TW202144857A

TW202144857A - 頭戴式顯示器

Info

Publication number: TW202144857A
Application number: TW109118044A
Authority: TW
Inventors: 蔡孟哲; 劉奎均; 周敬家; 王生樂
Original assignee: 宏達國際電子股份有限公司
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2020-05-29
Publication date: 2021-12-01

Abstract

頭戴式顯示器包括穿透式顯示器、第一透鏡、第二透鏡以及分光鍍膜。穿透式顯示器具有一主動面。穿透式顯示器在主動面上產生顯示影像光束。第一透鏡具有朝向穿透式顯示器的主動面的第一表面，以及與第一表面相對的第二表面。第二透鏡具有相對的第三表面以及第四表面。分光鍍膜設置在第一透鏡的第二表面與第二透鏡的第三表面間。其中，第二透鏡的第三表面與第一透鏡的第二表面透過分光鍍膜相互貼合，第一透鏡為凸透鏡，第二透鏡為凹透鏡。

Description

頭戴式顯示器

本發明是有關於一種頭戴式顯示器，且特別是有關於一種可擴大視野的頭戴式顯示器。

大視野（field of view, FOV）與體積小型化是擴增實境的頭戴式顯示裝置中非常重要的指標。目前市售的擴增實境技術，為了兼顧光學式透視（optical see through）的功能，均是透過設置特定的光學元件來產生人眼所需的放大虛像，並同時讓使用者得以同時看到周遭環境。而習知技術中所設置的光學元件所產生的體積與重量，往往令視野的擴增變得非常困難，並多半只能達到53度以下的視野範圍，使得搭配擴增實境呈現的內容和應用設計上有諸多限制。而基於視野範圍受到限制，也嚴重影響使用者的沉浸感，導致虛擬實境平台上的內容難以兼容於擴增實境裝置。

本發明提供一種頭戴式顯示器，在兼顧輕量化的條件下，可有效擴充視野的範圍。

本發明的頭戴式顯示器包括穿透式顯示器、第一透鏡、第二透鏡以及分光鍍膜。穿透式顯示器具有一主動面。穿透式顯示器在主動面上產生顯示影像光束。第一透鏡具有朝向穿透式顯示器的主動面的第一表面，以及與第一表面相對的第二表面。第二透鏡具有相對的第三表面以及第四表面。分光鍍膜設置在第一透鏡的第二表面與第二透鏡的第三表面間。其中，第二透晶的第三表面與第一透鏡的第二表面透過分光鍍膜相互貼合，第一透鏡為凸透鏡，第二透鏡為凹透鏡。

基於上述，本發明實施例透過設置相互貼合的第一透鏡、分光鍍膜以及第二透鏡。並藉以透過反射穿透式顯示器所產生的顯示影像光束，並可同時透射外部的環境光束。如此一來，在沒有增大頭戴式顯示器的尺寸下，有效擴大頭戴式顯示器的視野。在輕薄設計的前提下，可有效提升顯示品質。

請參照圖1，圖1繪示本發明一實施例的頭戴式顯示器的示意圖。頭戴式顯示器100包括穿透式顯示器110、第一透鏡120、第二透鏡130以及分光鍍膜140。穿透式顯示器110具有主動面AF。穿透式顯示器110用以在主動面AF上產生顯示影像光束。第一透鏡120具有第一表面SF1及第二表面SF2。第一透鏡120的第一表面SF1朝向穿透式顯示器110的主動面。第一透鏡120的第二表面SF2則與第一透鏡120的第一表面SF1相對。第二透鏡130具有相對的第三表面SF3及第四表面SF4。分光鍍膜140則設置在第一透鏡120的第二表面SF2以及第二透鏡130的第三表面SF3間。在本實施例中，第二透鏡130的第三表面SF3透過分光鍍膜140以與第一透鏡120的第二表面SF2相互貼合。

在本實施例中，第一透鏡120為一凸透鏡，第二透鏡130則為一凹透鏡。而穿透式顯示器110的主動面AF上所產生的顯示影像光束可被投射至第一透鏡120的第一表面SF1，顯示影像光束並可進一步被傳送至第一透鏡120的第二表面SF上的分光鍍膜140。分光鍍膜140可反射針對所接收到的顯示影像光束以產生反射顯示影像光束，並使反射顯示影像光束透射穿透式顯示器110，並被投射至一目標區TG。其中，目標區TG為頭戴式顯示器100的出瞳（Exit Pupil）位置，對應於頭戴式顯示器100的使用者的眼球的位置。頭戴式顯示器100的使用者的眼球則朝向穿透式顯示器110的非主動面NAF。

在另一方面，在本實施例中，環境光束可由第二透鏡130的第四表面SF4來接收。環境光束可被傳送至第二透鏡130的第三表面SF3，穿透分光鍍膜140，並依據第二透鏡130以及第一透鏡120所產生的聚焦作用以產生聚焦環境光束。聚焦環境光束可被傳送以透過穿透式顯示器110，並被傳送至目標區TG。

在此請注意，在本實施例中，第一透鏡120的第一表面SF1可具有第一曲率CR1，第一透鏡120的第二表面SF2具有第二曲率CR2，其中，第一曲率CR1的絕對值小於第二曲率CR2的絕對值。第二透鏡130的第三表面SF3可具有第三曲率CR3，第二透鏡130的第四表面SF4具有第四曲率CR4，其中，第三曲率CR3的絕對值大於第四曲率CR4的絕對值。此外，第一曲率CR1與第四曲率CR4可以是相同的，且第二曲率CR2與第三曲率CR3相加可以等於0。

具體來說，第一透鏡120的第二表面SF2可以是一凸面，第二透鏡130的第三表面SF3可以是一凹面。另外，第一透鏡120的第一表面SF1以及第二透鏡130的第四表面SF4可以為具有相同曲率的平面，或具有相同曲率的曲面。

附帶一提的，在本實施例中，穿透式顯示器110、第一透鏡120、分光鍍膜140以及第二透鏡130可以被設置在頭戴式顯示器100的管體（tube）中。

以下請參照圖2，圖2繪示本發明實施例的頭戴式顯示裝置中，第一透鏡、第二透鏡以及分光鍍膜所產生的光路走向的示意圖。在圖2中，第一透鏡210具有相對的第一表面SF1以及第二表面SF2。第二透鏡220具有相對的第三表面SF3以及第四表面SF4。第一透鏡210的第二表面SF2與第二透鏡220的第三表面SF3間則具有相互膠合的分光鍍膜230。此外，第一透鏡210的第二表面SF2為一凸面，第二透鏡220的第三表面SF3則可以為一凹面。

在圖2中，光束LB11被投射至第一透鏡210的第一表面SF1。第一透鏡210並偏折光束LB11以產生光束LB12，其中LB12在第一透鏡210中行進，並被傳送至第一透鏡210的第二表面SF2上的分光鍍膜230。分光鍍膜230使光束LB12發生反射，並產生反射光束RLB11。反射光束RLB11由第一透鏡210的第二表面SF2往第一透鏡210的第一表面SF1的方向行進，並在第一透鏡210的第一表面SF1上產生偏折以產生反射光束RLB12。反射光束RLB12則可被投射至目標區。

在另一方面，另一光束LB21可由第二透鏡220的第四表面SF4的外側，傳送至第二透鏡220的第四表面SF4上。第二透鏡220可偏折光束LB21以產生光束LB22，並使光束LB22在第二透鏡220中行進，並傳送至第二透鏡220的第三表面SF3上的分光鍍膜230。分光鍍膜230可使光束LB22穿透，並傳送至第一透鏡210中。在當光束LB22傳送至第一透鏡210的第一表面SF1上時，可發生再一次的光路偏折，並產生光束LB23以傳出第一透鏡210。光束LB23並可被傳送至目標區。

以下請參照圖3A至圖3C，圖3A至圖3C會本發明實施例的影像光束的傳遞動作的示意圖。在圖3A中，穿透式顯示器310透過主動面以產生顯示影像光束IMB。顯示影像光束IMB被投射至第一透鏡320，並經由第一透鏡320的第一表面SF1以傳送至第二表面SF2上的分光鍍膜340。

分光鍍膜340則用以反射顯示影像光束IMB以產生反射顯示影像光束RIMB。反射顯示影像光束RIMB則穿過第一透鏡320的第一表面SF1而被傳送至穿透式顯示器310後的目標區TG。

在本實施例中，顯示影像光束IMB可以為一虛擬實境影像的影像光束，透過傳送至目標區TG的反射顯示影像光束RIMB，可讓使用者順利觀察到穿透式顯示器310主動面上所產生的虛擬實境影像。

在圖3B中，環境光束ALB可由第二透鏡330的第四表面SF4的外側，傳送至第二透鏡330的第四表面SF4上。環境光束ALB可依序穿過第二透鏡330的第四表面SF4、分光鍍膜340以及第一透鏡320的第一表面SF1，並透過第二透鏡330以及第一透鏡320所產生的聚焦效果，產生聚焦後環境光束FALB。聚焦後環境光束FALB可被投射至目標區TG。如此一來，大範圍的環境光束ALB可被聚焦並投射至目標區TG，以讓使用者可觀察到大視野範圍的環境影像。

圖3C則為圖3A以及圖3B的合併。其中，透過第一透鏡320、分光鍍膜340以及第二透鏡330的設置，穿透式顯示器310所產生的顯示影像以及環境影像，可以分別透過反射顯示影像光束以及聚焦後環境光束以同時或分時投射至目標區TG中。如此一來，可讓使用者觀察到虛擬實境、擴增實境或混合實境的顯示效果。

綜上所述，本發明透過在頭戴式顯示裝置的管體中設置透鏡組，並利用透鏡組中的分光鍍膜以反射部分光束並透射另一部分光束，並藉此獲得擴大視野的效果。如此一來，本發明的在頭戴式顯示裝置可基於輕薄短小的設計下，並達到擴大視野的效果，有效提升頭戴式顯示裝置的產品競爭力。

100:頭戴式顯示器 110、310:穿透式顯示器 120、210、320:第一透鏡 130、220、330:第二透鏡 140、230、340:分光鍍膜 AF:主動面 NAF:非主動面 SF1~SF4:表面 TG:目標區 LB11、LB12、LB21~LB23:光束 RLB11、RLB12:反射光束 IMB:顯示影像光束 RIMB:反射顯示影像光束 ALB:環境光束 FALB:聚焦後環境光束

圖1繪示本發明一實施例的頭戴式顯示器的示意圖。圖2繪示本發明實施例的頭戴式顯示裝置中，第一透鏡、第二透鏡以及分光鍍膜所產生的光路走向的示意圖。圖3A至圖3C會本發明實施例的影像光束的傳遞動作的示意圖。

100:頭戴式顯示器

110:穿透式顯示器

120:第一透鏡

130:第二透鏡

140:分光鍍膜

AF:主動面

NAF:非主動面

SF1~SF4:表面

TG:目標區

Claims

一種頭戴式顯示器，包括：一穿透式顯示器，具有一主動面，該穿透式顯示器在該主動面上產生一顯示影像光束；一第一透鏡，具有朝向該穿透式顯示器的該主動面的一第一表面，以及與該第一表面相對的一第二表面；一第二透鏡，具有相對的一第三表面以及一第四表面；以及一分光鍍膜，設置在該第一透鏡的該第二表面與該第二透鏡的該第三表面間，其中，該第二透鏡的該第三表面與該第一透鏡的該第二表面透過該分光鍍膜相互貼合，該第一透鏡為凸透鏡，該第二透鏡為凹透鏡。
如請求項1所述的頭戴式顯示器，其中該穿透式顯示器更具有與該主動面相對的一非主動面，其中該非主動面朝向使用者。
如請求項1所述的頭戴式顯示器，其中該第一透鏡的該第一表面具有一第一曲率，該第一透鏡的該第二表面具有一第二曲率，該第一曲率的絕對值小於該第二曲率的絕對值。
如請求項3所述的頭戴式顯示器，其中該第二透鏡的該第三表面具有一第三曲率，該第二透鏡的該第四表面具有一第四曲率，其中該第三曲率的絕對值大於該第四曲率的絕對值。
如請求項4所述的頭戴式顯示器，其中該第一曲率與該第四曲率相同。
如請求項4所述的頭戴式顯示器，其中該第二曲率與該第三曲率相加等於0。
如請求項1所述的頭戴式顯示器，其中該分光鍍膜反射該顯示畫面，並傳送一反射顯示影像光束至一目標區。
如請求項7所述的頭戴式顯示器，其中該第二透鏡的該第四表面接收一環境光束，該分光鍍膜透射該環境光束，該第二透鏡以及該第一透鏡並聚焦該環境光束並使一聚焦後環境光束被傳送至該目標區。
如請求項1所述的頭戴式顯示器，其中該第一透鏡的該第二表面、該分光鍍膜以及該第二透鏡的該第三表面相互膠合。
如請求項1所述的頭戴式顯示器，其中該目標區為該頭戴式顯示器的出瞳位置。