CN113835223A - 头戴式显示器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种头戴式显示器，其包括穿透式显示器、第一透镜、第二透镜以及分光镀膜。穿透式显示器具有一主动面。穿透式显示器在主动面上产生显示影像光束。第一透镜具有朝向穿透式显示器的主动面的第一表面，以及与第一表面相对的第二表面。第二透镜具有相对的第三表面以及第四表面。分光镀膜设置在第一透镜的第二表面与第二透镜的第三表面间。其中第二透镜的第三表面与第一透镜的第二表面通过分光镀膜相互贴合，第一透镜为凸透镜，第二透镜为凹透镜。本发明的头戴式显示器可有效扩大视野。
Description
技术领域
本发明涉及一种头戴式显示器，且特别是涉及一种可扩大视野的头戴式显示器。
背景技术
大视野(field of view,FOV)与体积小型化是扩增实境的头戴式显示设备中非常重要的指标。目前市售的扩增实境技术，为了兼顾光学式透视(optical see through)的功能，均是通过设置特定的光学组件来产生人眼所需的放大虚像，并同时让使用者得以同时看到周遭环境。而现有技术中所设置的光学组件所产生的体积与重量，往往令视野的扩增变得非常困难，并多半只能达到53度以下的视野范围，使得搭配扩增实境呈现的内容和应用设计上有诸多限制。而基于视野范围受到限制，也严重影响使用者的沉浸感，导致虚拟现实平台上的内容难以兼容于扩增实境装置。
发明内容
本发明是针对一种，在兼顾轻量化的条件下，可有效扩充视野的范围的头戴式显示器。
根据本发明的实施例，头戴式显示器包括穿透式显示器、第一透镜、第二透镜以及分光镀膜。穿透式显示器具有主动面。穿透式显示器在主动面上产生显示影像光束。第一透镜具有朝向穿透式显示器的主动面的第一表面，以及与第一表面相对的第二表面。第二透镜具有相对的第三表面以及第四表面。分光镀膜设置在第一透镜的第二表面与第二透镜的第三表面间。其中第二透镜的第三表面与第一透镜的第二表面通过分光镀膜相互贴合，第一透镜为凸透镜，第二透镜为凹透镜。
基于上述，本发明实施例通过设置相互贴合的第一透镜、分光镀膜以及第二透镜。并藉以通过反射穿透式显示器所产生的显示影像光束，并可同时透射外部的环境光束。如此一来，在没有增大头戴式显示器的尺寸下，有效扩大头戴式显示器的视野。在轻薄设计的前提下，可有效提升显示质量。
附图说明
包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明一实施例的头戴式显示器的示意图；
图2为本发明实施例的头戴式显示设备中，第一透镜、第二透镜以及分光镀膜所产生的光路走向的示意图；
图3A至图3C为本发明实施例的影像光束的传递动作的示意图。
附图标号说明:
100：头戴式显示器；
110、310：穿透式显示器；
120、210、320：第一透镜；
130、220、330：第二透镜；
140、230、340：分光镀膜；
AF：主动面；
NAF：非主动面；
SF1～SF4：表面；
TG：目标区；
LB11、LB12、LB21～LB23：光束；
RLB11、RLB12：反射光束；
IMB：显示影像光束；
RIMB：反射显示影像光束；
ALB：环境光束；
FALB：聚焦后环境光束。
具体实施方式
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
请参照图1，图1绘示本发明一实施例的头戴式显示器的示意图。头戴式显示器100包括穿透式显示器110、第一透镜120、第二透镜130以及分光镀膜140。穿透式显示器110具有主动面AF。穿透式显示器110用以在主动面AF上产生显示影像光束。第一透镜120具有第一表面SF1及第二表面SF2。第一透镜120的第一表面SF1朝向穿透式显示器110的主动面。第一透镜120的第二表面SF2则与第一透镜120的第一表面SF1相对。第二透镜130具有相对的第三表面SF3及第四表面SF4。分光镀膜140则设置在第一透镜120的第二表面SF2以及第二透镜130的第三表面SF3间。在本实施例中，第二透镜130的第三表面SF3通过分光镀膜140以与第一透镜120的第二表面SF2相互贴合。
在本实施例中，第一透镜120为一凸透镜，第二透镜130则为一凹透镜。而穿透式显示器110的主动面AF上所产生的显示影像光束可被投射至第一透镜120的第一表面SF1，显示影像光束并可进一步被传送至第一透镜120的第二表面SF上的分光镀膜140。分光镀膜140可反射针对所接收到的显示影像光束以产生反射显示影像光束，并使反射显示影像光束透射穿透式显示器110，并被投射至一目标区TG。其中目标区TG为头戴式显示器100的出瞳(Exit Pupil)位置，对应于头戴式显示器100的用户的眼球的位置。头戴式显示器100的使用者的眼球则朝向穿透式显示器110的非主动面NAF。
在另一方面，在本实施例中，环境光束可由第二透镜130的第四表面SF4来接收。环境光束可被传送至第二透镜130的第三表面SF3，穿透分光镀膜140，并依据第二透镜130以及第一透镜120所产生的聚焦作用以产生聚焦环境光束。聚焦环境光束可被传送以通过穿透式显示器110，并被传送至目标区TG。
在此请注意，在本实施例中，第一透镜120的第一表面SF1可具有第一曲率CR1，第一透镜120的第二表面SF2具有第二曲率CR2，其中第一曲率CR1的绝对值小于第二曲率CR2的绝对值。第二透镜130的第三表面SF3可具有第三曲率CR3，第二透镜130的第四表面SF4具有第四曲率CR4，其中第三曲率CR3的绝对值大于第四曲率CR4的绝对值。此外，第一曲率CR1与第四曲率CR4可以是相同的，且第二曲率CR2与第三曲率CR3相加可以等于0。
具体来说，第一透镜120的第二表面SF2可以是一凸面，第二透镜130的第三表面SF3可以是一凹面。另外，第一透镜120的第一表面SF1以及第二透镜130的第四表面SF4可以为具有相同曲率的平面，或具有相同曲率的曲面。
附带一提的，在本实施例中，穿透式显示器110、第一透镜120、分光镀膜140以及第二透镜130可以被设置在头戴式显示器100的管体(tube)中。
以下请参照图2，图2绘示本发明实施例的头戴式显示设备中，第一透镜、第二透镜以及分光镀膜所产生的光路走向的示意图。在图2中，第一透镜210具有相对的第一表面SF1以及第二表面SF2。第二透镜220具有相对的第三表面SF3以及第四表面SF4。第一透镜210的第二表面SF2与第二透镜220的第三表面SF3间则具有相互胶合的分光镀膜230。此外，第一透镜210的第二表面SF2为一凸面，第二透镜220的第三表面SF3则可以为一凹面。
在图2中，光束LB11被投射至第一透镜210的第一表面SF1。第一透镜210并偏折光束LB11以产生光束LB12，其中LB12在第一透镜210中行进，并被传送至第一透镜210的第二表面SF2上的分光镀膜230。分光镀膜230使光束LB12发生反射，并产生反射光束RLB11。反射光束RLB11由第一透镜210的第二表面SF2往第一透镜210的第一表面SF1的方向行进，并在第一透镜210的第一表面SF1上产生偏折以产生反射光束RLB12。反射光束RLB12则可被投射至目标区。
在另一方面，另一光束LB21可由第二透镜220的第四表面SF4的外侧，传送至第二透镜220的第四表面SF4上。第二透镜220可偏折光束LB21以产生光束LB22，并使光束LB22在第二透镜220中行进，并传送至第二透镜220的第三表面SF3上的分光镀膜230。分光镀膜230可使光束LB22穿透，并传送至第一透镜210中。在当光束LB22传送至第一透镜210的第一表面SF1上时，可发生再一次的光路偏折，并产生光束LB23以传出第一透镜210。光束LB23并可被传送至目标区。
以下请参照图3A至图3C，图3A至图3C会本发明实施例的影像光束的传递动作的示意图。在图3A中，穿透式显示器310通过主动面以产生显示影像光束IMB。显示影像光束IMB被投射至第一透镜320，并经由第一透镜320的第一表面SF1以传送至第二表面SF2上的分光镀膜340。
分光镀膜340则用以反射显示影像光束IMB以产生反射显示影像光束RIMB。反射显示影像光束RIMB则穿过第一透镜320的第一表面SF1而被传送至穿透式显示器310后的目标区TG。
在本实施例中，显示影像光束IMB可以为一虚拟现实影像的影像光束，通过传送至目标区TG的反射显示影像光束RIMB，可让使用者顺利观察到穿透式显示器310主动面上所产生的虚拟现实影像。
在图3B中，环境光束ALB可由第二透镜330的第四表面SF4的外侧，传送至第二透镜330的第四表面SF4上。环境光束ALB可依序穿过第二透镜330的第四表面SF4、分光镀膜340以及第一透镜320的第一表面SF1，并通过第二透镜330以及第一透镜320所产生的聚焦效果，产生聚焦后环境光束FALB。聚焦后环境光束FALB可被投射至目标区TG。如此一来，大范围的环境光束ALB可被聚焦并投射至目标区TG，以让使用者可观察到大视野范围的环境影像。
图3C则为图3A以及图3B的合并。其中通过第一透镜320、分光镀膜340以及第二透镜330的设置，穿透式显示器310所产生的显示影像以及环境影像，可以分别通过反射显示影像光束以及聚焦后环境光束以同时或分时投射至目标区TG中。如此一来，可让使用者观察到虚拟现实、扩增实境或混合实境的显示效果。
综上所述，本发明通过在头戴式显示设备的管体中设置透镜组，并利用透镜组中的分光镀膜以反射部分光束并透射另一部分光束，并由此获得扩大视野的效果。如此一来，本发明的在头戴式显示设备可基于轻薄短小的设计下，并达到扩大视野的效果，有效提升头戴式显示设备的产品竞争力。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种头戴式显示器，其特征在于，包括：
穿透式显示器，具有主动面，所述穿透式显示器在所述主动面上产生显示影像光束；
第一透镜，具有朝向所述穿透式显示器的所述主动面的第一表面，以及与所述第一表面相对的第二表面；
第二透镜，具有相对的第三表面以及第四表面；以及
分光镀膜，设置在所述第一透镜的所述第二表面与所述第二透镜的所述第三表面间，
其中所述第二透镜的所述第三表面与所述第一透镜的所述第二表面通过所述分光镀膜相互贴合，所述第一透镜为凸透镜，所述第二透镜为凹透镜。
2.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，所述穿透式显示器还具有与所述主动面相对的非主动面，其中所述非主动面朝向使用者。
3.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，所述第一透镜的所述第一表面具有第一曲率，所述第一透镜的所述第二表面具有第二曲率，所述第一曲率的绝对值小于所述第二曲率的绝对值。
4.根据权利要求3所述的头戴式显示器，其特征在于，所述第二透镜的所述第三表面具有第三曲率，所述第二透镜的所述第四表面具有第四曲率，其中所述第三曲率的绝对值大于所述第四曲率的绝对值。
5.根据权利要求4所述的头戴式显示器，其特征在于，所述第一曲率与所述第四曲率相同。
6.根据权利要求4所述的头戴式显示器，其特征在于，所述第二曲率与所述第三曲率相加等于0。
7.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，所述分光镀膜反射所述显示画面，并传送反射显示影像光束至目标区。
8.根据权利要求7所述的头戴式显示器，其特征在于，所述第二透镜的所述第四表面接收环境光束，所述分光镀膜透射所述环境光束，所述第二透镜以及所述第一透镜并聚焦所述环境光束并使一聚焦后环境光束被传送至所述目标区。
9.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，所述第一透镜的所述第二表面、所述分光镀膜以及所述第二透镜的所述第三表面相互胶合。
10.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，所述目标区为所述头戴式显示器的出瞳位置。
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