偏振元件以及一个相位延迟片，使得在第一波导元件中行进的影像光束为单一极化方向的光且在第三波导元件中行进的影像光束为同一极化方向的光。

因此，本发明的头戴式显示装置可有效降低由影像光束提供的影像画面当中产生鬼影的情况。据此，本发明的头戴式显示装置可有效降低鬼影的情况，以提供良好的使用者体验。

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、500、600、700、800、900：头戴式显示装置

110、120、130、510、520、530、610、620、630、710、720、 730、810、820、830、910、920、930：波导元件

111_1、111_2、111_3、111_4、131_1、131_2、131_3、131_4、 131_5、131_6、531、631、731、811、811_1、811_2、811_3、811_4、 831、831_1、831_2、831_3、831_4、831_5、831_6、911、931：分光元件

121、521、621、721：反射结构

140、840：投影装置

141：显示器

142：透镜模块

850、950：反射元件

960：偏振元件

970：相位延迟片

C：放大区域

ES1：第一出光面

ES2：第二出光面

ES3：第三出光面

IS1：第一入光面

IS2：第二入光面

IS3：第三入光面

IL：影像光束

X：第一轴

Y：第二轴

Z：第三轴

P：光瞳

FP：光栏

θ_FOV：发散角

S、Y、P_X、P_Y、X₁、X₂、X_6PBS、L、R：长度

H：偏移量

Claims (18)

1.一种头戴式显示装置，其特征在于，包括：

投影装置，用于提供影像光束；

第一波导元件，包括第一入光面、第一出光面以及多个第一分光元件，其中在所述影像光束的传递路径上，这些第一分光元件位于所述第一入光面与所述第一出光面之间，且来自于所述投影装置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，且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；

第二波导元件，包括第二入光面、反射结构以及第二出光面，其中在所述影像光束的传递路径上，所述反射结构位于所述第二入光面与所述第二出光面之间，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，所述反射结构用于反射来自于所述第二入光面的所述影像光束，且所述影像光束经由所述第二出光面离开所述第二波导元件；以及

第三波导元件，连接于所述第二波导元件，并包括第三入光面、第三出光面以及多个第二分光元件，其中在所述影像光束的传递路径上，这些第二分光元件位于所述第三入光面与所述第三出光面之间，来自于所述第二波导元件的所述影像光束经由所述第三入光面入射所述第三波导元件，且所述影像光束经由所述第三出光面离开所述第三波导元件，其中所述第二波导元件的所述第二出光面接合所述第三波导元件的所述第三入光面。

2.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隙。

3.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三波导元件之间具有间隙。

4.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述第二波导元件与所述第三波导元件为不同折射率。

5.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述反射结构由多个光学微结构所组成。

6.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述反射结构为反射面。

7.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述影像光束用于收敛于光栏，这些第一分光元件的第一片分光元件位于所述光栏与所述投影装置之间。

8.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述第二入光面面对所述第一出光面，所述第二出光面连接所述第二入光面，所述第三入光面连接所述第二出光面与所述第三出光面。

9.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述第二入光面与所述第三入光面面对所述第一出光面。

10.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述第一波导元件具有第一折射率，并且所述第一折射率近似1.7或大于1.7。

11.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述第二波导元件的第二折射率与所述第三波导元件的第三折射率的差值近似0.15或小于0.15。

12.如权利要求11所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述第二波导元件与所述第三波导元件之间的阿贝值的差异也可设计在10(20％)以内，以降低所述影像光束的色散现象。

13.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，来自于所述第三波导元件的所述影像光束用于入射光瞳，并且所述头戴式显示装置满足：

P'＝(Y-S)+P_Y+P_X+X₁+X₂+R；L＝X₁+X₂-X_6PBS；

其中P’为所述影像光束在所述头戴式显示装置中传导且至所述光瞳的路径长度，Y为所述第一入光面至这些第一分光元件的最后一片分光元件中心位置的长度，S为所述第一入光面至所述光栏的长度，P_Y为这些第一分光元件中心位置至所述第二入光面的长度，P_X为所述第二入光面至所述反射结构的长度，X₁为所述第二波导元件的长度，X₂为所述第三入光面至这些第二分光元件的最后一片分光元件中心位置的长度，R为这些第二分光元件的所述最后一片分光元件中心位置至所述光瞳的长度，L为所述第二波导元件的一端至这些第二分光元件的第一片分光元件中心位置的长度，X_6PBS为这些第二分光元件的所述第一片分光元件中心位置至所述最后一片分光元件中心位置的长度。

14.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，来自于所述第三波导元件的所述影像光束用于入射光瞳，所述头戴式显示装置满足：

H＝(Y-S+P_Y)·tanθ_MY+(P_X+X₁)·tanθ_MX1+X₂·tanθ_MX2+R·tanθ_MAir；

其中θ_MAir＝θ_FOV、以及

其中H为所述影像光束的偏移量，Y为所述第一入光面至这些第一分光元件的最后一片分光元件中心位置的长度，S为所述第一入光面至所述光栏的长度，P_Y为这些第一分光元件中心位置至所述第二入光面的长度，P_X为所述第二入光面至所述反射结构的长度，X₁为所述第二波导元件的长度，X₂为所述第三入光面至这些第二分光元件的最后一片分光元件中心位置的长度，R为这些第二分光元件的所述最后一片分光元件中心位置至所述光瞳的长度，θ_FOV为所述影像光束的发散角，N_MY为所述第一波导元件的折射率，N_MX1为所述第二波导元件的折射率，N_MX2为所述第三波导元件的折射率。

15.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，还包括：

偏振元件，配置于所述投影装置以及所述第一波导元件之间，通过其中来自于所述偏振元件的所述影像光束具有第一极化方向，行进于所述第一波导元件中的所述影像光束具有所述第一极化方向，行进于所述第三波导元件中的所述影像光束具有第二极化方向，且所述第一极化方向垂直于所述第二极化方向。

16.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，还包括：

偏振元件，配置于所述投影装置以及所述第一波导元件之间，通过其中来自于所述偏振元件的所述影像光束具有第一极化方向，行进于所述第一波导元件中的所述影像光束具有所述第一极化方向；以及

相位延迟片配置于所述第一波导元件与所述第二波导元件之间，具有所述第一极化方向的所述影像光束从所述第一波导元件射入至所述相位延迟片中，具有所述第一极化方向的所述影像光束通过所述相位延迟片，使得行进于所述第三波导元件中的所述影像光束具有所述第一极化方向。

17.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述第一波导元件的折射率大于所述第二波导元件的折射率。

18.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述第一波导元件的折射率大于所述第三波导元件的折射率。