TW508454B - Compact optical system and packaging for head mounted display - Google Patents

Description

508454 A7 B7 五、發明說明（） 發明领域： 本發明係關於小型光學系統，特別是在顯示器上使 用的小型光學系統。例如，可穿式個人電腦系統，架設在 頭部之顯示器，移動式電話及其它類似產品。 發明背景： 虛擬影像顯示器結合放大光學與一小的影像平板，以 提供觀眾能夠使用虛擬影像來顯示大量的資訊。此顯示器 可應用在頭戴式顯示器及使用在以電腦為基礎的裝置 上，來做不同的應用。已知的電腦為基礎的裝置，包含了 處理及顯示驅動電器回路以產生影像的訊號，藉由此光學 及影像平板來顯示。 無論如何，如此的傳統式虛擬影像顯示器有很多的缺 點。例如，這樣的顯示器太重而無法舒適的使用，而且太 大以致有壓迫感，令人發狂及分不清方向。這些缺點，尤 其在於相對巨大的光學系統被結合在架設結構之中，原因 是物體設計時，未能適合的考慮到重要的人類因素如尺 寸，形狀，重量等等。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在第1圖及第2圖中為一些傳統的架設在頭部的虛擬 影像顯示器的例子。第丨圖顯示一架設在頭部的虛擬影像 顯示器10其在使用者的頭及臉如同一副眼鏡一樣，使用 者透過顯示部分12來看虛擬影像，鼻橋14及侧邊支撐16 提供支撐的服務，當此顯示器再使用者的頭及臉上時，此 架設在頭部的虛擬影像顯示器ίο可藉由連接器18連接至 第5頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 508454 A7 B7 五、發明說明（） 一電腦。眾所皆知如此的元件是不方便的，且穿戴者實質 上除了顯示螢幕外無法看到其他的東西。也就是說，使用 者無法JL即看到他的環境。以此架設在頭部的虛擬影像顯 示器揭露在一國際的專利申請如W0 95/1 1473中，在此列 入參考文件。 第2圖顯示一架設在頭部的單眼虛擬顯示器2〇。該支 撐結構1 2放置在使用者的頭部及顯示器的部分1 4可降下 至使用者視場之中。此設計也不方便並且妨礙使用者的觀 察環境’如此架設在頭部的單眼虛擬影像顯示器揭露在一 國際的專利申請W095/1 1473中。 其他傳統小型顯示器系統及裝置在頭部的顯示器的例 子被揭露在美國專利號碼5,771，124 (申請人：Kintz等 人），美國專利號碼5,757,339(申請人：Williams等人） 及美國專利號碼5,844,656(中請人：R0nzani等人），在此 列入參考文件。更進一步，眾所皆知的Sony公司製造一 架設於頭上的虛擬影像顯示器稱為”GlassUon”。 無論如何，全部的例子均為了上面所提到一個或多個 的設計缺陷所苦惱。如此的缺陷嚴重防礙一般大眾的接受 度。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 小型光學系統使用在虛擬影像顯示器應用上並改進 先前技術’乃描述於2個美國專利申請中，且同為本案之 申請人，美國專利序號為09/43 7,972及09/43 7,793，兩者 皆申請於1 999年1 1月1 〇日，其所揭露的内容在此列入 參考文件。 第6頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱)~' 1 508454 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（ 但是，小型光學系統在顯示裝置的使用仍有需求，例 如，個人裝置如可穿戴式個人電腦，架設在頭上的顯示 器，可移動電話及其他類似產品。它們在實質上可降低或 清除上述的缺點和其他沒有特別提到相關的存在技術，及 /或改善描述於以上參考美國專利申請序號〇9/437,972 及09/437,973的小型光學系統的設計。 發明目的及概述： 本發明提供一光學系統設計，用於顯示裝置上。例 如’架設在頭部的虛擬影像顯示器，其可消除在傳統設計 上的缺點’例如’非常大的尺寸及重量，妨礙視覺等等。 如此新穎的設計將使得，例如可穿式電腦系統變得較為方 便並為較多使用者所接受。 一根據本發明的小型光學系統的實施例，以導引影像 訊號至使用者。其中此影像訊號由微顯示器產生；此光學 系統至少包含：一分光棱鏡放置在緊鄭微顯示器；一場鏡 片放置分光棱鏡與微顯示器之間；一負鏡片放置在場鏡 片與分光棱鏡之間；一反射鏡片放置在緊鄭分光棱鏡，在 分光棱鏡與微顯示器相反的一邊；及一四分之一波平板 被放置在反射鏡片與分光棱鏡之間；其中分光棱鏡，場鏡 片，負鏡片，反射鏡片及四分之一波平板被排列使得微顯 示器的影像訊號，被線性極化：（a)穿過場鏡片與負鏡片； (b)進入分光稜鏡實質上穿過分光棱鏡的一偏光表面；（c) 穿過四分之一波平板，變成環狀偏光；（d)反射在反射鏡的 第7頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱）

508454 A7 B7 五、發明說明（） 表面回到四分之一波平板並穿過此四分之一波平板第2 次，變成線性偏光，使偏光方向與原來影像訊號偏光的方 向呈90度旋轉；及（e)再進入分光棱鏡確實的反射在此分 光棱鏡的偏光表面及離開此分光棱鏡來提供使用者觀 看。 根據本發明的實施例，一架設在頭部的虛擬影像顯示 器，此顯示器是一小尺寸及重量輕及結合一高性能的光學 系統，如上述，可提供一清楚的看穿能力。當這些不使用 有看穿能力的例子時，結合移動式光線遮蔽罩。結合—焦 距調整’以允許影像的調焦，例如，從1 8吋到無限遠的 距離，結合可調整式頭帶用於使用者的頭。結合彈性的支 臂結構，用來光學組合細微位置調整。結合滑塊及球接頭 機構，也可方便此光學組合位置的調整。結合内建式麥克 風可讓使用者進行語言輸入。 體察有關於此架設在頭部的虛擬影像顯示器單元，可 被舒適的與眼睛或安全眼鏡同時使用，並提供一有用的影 像給使用者’且不會妨礙四周5衣i兄的視線。此元件被設計 成惹人喜歡的外觀，可加強使用者接受度。 更進一步體察關於此架設在頭部的虛擬影像顯示器 元件，可與電腦為基礎的裝置結合。此電腦為基礎的裝置 可產生及提供一電子訊號至微顯示器’以產生影像訊號來 被使用者觀看。這結合的利益形成一移動示電腦系統。 本發明的特徵及利益將變得顯而易見，從以了的詳細 實施例的解說，並與所附圖相結合來閱讀。 第8頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---- #· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 508454 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _B7__五、發明說明（） 圖式簡單說明： 第1圖為一傳統的眼睛玻璃式裝置在頭上的虛擬影像顯示 器的圖例； 第2圖為一傳統單眼式裝置在頭上的虛擬影像顯示器的圖 例； 第3 A圖為根據本發明的實施例，一架設在頭部的虛擬影 像顯示器及以電腦為基礎的裝置的第一印象； 第3 B圖為根據本發明的實施例，一架設在頭部的虛擬影 像顯示器及以電腦為基礎的裝置的第二印象； 第4圖為根據本發明的實施例，一架設在頭部的虛擬影像 顯示器穿戴在使用者時的藝術表現； 第5圖為根據本發明的實施例，一虛擬顯示器光學系統； 第6A至6 C圖為根據本發明的實施例，強調其光學系統 的性能依序為散光，畴變及側向色彩； 第7圖為本發明的實施例，光學系統的設計參數。 第8圖為根據本發明的實施例，一架設在頭部的虛擬影像 顯示器的完整對焦機構及麥克風的位置； 第9A及9B圖為根據本發明的實施例，在一架設在頭部的 虛擬影像顯示器的移動光線遮蔽罩的開與關的位 置；及 第1 〇圖為根據本發明的實施例，在一架設在頭部的虛擬 影像顯示器的頭帶及調整箱/支臂調整機構。 (請先閱讀背面之注意事填^填寫本頁) I· η裝---- 1Τ---------#· 第9頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 508454 A7 B7 經 濟 部 智 慧 財 產 局 消 費 合 作 社 印 製 五、發明說明（ 圖號#照說__明： 10 架設在頭部的虛擬影像顯示器 12 支撐結構 14 鼻橋 16 側邊支撐 18 連接器 20 顯示器 30 電纜 100 光學模組 200 彈性支臂 300- 調整箱 302 鋸齒 400 耳機 500 頭帶 502 扣環 504 夾子 1000 背光 1100 微顯示器 1200 場鏡片 1300 負鏡片 1400 分光棱鏡 1410 偏光的表面 1500 反射鏡片 1600 四分之一波平板 1700 出光瞳 2200 托架 2500 螺絲 2600 旋4a 3200 光線遮蔽罩 4100 基礎部分 4110 凹槽 4200 滑動機構 4300 球接頭 4400 箭頭 4500 ,4600 箭頭方向 發明詳細誼日: …本發明的光㈣統設計將會在以下，架設在頭部的虛 擬影像顯示器的内文中解釋。盔 ^ ^ "如何，本發明並未被限 制在此特別的顯示器。反而， +心明是可應用在任何合適 第10貫 本紙張尺度賴中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297— 508454 A7 B7 五、發明說明（） 的顯示咨’並希望使用在一小型光學系統用來顯示與裝置 結合應用的影像上。如此的裝置可能為個人裝置如可穿戴 式個人電腦，裝置在頭上的顯示器，移動電話及其他類似 產品。 參考第3A圖及第3B圖，圖中為根據本發明的一架設 在頭邵的虛擬影像顯示器丨0及電腦為基礎的裝置2〇。一 電缓30是用來結合此電腦為基礎的裝置2〇與此裝置在頭 上的虛擬影像顯示器1〇。第3A圖及第3B圖，從不同的 方向描述裝置在頭上的虛擬影像顯示器1 〇。無論如何，這 電為基礎的裝置2 0最好有小的形狀參數，例如，口袋 型及重量輕。也最好有一夹子以附著在使用者的皮帶或口 袋。如此的電腦為基礎的裝置被認為是”可穿戴式電腦，，。 可穿戴式電腦包含全部或大部分標準的原件，可使用在個 人電腦’膝上型電腦，個人數位助理或其他内類似產品， 例如，一處理器（例如CPU)，固定的記憶體，可移動的記 憶體’顯示器驅動電路，外部網路（例如，網際網路）連接 裝置，應用軟體，等等。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 架設在頭部的虛擬影像顯示器1 〇至少包含：一光學 模組100; —彈性支臂200; —可調式調整箱3〇〇; —耳 機4 0 0 ;及一頭帶5 0 0。依照本發明較佳實施例，此光學 模組1 00至少包含一光學系統，一對焦機構，一移動光線 遮蔽罩及一整合的麥克風。此彈性支臂2〇0能夠微小的位 置控制此光學模組1 〇〇在使用者的眼前。例如，金屬或塑 膠，螺旋纏繞鵝頸管被使用在此彈性支臂上。此調整箱300 第11頁 • 本紙張尺度顧巾國魏標準（CNS)A4祕（21G X 297公爱)" " 508454 A7 五、發明說明（ 最好包含一移動及球接頭機構的組合，來控制支臂的位置 及角度。這個實施例將被更詳細的在第1〇圖的内容中說 明。當然，其他其它裝置可影響此光學模組的位置控制是 可使用的。在此例，耳機4〇〇是使用一連接線附著在調= :3〇0。、另外，也可附著在調整箱300直接向使用者的； 朵輸出或者附著在一調整箱3〇〇搖動向下的連桿。頭帶 5〇〇_是可調整的扣環5〇2及頭部的夾子5〇4。此頭帶通常 穿在涓的後面，無論如何，其他的安排是可能的。例如， 此π可盍在頭的上面，或者是，此調整箱3〇〇可被附著在 一頭盔上（未附圖）。 此彈性支臂2 0 0及調整箱3 0 0予許使用者移動光學模 組100，進入及離開視野，在此例中，為其右眼。當然， 此采叹在頭邵的虛擬影像顯示器1 0可被安排使用者以左 眼觀看的光學模組1 00。在這樣的例子，此架設在頭部的 虛擬影像顯示器1 〇可被翻轉來在左眼使用。或者，此架 設在頭部的虛擬影像顯示器1 〇可安排包含兩個獨立的顯 不器部分，也就是說，一個是右眼使用。一個是左眼使用。 使用本項技術的一或通常的技巧可暸解其他的結構。 因此，顯示單元1 0及電腦為基礎的裝置20的結合， 允許使用者觀看此電腦為基礎的裝置20所產生的虛擬的 資料。例如，從應用軟體，網路瀏覽器等等。這虛擬的訊 息藉由電纜3 0提供給顯示器。耳機400予許使用者收聽 由電腦為基礎的裝置2 0所產生的聲音資料。在光學模組 1 〇〇中的麥克風（顯示在第8圖），允許使用者使用聲音命 第12頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 請 先 閱 讀： 背 Sj 頁 I 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 508454 A7 B7 五、發明說明（ 令電腦 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 根據第3 A圖及第3 B圖以實例說明了一輕的可穿戴弋 電腦系統，至少包含了 一輕的架設在頭部的顯示器，包含 一小型光學系統，使用來連接一 口袋型可穿戴式電腦。杂 此光學系統被附著於使用的頭部，使用輕的支臂或帶予結 構，如圖所示，能夠達成全部的架設於頭部的顯示器的重 量大約2盎司或更少° 第4圖以實例說明根據本發明一架設於頭部的虛擬影 像顯示器單元1 〇，被穿戴於使用者身上的表現。如圖，光 學模組1 00是有利於移動進入使用者的左眼或右眼的视野 之中。因為非常小故不引人注目的且可允許無扭曲的视覺 穿過光學系統至外面世界。當顯示器被打開時，有足夠的 光線可以看得清楚在四周環境的情況。 根據本發明一較佳的光學系統的光學模組1 〇〇 ,現在 加以說明。當然，無論如何，本發明光學系統設計根據裳 置使用而不一定是第3A及3B圖中所說明的可穿戴式電腦 系統。在小型形狀係數且能夠顯示高品質的光學影像，所 以本發明的光學系統適合使用在許多種應用上。當此光學 系統使用後，一熟知此項技術者將可暸解其他應用。 更進一步，以下的實施例的相關詳細說明，本發明的 光學系統有著摺疊的光線路徑，他們是’’同軸n(on-axis)光 學而不是"自由形n(free form)光學。此光學系統能夠提供 在此描述的優點及特徵，如同熟知本項技術者將實現本發 明在此的講授。關於此術語π同軸”及”自由形π，我們將在 第13頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 請 先 閱 背 面 之 填， 寫驻 本衣 頁； I I訂 聲 508454 A7 B7 五、發明說明（ 以下解釋。一光束穿過許，.佳 ^ +的球形鏡片是垂直於此鏡頭且 中心穿過，即被定為光卓 、 ^ ^ 群先束成群穿過此鏡頭軸及 可被此鏡頭呈像。此手钫 ， 糸統的例子可能是一相機，顯微鏡， 望遠鏡，在較複雜的系统辛 十 、一 T、·死時，匕群先束可成群的形成一與 鏡頭傾斜的線；此被稱為，，離軸”（〇ff_axis)成像。 注意，標準的球形鏡片是與光轴對稱的。但是其他系 統不是放射線狀的對偁，且沒有一個如上面所定義清楚的 光軸’但是依然可完成一成像功。我們一般稱之為，，自 由形π光學。 現在參考第5圖是根據本發明的實施例，一虚擬顯示 光學系統。如同前面的說明，此光學系統是較佳的光學系 統被使用在此光學模組1〇〇。光線來自於背光1〇⑻，由二 極體（LEDS)發射出來標準的紅色，綠色及藍色光束，照亮 微顯示器1 1 00。在此實施例中，此微顯示器為一傳送式微 顯示器。傳送式的微顯示器被使用在本發明是可行的，例 如，從Kopin of Taunt〇n，MA。此種傳送式微顯示器可被 一發射式微顯示器取代，其光源在微顯示器的内部。發射 式的微顯示器使用在本發明也是可行的，例如，從ΡΙμμ of Beaverton，OR。此顯示器也可使用反射式微顯示器。反 射式微顯示器使用在本發明是可行的，例如， « Colorado

Microdisplay of Boulder，Co.。 在任何的例子，眾所皆知，此微顯示器應作用在顯示 器上的電子訊號而產生影像。此電子訊號可由，例如:、電 腦為基礎的裝置2〇(第3A及第3B圖）所提供。觀看此影像 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

請 先 閱 讀 背 面 之 注‘ 意 事 填▼· 寫裝 頁I I 訂 聲 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 508454 A7 B7 五、發明說明（） 以一場鏡片1 200，一負鏡片13〇〇，一分光棱鏡14〇〇, 一四 分I 一波平板1600及一反射鏡片15〇〇。一負鏡片包含一 各或多個外部内凹的表面，相較於一正鏡片其包含一各或 多個外部凸起的形狀。 光線k顯示器以線性偏光的穿過鏡片1 2 〇 〇及1 3 0 0進 入棱鏡1 4 0 0。光線的偏光是由於光線本質上被傳送穿過 棱銃1400的一偏光的表面141〇。然後此光線穿過四分之 一波平板1600而變成環形偏光。反射鏡片ι5〇〇有著反射 性的鍍膜（例如，金屬或電介體反射材料）在其的曲面上， 而使光線被反射回到四分之一波平板i 6 〇 〇。在此光線穿過 兩次四分之一波平板1600的情況下，此光線變成線性偏 光’且偏光方向被旋轉90。。此光線在進入棱鏡14〇〇且本 質的被偏光表面1 4 1 〇反射。光線離開棱鏡i 4〇〇及接近此 光學系統的出光瞳1 7 0 〇。此光學系統的出光瞳i 7 〇 〇通常 位於使用者觀看微顯示器Π 〇 〇的虛擬影像時眼睛的位 置。 這個設計的一個特徵為當眼晴穿過光學系統觀看外 面世界時不會有扭曲的景象。本發明這項設計特點，憑藉 棱鏡1400的進入表面1420及出口表面1430設計成本質 上相同的形狀或外觀。 此光學系統的另一特徵，光線從微顯示器1 1 〇 〇在出 光瞳1 7 0 0形成一虛擬影像，而此影像有著高品質及本質 的無像差。也就是說，此虛擬影像是本質的無散光，無側 像畸變及無側像顏色像差。 第15頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之瀵意事展^填寫本頁) ft裝--------訂--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 508454 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（） 此高性能的達成在結合場鏡片1200，負鏡片1 300， 棱鏡1400，四分之一波平板1600及反射鏡片1500如圖示 般的排列及合適的選擇材料。特別的，負鏡片1 3 00的材 料被選擇來與場鏡片1200及反射鏡片1 500相結合以消除 側像顏色像差。此光學模組較佳的鏡片及其他元件設計參 數，被提供在第7圖的内容之中。第6A至6C圖顯示第5 圖所示之光學系統的性能個別的圖例。在第6A圖中所示 為散光對場位置的關係。明顯的，影像場在〇·〇 1 6毫米（mm) 之間，及小於0.005mm的散光在徑向與切線方向之間。代 表著此影像為本質上完美的平坦及沒有散光。第6圖顯示 畸變對場位置的關係。從圖中可知，此光學系統有著全場 小於0.2%的畸變。在這項技術，這意味著此景象是本質的 沒有畸變。第6C圖顯示側向色彩對場位置的關係。我們 看取大的場位置，只有小於〇 · 〇 〇 3 m m的差異，在紅，綠及 藍色之間。最佳實施例的微顯示器有著圖素間距約 0.012mm，因此，此光學系統是本質的無側向顏色像差β 第7圖實施例說明了一本發明最佳實施例設計參數的 表。此表提供了此系統中每一個光學元件的表面號碼（攔 Α)’表面半徑或曲率（攔β)，表面的中心厚度（攔c)，表面 鏡徑半徑（攔D)及材料（欄Ε )。在此表中，SRF指的是，，表 面（surface)” ； OBJ 指的是”物件位置（object p〇siti〇n)，·； AST指的是’’鏡徑光闌（Aperture stop)" ; IMS指的是，，影像 表面（image surface)” ；及BK7和SF1是工業標準玻璃式 樣。同時也提供元件之間的空隙。在表中所列表面清單（依 第16頁 本紙張尺度過用r國國豕標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） -n I n n ϋ ϋ n n n n n Jrl · n i ϋ ϋ n n Jr,中 V n n n n el 1« ·ϋ I ri - 0 I t (請先閱讀背面之汝意事氣再填寫本頁) 508454 A7 五、發明說明（ 表面數字在欄A)，县贫r 疋弟5圖中光學系統元件（例如，分光 棱鏡，場鏡，等等）的 ^ 勺表面。第5圖中的元件與表面被一 致指示在第7圖左邊，、，t 您以括弧及相當第5圖的參考數字標 示。有了這些設計資扭 t二 、 ’ 一個熟知此項技術的人可以實現 及證實前述的光學系統的性能。 現在參考第8圖，根據本發明實施例架設於頭部之虛 擬顯示器，有著一占妖at 疋整的對焦機構及一完整的麥克風安 置，如同之前所述，i含此-μ、丄、逆丄， ^ k些疋件被安置在光學模組100如第 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 JA及第〇BS|。不用說，第8圖中證實了在此光學模組 中對，，:、機構及麥克風與外面的殼（罩子）是可移除的。關於 此％整的對焦特徵，—小型攜帶機構移動場鏡片1 200，微 顯示器1100及LED背光1〇〇〇,如第5圖中所示。以此來 對焦，此虛擬的影像在大約18英吋到無線遠的距離上。 場鏡片iSOO,微顯示器110〇及背光1〇⑽被固定於可移動 的托架2200上。托架2200使用一螺絲25〇〇及旋鈕26〇〇 延著軸移動。其他方便移動的操縱器裝置也可被使用。相 對於分光棱鏡1400移動托架22〇〇±lmm已足夠涵蓋影像 焦距所需的範圍。負鏡片13〇〇 ,棱鏡14〇〇，四分之一波 平板1600及反射鏡片1500 (座落在模組罩子的端蓋上，因 此播法在第8圖中看到），保持固定在此光學模組罩子的 内部。 第8圖也說明了一小型的麥克風27〇〇的放置位置。 此麥克風可以是直接形式。指向使用者的臉部而遠離四周 %境如此可取得使用者的聲音。也可以使用電線在麥克風 第17頁 ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 508454 A7

五、發明說明（） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 及光學系統貫穿彈性支臂200。如先前的 w日？敘述，在此光學 模組的元件如耳機400，可藉由一電纜3〇 私見川（罘3A及3B圖） 結合至一電腦為基礎的裝置。 第9Α及9Β圖說明了根據本發明的實施例架設在頭 部虛擬影像顯#器其移動式光線遮&罩在打開&關閉時 個別的位置。特別地，第9Α及第9Β圖展現出此光學模組 1 〇〇及整合在光學模组外殼上的光線遮蔽罩詳細的觀察’。 圖9Α中，光線遮蔽罩3200是在打開的位置（看穿=模 式）。因此，使用者觀看影像穿過光學模組1〇〇的透鏡能 夠看見從光學模組100後面所發散出來的光線。如圖，分 光棱鏡1400可被看見在第9Α圖中。在第9Β圖中，光線 遮蔽罩j200疋關上的，因此阻擔或大體上阻擒了背景光 線。當希望降低或者消除背景的光線時’光線遮蔽罩3 可被使用者沿著箭頭A方向滑動。當此虛擬顯示系統執行 時所需，此外部光線修正遮蔽罩可以是不透明的，部份不 透明，有顏色或偏光的。 第1 〇圖中說明根據本發明系統的實施例，在一架設 在頭部的虛擬顯示器的頭帶及調整箱/支臂調整機構。特別 的，在第1 0圖顯示詳細的調整箱/支臂調整機構。如圖所 示，調整箱300致少包含一基礎部分4100有著凹槽411〇 形成在其中。在凹槽4110中間被安裝著滑動機構42〇〇能 夠向前及向後在凹槽的長度中滑動，如箭頭4400所標示 的方向。小的圓形鋸齒302(在第3B圖可見）配合一個或多 個一致的突起物，在滑動機構的内部（未附圖），使得此滑 第18頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐) 請 先 閱 讀 背 面 之 注· 意 貧 I I I I訂 费 508454 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（ 動機構及此光學模組1 00保持在—希望的位置上 更進一步，此調整箱組合，至少包含一球接頭4300, 可旋轉的固定在滑動機構4200上。可旋轉的球接〶 43 00，使得調整箱組合及此光學模組1〇〇可以在標示箭須 方向4500及4600旋轉。在結合滑動件，球接頭機構及彈 性的支臂，使用者可以調整此光學模組丨00至任何希望的 距離及/或位置’在他最佳的視覺狀態。 雖然本發明的實施例在此並參考附圖已被說明。但是 本發明不限制在這些明確的實施例中，另以一熟悉此j貢技 術的人來說，不同的其他改變及修正並未離開本發明的範 圍及精神。 第19頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 4 45 08 5 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 一 ' 申請專利範圍 i 種用以導引影像訊號讓使用者觀看之小型光學系統， 該影像訊號由一微顯示器產生，該光學系統至少包含·· 一分光棱鏡，緊鄰該微顯示器放置； 一場鏡片，放置於該分光棱鏡與該微顯示器之間； 一負鏡片，放置於該場鏡片與該分光棱鏡之間； 一反射鏡片，放置於緊鄰該分光棱鏡，在該分光棱 鏡相反於該微顯示器的一邊；及 一四分之一波平板，放置於該反射鏡及該分光棱鏡 之間； 其中該分光棱鏡，該場鏡片，該負鏡片，該反射鏡 片及該四分之一波平板的配置將使得該微顯示器影像 訊號被線性偏光：（a)穿過該場鏡片及該負鏡片；（b)進 入該分光棱鏡大體上穿過該分光棱鏡一偏光表面；（c) 穿過該四分之一波平板變成圓形偏光；（d)在該反射鏡 的一表面反射回到該四分之一波平板，穿過該四分之一 波平板第2次變成為線性偏光，其偏光方向旋轉90度相 對於該影像訊號原始線性偏光方向；（e)再進入該分光 棱鏡，大體上在該分光棱鏡的偏光表面反射及離開該分 光棱鏡以讓該使用者觀看。 2.如專利申請範圍第1項所述之光學系統’其中上述之影 像訊號被導向該使用者來觀賞’本質上是無侧像顏色像 差。 第20頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21Q X 297公餐〉 --------------裝·-- (請先閱讀背面之注意事寫本頁) 訂· 508454 DB

   經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 、申請專利範圍 3 ·如專利申請範圍第1項所述之光學系統’其中上述之反 射鏡片的表面包含一反射鍍膜。 4 ·如專利申請範圍第3項所述之光學系統，其中上述之反 射鍍膜是一反射金屬鍍層及一反射電介質鍍層。 5.如專利申請範圍第1項所述之光學系統，其中上述之微 顯示器為發射型微顯系器、傳導型微顯示器及反射型微 顯示器其中之一。 6 ·如專利申請範圍第1項所述之光學系統，其中上述之系 統被結合在一虛擬影像顯示元件。 7 ·如專利申請範圍第6項所述之光學系統，其中上述之虛 擬影像顯示元件是可裝置在頭部的。 8 · —種裝設於頭部的虛擬影像顯示元件’該元件至少包 含： 一微顯示器； j 一光學系統，用來導引影像訊號供使用者觀看，該 衫像訊5虎由該微顯示器產生’及 一光學系統裝載結構，以支持該光學系統在該使用 者眼睛的視場中； 其中該光學系統包含·· 一分光棱鏡，緊鄰該微顯示 第21頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） ·---_-----*--------訂---------線丨應 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 508454 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 —一. - 六、申請專利範圍 器放置；一場鏡片，放置於該分光棱鏡與該微顯示器之 間；一負鏡片，放置於該場鏡片與該分光棱鏡之間；一 反射鏡片’放置於緊鄰該分光棱鏡，在該分光棱鏡相反 於该微顯示器的一邊；及一四分之一波平板，放置於該 反射鏡及該分光棱鏡之間，其中該分光棱鏡，該場鏡 片’該負鏡片，該反射鏡片及該四分之一波平板的配置 將使得該微顯示器影像訊號被線性偏光：（a)穿過該場鏡 片及該負鏡片；（b)進入該分光棱鏡大體上穿過該分光 棱鏡一偏光表面；（C)穿過該四分之一波平板變成圓形 偏光’ （d)在遠反射鏡的一表面反射回到該四分之—波 平板，穿過該四分之一波平板第2次變成為線性偏光 其偏光方向旋轉9 0度相對於該影像訊號原始線性偏光 方向；（e)再進入該分光棱鏡，大體上在該分光棱鏡的偏 光表面反射及離開該分光棱鏡以讓使用者觀看。 9. 如專利申請範圍第8項所述之裝設於頭部的虚擬影像_ 示元件，其中上述之裝載結構被配置來允許該光學系、蘇 被選擇移動進入及出去該使用者的該眼晴的該視場。 10. 如專利申請範圍第8項所述之裝設於頭部的虛擬影像 顯示元件，更包含一對焦機構’以允許調整該影像訊銳 的該焦距，以導向該使用者。 1 1.如專利申請範圍第1 〇項所述之裝設於頭部的虛擬影像 第22頁 ^紙張尺度適用中關家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公餐） --------------裝· —— Γ请先閱讀背面之注意事TS4I^寫本頁) Ί^τ· 508454 A8 B8 C8 D8

   六 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 申請專利範圍 u滅擄構至少包含··一可移動喜 顧示元件，其中上述之對焦機 至 二，核可移動台架支撐該微顯系器及该場鏡片’如此該 ^示器及該場鏡片可延著“該分光棱鏡，該反射鏡 士工,&光學神上移動。 片及該四分之一波平板的光 12如專利中請範圍第η項所述之装設於頭部的虛擬影像 凝示元件，其中上述之❹機構更包含-移轉促動器有 、、1於知ΛΑ Α黎，該移動促動器使得該可移 效的結合至該可移動的^ ^ 動式臺架延著該光學軸移動。 13.如專利申請範圍第12項所述之装設於頭部的虛擬影像 顯示元件，其中上述之移動促動器至少包含一螺絲及旋 钮排列。 1 4.如專利申請範圍第8項所述之裝設於頭部的虛擬影像 顯示元件，更包含一光線遮蔽罩，該光線遮蔽罩被放置 於該光學系統相對位置，.於開啟位置時’背景光線可進 入該光學系統，於關閉位置時，至少部分背景光線被隊 隔，而無法進入該光學系統。 1 5 .如專利申請範圍第1 4項所述之装設於頭部的虛擬影像 顯示元件，更包含一再殼實質上的包含該光學系統，及 其中該光線遮蔽罩被結合在該光學系統。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297^J^ (請先閱讀背面之注意事 寫本頁； -裝 訂· 508454 Α8 Β8 C8 D8 六、申請專利範圍 1 6 ·如專利申凊範圍第丨5項所述之裝設於頭部的虛擬影像 顯示元件，其中上述之光線遮蔽罩是可移動的結合在該 光學系統外殼，如此，該光線遮蔽罩可在開或關的位置 之間移動。 1 7 ·如專利申請範圍第1 4項所述之裝設於頭部的虛擬影像 顯示元件，其中上述之光線遮蔽罩是不透明的，部分不 透明的，有顏色的及偏光的其中之一。 1 8 ·如專利申請範圍第8項所述之裝設於頭部的虛擬影像 顯示元件，更包含一麥克風以擷取使用者觀看該影像訊 號發出的言詞。 1 9 ·如專利申請範圍第1 8項所述之裝設於頭部的虛擬影像 ' 顯示元件，更包含一外殼實質的包含該光學系統及其中 該麥克風被結合在該光學系統外殼。 2 0 ·如專利申請範圍第8項所述之裝設於頭邵的虛擬影像 顯示元件，其中上述之光學系統托架結構至少包含一可 調整箱組合，該可調整箱組合包含一移動機構’可移動 該光學系統至使用者的眼睛一特別的距離。 2 1.如專利申請範圍第8項所述之裝設於頭邵的虛擬影像 顯示元件，其中上述之光學系統托架結構至少包含—可 第24頁 ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297 (請先閱讀背面之注意事 裝—— 寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 508454 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 t、申請專利範圍 調整箱組合，該可調整箱組合包含一旋轉式球接頭機構 可旋轉移動該光學系統至一特別有關使用者的該眼睛 的位置。 22·如專利申請範圍第8項所述之裝設於頭部的虛擬影像 顯示元件，其中上述之光學系統托架結構至少包含一彈 性支臂組合，該彈性之臂組合被配置來支撐該光學系統 及彈性移動該光學系統至一有關於該使用者的該眼睛 特別的位置。 2 3 . —種移動式電腦系統，其至少包含： (a) —裝設於頭部的虛擬影像顯示單元，該單元包 含： 一微顯示器； 一光學系統，導引影像訊號讓使用者觀看，該 影像訊號由一微顯示器產生，該光學系統包括：一 分光棱鏡，緊鄰該微顯示器放置；一場鏡片，放置 於該分光棱鏡與該微顯示器之間；一負鏡片，放置 於該場鏡片與該分光棱鏡之間；一反射鏡片，放置 於緊鄰該分光棱鏡’在該分光棱鏡相反於該微顯不 器的一邊；及一四分之一波平板，放置於該反射鏡 及該分光棱鏡之間，其中該分光棱鏡，該場鏡片， 該負鏡片，該反射鏡片及該四分之一波平板被這樣 的配置，使得該微顯示器影像訊號被線性偏光：（a) 第25頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------裝.-- (請先閱讀背面之注意事寫本頁) 一5J. 508454 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 穿過該場鏡片及該負鏡片；（b)進入該分光棱鏡大 體上穿過該分光棱鏡一偏光表面；（C)穿過該四分 之一波平板變成圓形偏光；（d)在該反射鏡的一表 面反射回到該四分之一波平板，穿過該四分之一波 平板第2次變成為線性偏光，其偏光方向旋轉90度 相對於該影像訊號原始線性偏光方向；（e)再進入 該分光棱鏡，大體上在該分光棱鏡的偏光表面反射 及離開該分光棱鏡以讓使用者觀看；及 一光學系統托架結構，以支撐該光學系統及微 顯示器在該使用者一眼的該視場之中；及 (b) —以電腦為基礎的裝置，結合至該裝置在頭部的 虚擬影像顯示單元，以產生及提供一電子訊號至該微顯 示器，以使用來產生該影像訊號給該使用者觀賞。 2 4. —種裝設於頭部的虛擬影像顯示元件，該元件至少包 含： 一微顯示器； 一光學系統，以導引影像訊號讓使用者觀賞，該影 像訊號由微顯示器來產生 一光學系統托架結構，以支撐該光學系統在該使用 者一眼的該視場之中； 一外殼，本質地包含至少該光學系統；及 一光線遮蔽罩，該光線遮蔽罩被結合在該外殼及被 放置在該光學系統，如此，在打開的位置，背景光線進 第26頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----— Ill-------- (請先閱讀背面之注意事寫本頁) 訂- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 508454 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 入該光學系統，及在關閉的位置，背景光線至少部分被 阻隔，而無法進入該光學系統。 2 5 .如專利申請範圍第24項所述之裝設於頭部的虛擬影像 顯示元件，其中上述之光線遮蔽罩是可移動的被結合在 該光學系統之外殼。因此，該光線遮蔽罩可在打開及關 閉之間移動。 26.如專利申請範圍第24項所述之裝設於頭部的虛擬影像 顯示元件，其中上述之光線遮蔽罩是不透明的，部分不 透明的，有顏色的及偏光之一種。 2 7. —種裝設於頭部的虛擬影像顯示元件，其至少包含： 一微顯示器； 一光學系統，以導引影像訊號給使用者觀賞，該影 像訊號由微顯示器來產生；及 一光學系統托架結構，以支撐該光學系統在該使用 者一眼的該視場之中，該光學系統托架結構包含一彈性 支臂組合，該彈性支臂組合被安置來支撐該光學系統， 及彈性的移動該光學系統至一有關該使用者的眼睛的 特別位置。 第27頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） (請先閱讀背面之注意事 裝--- 寫本頁) . 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製