TWI263831B - Head mounted display - Google Patents

Description

1263831 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於於一種頭戴式顯示器，尤指一種使用液 晶顯示面板之頭戴式顯示器。 【先前技術】 頭戴式顯示器（Head mounted display，HMD)是一種立 體視覺顯示的光學產品，利用兩眼視差的立體效果訊號， 經過液晶顯示器，再經過光學組件分別送到雙眼，而產生 立體畫面。使用者戴在頭上的頭戴式顯示器，兩眼各使用 一個小螢幕，故能夠產生大影像的立體效果，目前頭戴式 顯示器通常用在擴增實境（augmented reality，AR)或是虛 擬實境（virtual reality, VR)系統，其可跟著使用者移動 並能當作一種輸入設備來接收使用者的反應。透過戴在使 用者的頭部的頭戴式顯示器，圖像和文字就可以加到使用 者觀察周遭環境所產生的晝面上，而達到虛擬實境或是擴 增實境的效果。 頭戴式顯示器的原理是將小型2維液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD )所產生的影像藉由鏡片組放大。具 1263831 —而。小型液晶顯示器所發射的光線經過具有偏心自由 曲面之鏡片組使影像因折射産生類似遠方效果。利用此效 果將近處物體放大成類似大銀幕晝面而達到所謂的全像視 克（Hologram )。 目前頭戴式顯示器的體積仍然過大過重，而且價格太 尚、以及周邊相關配套不夠等等因素，因此市場尚未成熟 曰及化，如何將它的體積縮小，價格降低，將是消費者接 受的關鍵因素。 【發明内容】 本發明之申請專利範圍係提供一種頭戴式顯示器，其 包含一框架，用來懸掛於使用者之頭部以及一顯示裝置， 固定於該框架。該顯示裝置包含一光源，用來產生光線； 一驅動電路，用來產生資料訊號；一 LC〇S(Liquid Crystal 〇n

Silicon panel，LCoS)面板，用來依據該驅動電路產生之資料 訊號反射自該光源發出之夯岣· ,, , ^ 心尤綠，一偏極化分光鏡，用來偏 折由該LCoS面板傳來之来飧 尤線，以及一鏡片組，其包含一 雙凸玻璃球面鏡片以及一非抹；^ _ 非球面塑膠鏡片，該鏡片組係用 來將由該偏極化分光鏡傳來之光線聚焦 1263831 【實施方式】 請參閱第1圖，第1圖係纟會示頭戴式顯示器 (head-mounted display，HMD)10 與一控制系統 15 組成之光 學式透視顯示器系統100之示意圖。頭戴式顯示器丨〇 口口 U < 框 架12係用來懸掛於使用者之頭部。而控制系統15可以抑 制頭戴式顯示器10之顯示裝置14，使得使用者的眼睛可 以透過固定於框架12之顯示裝置14看到生動的影像。其 中控制系統15與頭戴式顯示器1〇之間係以一傳輸線16連 接，或是利用無線傳輸的方式連接。 請參閱第2圖，第2圖係第1圖之頭戴式顯示器1〇之 功能方塊圖，第2圖中所示之箭頭方向為光線之行進方 向。顯示裝置14内包含一光源20、一顯示驅動電路22、 一 LCOS面板24、一偏極化分光鏡26以及一鏡片組30。 光線從光源20發出後，會通過偏極化分光鏡（Polarization Beam Splitter，PBS) 26。偏極化分光鏡26會反射S偏光 (垂直入射線平面）進入LCoS面板24，顯示驅動電路22 會依據控制裝置15傳來的資訊產生資料訊號以控制LCoS 面板24的顯示狀態進而調變此S偏光成為P偏光（平行入 射線平面）以通過偏極化分光鏡26。最後鏡片組30會將 1263831 凋，交過的s偏光聚焦，並將之直接投影到人眼〗8之視網膜 上形成放大的虛像。也就是說，偏極化分光鏡分光鏡26擺 在使用者眼前18的正確方位，就能使LC〇s面板24傳來 的影像反射進入使用者的視線，又仍然能讓周遭環境的光 線穿透進來，因此光學式透視顯示器系統1〇Q的使用者， 不僅可以看見絕對清晰的全視域真實世界，還可以透過控 制裝置15產生之資料驅動顯示驅動電路22使得LC〇s面 板24產生虛擬的影像。而偏極化分光鏡26 和LCoS面板 24之間放置一鏡片組3〇，即可調整LC〇s面板24反射之 光線的焦點’使它看起來像是隔著某個舒適的觀察距離， 這段距離稱之為良視距（eye relie〇d，該距離為i5mm至 45mm之間，一般之數值為25mm，這段良視距d通常愈長 愈好’目的讓使用者之眼睛18觀測時更舒適。除此之外， 若使用者之左右眼各有一組顯示裝置14，就可以產生立體 的視覺效果。其中，該LcoS面板24係可為包含一彩色濾 光片（Color Filter)之LCoS面板，以讓使用者可以看到彩色 影像’並且使頭戴式顯示器的設計更為容易。 鏡片組3〇包含一雙凸（conVex-convex)玻璃鏡片32以 及一非球面塑膠鏡片34。其中非球面鏡片34係為一凹凸 (concave-convex)透鏡，且雙凸玻璃鏡片32係緊貼於非球 1263831 面塑膠鏡片34。 由於在使用單一球面（spherical)鏡片時，光線穿透球面 鏡片所投射出的影像會出現所謂「針墊型失真影像 (Pincushion distortion)」。為克服失真影像出現，多半合於用 增加球面鏡片數量，使因折射而失真的程度降到最低 ^ 是增加鏡片會導致鏡片組的體積以及重量增大，實不符人 製造上的需求。因此本實施例直接將鏡片組3〇中的幾片鏡 片換成非球面鏡片，因非球面鏡片可以減少球面鏡片的球 面相差，使得鏡片組投射之影像品質得以提昇。故本發明 採用非球面（Aspherical)鏡片來取代球面鏡片，可讓鏡片使 用數減少’進而大大降低成本外，同時適合賴式顯示器 1〇輕薄短小的特色。 除此之外，鏡片的材質也會影響鏡片組30的聚焦效 果。目前f㈣光學鏡片材f主要分為玻璃與塑膠兩種。 由於玻璃本身的溫度特性係數小（溫度特性係數大，即在 高溫或低溫環境下，鏡Μ内的分子結構易改變，而影響光 的折射率，使焦距改變），透光性高，且烙點較高，但因在 研磨過程中需耗用大量的人力與時間，相對而言成本較 Ν且良率與產能不易快速提昇。至於塑膠鏡片則因使用 1263831 高純度的合成樹脂作為材料，雖 過由於樹脂熔點低，挣 X寺性係數較大，不 、昧用射出成开】 膠鏡片相較於玻璃鏡月星 罡大1製造，因此塑 ，、有成本低以及重量較輕等特性。 本毛月之鏡片組之非球面鏡片 球面鏡片之材質係、為玻璃 、係為塑膠’至於 又凸破璃球面鐘片之折射率 實質上係介於i.5(m,6() 面鏡片之折射羊 每所八^雙凸破璃球面鏡片之色散率 η上^於_之間。非球面破璃鏡片之凹面之非球 :係數之粑圍係介於㈡之間，凸面之非球面係數之範圍 ’I於-0.3〜-500之間。 相較於習知技術，本發明之頭戴式顯示器之鏡片組採用 -雙凸玻璃球面（Sphedeal)鏡片以及—非球面(Asphedcai) 塑膠鏡片的配置。由於使用非球面鏡的鏡片可較採用球面 鏡片的數量少，故本發明採用非球面鏡片來取代球面鏡 片。採用非球面鏡片之優勢，除可大大降低成本外，亦可 讓鏡片使用數減少，適合新一代光學產品輕薄短小的特 色。除此之外，使用兼具高折射率以及低色散率之玻璃鏡 片可有效減低色差，再配合一非球面塑膠鏡片更能進一步 改善色差及成像品質。除此之外，使用非球面塑膝鏡片即 使加大鏡片直彳曼亦可有效減少離軸像差。 1263831 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請 專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範 圍。 【圖式簡單說明】 第1圖係繪示頭戴式顯示器與一控制系統組成之光學式透視顯示 器系統之示意圖。 第2圖係第1圖之頭戴式顯示器之功能方塊圖。 【主要元件符號說明】 10 頭戴式顯示器 12 框架 14 顯示裝置 16 傳輸線 15 控制系統 18 眼睛 20 光源 22 顯示驅動單元 24 LCoS面板 26 偏極化分光鏡 30 鏡片組 32 雙凸玻璃球面鏡片 34 非球面塑膠鏡片 100 光學式透視顯示器系統

Claims (1)

1263831 十、申請專利範圍： 1 · 一種頭戴式顯示器（head-mounted display，HMD)，其包 含： 一框架，用來懸掛於使用者之頭部；以及 一顯示裝置，固定於該框架，其包含： 一光源，用來產生光線； 一驅動電路，用來產生資料訊號； 一偏極化分光鏡(polarization beam splitter，PBS)，用來 偏折由該光源發出之光線； 一石夕基液晶顯示面板(Liquid Crystal on Silicon panel，LCoS panel)，用來依據該驅動電路產生之 資料訊號反射自該偏極化分光鏡傳來之光線；以 及 一鏡片組，其包含一雙凸玻璃球面（spherical)鏡片以 及一凹凸塑膠透鏡，該鏡片組係用來將由該矽基 液晶顯示面板反射之光線聚焦，該雙凸玻璃鏡片 係緊貼於該凹凸塑膠透鏡，該凹凸塑膠透鏡之凹 面之非球面係數之範圍係介於間，凸面之非 球面係數之範圍係介於_〇·3〜_5〇〇間，該雙凸玻 璃鏡片之折射率實質上係介於1.50〜1.60之間， 1263831 該雙凸玻璃鏡片之色散率實質上係介於6〇〜65 之間。 2·如申清專利範圍第1項所述之顯示器，其中該雔 〜又凸坡璃 鏡片係緊貼於該非球面塑膠鏡片。 3. 如申請專利範圍第！項所述之顯示器，其中該非球面玻 璃鏡片係一凹凸（C〇ncave_C〇nvex)透鏡。 4. 如申請專利範圍第3項所述之顯示器，其中該非球面玻 璃鏡片之凹面之非球面係數之範圍係介於〇〜丨之間，凸 面之非球面係數之範圍介於_〇.3〜-500之間。 5·如申請專利範圍第1項所述之顯示器，其中該雙凸玻璃 鏡片之折射率實質上係介於150〜160之間，該雙凸玻璃 鏡片之色散率實質上係介於60〜65之間。 6.如申請專利範圍第丨項所述之顯示器，其中該矽基液晶 顯示面板更包含一彩色濾光片。 1263831 七、 指定代表圖： (- 0本案指定代表圖為： 第（2 )圖。 (二 -)本代表圖之元件符號簡單說明： 10 頭戴式顯示器 15 控制系統 18 眼睛 20 光源 22 顯示驅動單元 24 LCoS面板 26 偏極化分光鏡 30 鏡片組 32 雙凸玻璃球面鏡片 34 非球面塑膠鏡片 100 光學式透視顯示器系統 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的 化學式：