TWI484219B - 頭戴式顯示裝置 - Google Patents

Description

頭戴式顯示裝置

本發明是有關於一種顯示裝置，且特別是有關於一種頭戴式顯示裝置。

頭戴式影像顯示裝置通常是以眼鏡、眼罩或頭盔的形式，把顯示屏貼近使用者的眼睛，通過光路調整焦距，以在近距離內對眼睛投射畫面。隨著科技的蓬勃發展，頭戴式影像顯示裝置除了休閒娛樂的用途外，還可擴大至行車、醫療等應用範疇。弱視患者以及配戴人工視網膜的人可透過配戴此種影像顯示裝置來觀看外界影像。

目前的頭戴式顯示裝置為了消除大視角的像差而使用尺寸較大的光學元件。然而，在這樣的設計下，頭戴式顯示器的體積以及重量易造成使用者的不適感。此外，現有的頭戴式顯示裝置普遍會遮蔽到使用者的視線，從而造成使用上的不便性，且亦限縮了頭戴式顯示裝置的應用範疇。

本發明提供一種頭戴式顯示裝置，其可改善使用上的不適感及不便性。

本發明的一種頭戴式顯示裝置包括第一導光板、第一微型顯示器、第一反射鏡、第一透鏡組以及多個第一微結構。第一導光板具有第一面以及相對第一面的第二面。第一微型顯示器面向第一面，並設置於第一導光板的第一端。第一反射鏡設置在第一導光板內且位於第一端。第一反射鏡具有第一反射面，且第一反射面面向第一導光板相對於第一端的第二端，並與第一面夾一角度。第一透鏡組設置在第一導光板與第一微型顯示器之間。第一微結構設置在第一面上。

在本發明的一實施例中，上述的第一微型顯示器為可見光微型顯示器。

在本發明的一實施例中，上述的第一反射面與第一面所夾的角度為α，第一導光板的厚度為T，且第一導光板的長度為L，其中

在本發明的一實施例中，上述的第一導光板更具有連接於第一面與第二面之間的第三面以及第四面，且各第一微結構被垂直於第一面且垂直於第三面的平面所截的形狀為四邊形，且四邊形包括第一邊、第二邊、第三邊以及第四邊，第一邊與第三邊彼此相對，而第二邊與第四邊彼此相對且分別連接於第一邊與第 三邊之間，其中第一邊與第一面接合。

在本發明的一實施例中，上述的第一邊、第二邊以及第三邊的長度分別為X，且第四邊的長度為2X，其中10μm≦X≦500μm。

在本發明的一實施例中，上述的第三邊與第四邊所夾的角度為90°-α，而第一邊與第四邊所夾的角度為90°+α。

在本發明的一實施例中，上述的第一邊與第二邊所夾的角度以及第二邊與第三邊所夾的角度為90°。

在本發明的一實施例中，上述的第一邊與第二邊所夾的角度為90°+α，且第二邊與第三邊所夾的角度為90°-α。

在本發明的一實施例中，上述的α為30°。

在本發明的一實施例中，上述的第一微結構的折射率等於第一導光板的折射率。

在本發明的一實施例中，上述的頭戴式顯示裝置更包括固定裝置，以將第一導光板、第一微型顯示器、第一反射鏡、第一透鏡組以及第一微結構鄰近設置於使用者的第一眼。

在本發明的一實施例中，上述的頭戴式顯示裝置更包括第二微型顯示器、第二反射鏡以及第二透鏡組。第二微型顯示器面向第一面，並設置於第二端，其中第二端相對於第一端。第二反射鏡設置在第一導光板內，且位於第二端。第二反射鏡具有第二反射面，且第二反射面面向第一端，並與第一面夾一角度。第二透鏡組設置在第一導光板與第二微型顯示器之間。

在本發明的一實施例中，上述的第一微型顯示器與第二微型顯示器的其中一者為可見光微型顯示器，而另一者為紅外線微型顯示器。

在本發明的一實施例中，上述的頭戴式顯示裝置更包括第二導光板、第二微型顯示器、第二反射鏡、第二透鏡組以及多個第二微結構。第二導光板具有第五面以及相對第五面的第六面。第二微型顯示器面向第五面，並設置於第二導光板的一第三端。第二反射鏡設置在第二導光板內且位於第三端。第二反射鏡具有第二反射面，且第二反射面面向第二導光板相對於第三端的第四端，並與第五面夾一角度。第二透鏡組設置在第二導光板與第二微型顯示器之間。第二微結構設置在第五面上。

在本發明的一實施例中，上述的頭戴式顯示裝置更包括固定裝置，以將第一導光板、第一微型顯示器、第一反射鏡、第一透鏡組以及第一微結構鄰近設置於使用者的第一眼，且將第二導光板、第二微型顯示器、第二反射鏡、第二透鏡組以及第二微結構鄰近設置於使用者的第二眼。

在本發明的一實施例中，上述的第一微型顯示器以及第二微型顯示器為可見光微型顯示器，且第一微型顯示器所輸出的影像光束與第二微型顯示器所輸出的影像光束具有視差。

基於上述，本發明的頭戴式顯示裝置透過透鏡組將微型顯示器所發出的影像光束導入導光板中，並以全反射的方式在導光板中進行傳遞，並且透過微結構破壞全反射而使影像光束從第 一面射出並傳遞至人眼中。由於影像光束是以全反射的方式傳遞在導光板中，因此較不易產生像差。是以，本發明的頭戴式顯示裝置可以不用使用尺寸較大的光學元件，從而改善頭戴式顯示器的體積以及重量對使用者所造成的不適感。此外，由於導光板具有高的光穿透率，因此使用者在觀看微型顯示器所發出的影像光束的同時，亦能看見外界影像。是以，本發明的頭戴式顯示裝置可以改善遮蔽到使用者的視線的問題，從而改善使用上的不便性。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100、200、300‧‧‧頭戴式顯示裝置

110‧‧‧第一導光板

120‧‧‧第一微型顯示器

130‧‧‧第一反射鏡

140‧‧‧第一透鏡組

150、150A‧‧‧第一微結構

160‧‧‧固定裝置

210‧‧‧第二導光板

220‧‧‧第二微型顯示器

230‧‧‧第二反射鏡

240‧‧‧第二透鏡組

250‧‧‧第二微結構

410‧‧‧視網膜晶片

420‧‧‧太陽能電池片

A‧‧‧分布區域

B、B1‧‧‧影像光束

D1‧‧‧延伸方向

D2‧‧‧厚度方向

E1‧‧‧第一眼

F1‧‧‧第一邊

F2‧‧‧第二邊

F3‧‧‧第三邊

F4‧‧‧第四邊

L、X‧‧‧長度

P1‧‧‧第一端

P2‧‧‧第二端

P3‧‧‧第三端

P4‧‧‧第四端

R1‧‧‧第一反射面

R2‧‧‧第二反射面

S1‧‧‧第一面

S2‧‧‧第二面

S3‧‧‧第三面

S4‧‧‧第四面

S5‧‧‧第五面

S6‧‧‧第六面

T‧‧‧厚度

α、β、θ1、θ2、θ3、θ4‧‧‧角度

圖1是依照本發明的第一實施例的一種頭戴式顯示裝置的上視示意圖。

圖2是圖1中第一微結構的放大示意圖。

圖3是依照本發明的第一實施例的一種頭戴式顯示裝置的側視示意圖。

圖4是依照本發明的第二實施例的一種頭戴式顯示裝置的上視示意圖。

圖5是圖4中第一微結構的放大示意圖。

圖6是依照本發明的第三實施例的一種頭戴式顯示裝置的上視示意圖。

圖1是依照本發明的第一實施例的一種頭戴式顯示裝置的上視示意圖，圖2是圖1中第一微結構的放大示意圖，而圖3是依照本發明的第一實施例的一種頭戴式顯示裝置的側視示意圖。請參照圖1，本實施例的頭戴式顯示裝置100包括第一導光板110、第一微型顯示器120、第一反射鏡130、第一透鏡組140以及多個第一微結構150。

第一導光板110例如為一長方體，其具有第一面S1、相對第一面S1的第二面S2以及連接於第一面S1與第二面S2之間的第三面S3及第四面S4，其中第三面S3相對於第四面S4。此外，第一導光板110具有延伸方向D1以及厚度方向D2，厚度方向D2垂直於延伸方向D1，並且第一面S1及第二面S2平行於延伸方向D1，而第三面S3及第四面S4平行於厚度方向D2。另外，第一導光板110的材質可以是樹脂、玻璃、聚碳酸酯(PC)或壓克力(PMMA)等折射率大於1的材質，以使光束能夠以全反射的方式傳遞於第一導光板110內。

第一微型顯示器120設置於第一導光板110的端部，並且適於朝第一導光板110發出影像光束B。詳言之，第一微型顯示器120例如是面向第一面S1，且設置於第一導光板110的第一端P1，其中第一端P1例如是，但不限於，鄰近第四面S4且遠離第三面S3。第一微型顯示器120可以視頭戴式顯示裝置100的用途而為可見光微型顯示器或紅外光微型顯示器，其中可見光微型 顯示器可以是微型的有機發光顯示器(Organic Light Emitting Display，OLED)、矽基液晶顯示器(Liquiid Crystal on Silicon Display，LCOS Display)或其他能夠提供可見光波段的微型顯示器。

第一反射鏡130設置在第一導光板110內且對應第一微型顯示器120設置。在本實施例中，第一反射鏡130例如是對應第一微型顯示器120而設置在第一端P1。此外，第一反射鏡130具有第一反射面R1，其中第一反射面R1面向第一導光板110相對於第一端P1的第二端P2，並與第一面夾一角度α，以使被第一反射面R1反射後的影像光束B能夠以全反射的方式傳遞於第一導光板110內。

第一透鏡組140設置在第一導光板110與第一微型顯示器120之間，以使第一微型顯示器120所發出的影像光束B準直地傳遞至第一導光板110內。因此，第一透鏡組140較佳是承靠在第一導光板110的第一面S1，以具有較佳之匯聚效果。本實施例並不特別限定第一透鏡組140的組成。舉例而言，第一透鏡組140可以是由多個透鏡所構成，而這些透鏡可以選自於球面透鏡、非球面透鏡、膠合透鏡或其組合。

第一微結構150設置在第一面S1上，用以破壞全反射，以將影像光束B自第一面S1導出，並傳遞至使用者的第一眼E1。因此，為使第一微結構150有效地將影像光束B導入使用者的第一眼E1，並避免其將來自第一透鏡組140的影像光束B偏折而無 法傳遞至第一導光板110內，第一微結構150需設置在第一透鏡組140以外的區域，且較佳是對應第一眼E1的瞳孔設置。一般而言，瞳孔的直徑約落在2mm至8mm的範圍內，因此第一微結構150的分布區域A的長度亦應為8mm以上。

須說明的是，本實施例並不限定分布區域A內第一微結構150的數量及其分布型態。舉例而言，第一微結構150可以是陣列分布或是隨機分布於分布區域A內。然而，無論是哪種分佈型態，第一微結構150較佳是密集地分布於分布區域A內，以集中自第一導光板110出射的影像光束B。此外，第一微結構150的尺寸較佳是在500μm以下，以降低人眼對於第一微結構150的可視性。

請參照圖1及圖2，各第一微結構150被垂直於第一面S1且垂直於第三面S3的平面(即延伸方向D1與厚度方向D2所構成的平面)所截的形狀例如為四邊形，且四邊形包括第一邊F1、第二邊F2、第三邊F3以及第四邊F4，第一邊F1與第三邊F3彼此相對，而第二邊F2與第四邊F4彼此相對且分別連接於第一邊F1與第三邊F3之間，其中第三邊F3相對鄰近第一透鏡組140，且第一邊F1與第一面S1接合。所述接合的方法可以是利用光學膠使第一邊F1與第一面S1接合。或者，利用壓模的方式也可使第一微結構150與第一導光板110為一體成型的結構。

在本實施例中，第一邊F1與第二邊F2所夾的角度θ1以及第二邊F2與第三邊F3所夾的角度θ2例如是，但不限於，90°， 而第三邊F3與第四邊F4所夾的角度θ3以及第四邊F4與第一邊F1所夾的角度θ4則取決於第一反射面R1與第一面S1所夾的角度α。具體地，若欲使自第一導光板110出射的影像光束B正向入射至第一眼E1，則在第一微結構150的折射率相同於第一導光板110的折射率下，經由計算可得角度θ3為90°-α，而θ4為90°+α。舉例而言，當α為30°時，θ3為60°，而θ4為120°。然而，本發明並不限於上述，在另一實施例中，亦可使角度θ1等於角度θ3，且使角度θ2等於角度θ4，也就是使θ1=θ3=90°-α，θ2=θ4=90°+α。另外，第一導光板110在厚度方向D2上的厚度T以及第一導光板110在延伸方向D1上的長度L亦取決於第一反射面R1與第一面S1所夾的角度α。具體地，長度L與厚度T滿足關係式：

在本實施例中，第一微結構150的材質選用與第一導光板110相同的材質。因此，影像光束B在傳遞於第一導光板110內以及自第一導光板110出射至使用者的第一眼E1的過程中，皆能夠以反射的方式傳遞，從而可降低像差的問題。是以，本實施例的頭戴式顯示裝置100可以不用使用尺寸較大的光學元件，從而改善習知頭戴式顯示器的體積以及重量對使用者所造成的不適感。此外，由於第一導光板110具有高的光穿透率，因此使用者在觀看第一微型顯示器120所發出的影像光束B的同時，亦能看見外界影像。是以，本實施例的頭戴式顯示裝置100可以改善遮 蔽到使用者的視線的問題，從而改善使用上的不便性。

請參照圖3，本實施例的頭戴式顯示裝置100可進一步包括固定裝置160，以將第一導光板110、第一微型顯示器120、第一反射鏡130、第一透鏡組140以及第一微結構150鄰近設置於使用者的第一眼E1，例如是設置於第一眼E1的前方。固定裝置160可以是眼鏡、眼罩、頭盔或任何適於將上述構件固定於頭上且適於自頭上取下的物品，以具有較佳的靈活性及便利性。

圖4是依照本發明的第二實施例的一種頭戴式顯示裝置的上視示意圖，而圖5是圖4中第一微結構的放大示意圖，其中圖4省略繪示固定裝置。請參照圖4及圖5，本實施例的頭戴式顯示裝置200與圖1中的頭戴式顯示裝置100大致相同，且相同的元件以相同的標號表示，於此便不再贅述。與頭戴式顯示裝置100的差異在於，頭戴式顯示裝置200進一步包括第二微型顯示器220、第二反射鏡230以及第二透鏡組240。第二微型顯示器220面向第一面S1，並設置於第一導光板110的第二端P2。第二反射鏡230設置在第一導光板110內，且位於第二端P2。第二反射鏡230具有第二反射面R2，且第二反射面R2面向第一端P1，並與第一面S1夾一角度β。第二透鏡組240設置在第一導光板110與第二微型顯示器220之間。

在本實施例中，第二微型顯示器220、第二反射鏡230以及第二透鏡組240例如是與第一微型顯示器120、第一反射鏡130以及第一透鏡組140對稱地設置在第一導光板110的相對兩 端。並且，為簡化各第一微結構150A的結構設計，第二反射面R2與第一面S1所夾的角度β可等於第一反射面R1與第一面S1所夾的角度α。如此一來，各第一微結構150A被垂直於第一面S1且垂直於第三面S3的平面所截的形狀例如為等腰梯形，且θ1=θ3=90°-α=90°-β，θ2=θ4=90°+α=90°+β。另外，第一邊F1、第二邊F2以及第三邊F3的長度X例如為第四邊的長度的一半，其中10μm≦X≦500μm。

在一些全盲患者中，透過將可見光光源投射至植入有視網膜晶片410的患者眼中，而使電流刺激視神經，則可讓全盲患者看見外界影像。一般而言，視網膜晶片410需電性連接至太陽能電池片420，以對視網膜晶片410進行充電。換言之，欲使全盲患者看見外界影像至少需一個可見光微型顯示器以及一個紅外線微型顯示器。在本實施例中，第一微型顯示器120與第二微型顯示器220的其中一者可為可見光微型顯示器，而另一者可為紅外線微型顯示器。如此一來，透過使可見光微型顯示器所發出的影像光束(未繪示)刺激視網膜晶片，並使紅外線微型顯示器所發出的紅外線光束B1對太陽能電池片420進行充電，則可使全盲患者看見可見光微型顯示器所發出的影像光束。

圖6是依照本發明的第三實施例的一種頭戴式顯示裝置的上視示意圖。請參照圖6，本實施例的頭戴式顯示裝置300與圖2中的頭戴式顯示裝置200大致相同，且相同的元件以相同的標號表示，於此便不再贅述。與頭戴式顯示裝置200的差異在於，頭 戴式顯示裝置300更包括第二導光板210以及多個第二微結構250。並且，第二導光板210具有第五面S5以及相對第五面S5的第六面S6。第二微型顯示器220面向第五面S5，並設置於第二導光板210的第三端P3。第二反射鏡230設置在第二導光板210內且位於第三端P3。第二反射鏡230具有第二反射面R2，且第二反射面R2面向第二導光板210相對於第三端P3的第四端P4，並與第五面S5夾一角度β，其中角度β的設計可參照圖5及其對應的敘述，於此便不再贅述。第二透鏡組240設置在第二導光板210與第二微型顯示器220之間。第二微結構250設置在第五面S5上，其中第二微結構250的結構設計可參照圖2及其對應的敘述，於此便不再贅述。

在本實施例中，頭戴式顯示裝置300可進一步包括如圖3所繪示的固定裝置160，以將第一導光板110、第一微型顯示器120、第一反射鏡130、第一透鏡組140以及第一微結構150鄰近設置於使用者的第一眼E1，例如是設置於使用者的第一眼E1的前方。並且，將第二導光板210、第二微型顯示器220、第二反射鏡230、第二透鏡組240以及第二微結構250鄰近設置於使用者的第二眼E2，例如是設置於使用者的第二眼E2的前方。

此外，第一微型顯示器120以及第二微型顯示器220例如皆為可見光微型顯示器。並且，透過使第一微型顯示器120所輸出的影像光束B與第二微型顯示器220所輸出的影像光束B1具有視差，則可讓配戴頭戴式顯示裝置300的使用者看見立體影 像(例如透過配戴頭戴式顯示裝置300觀看3D電影)。

綜上所述，本發明的頭戴式顯示裝置透過透鏡組將微型顯示器所發出的影像光束導入導光板中，並以全反射的方式在導光板中進行傳遞，並且透過微結構破壞全反射而使影像光束從第一面射出並傳遞至人眼中。由於影像光束是以全反射的方式傳遞在導光板中，因此較不易產生像差。是以，本發明的頭戴式顯示裝置可以不用使用尺寸較大的光學元件，從而改善頭戴式顯示器的體積以及重量對使用者所造成的不適感。此外，由於導光板具有高的光穿透率，因此使用者在觀看微型顯示器所發出的影像光束的同時，亦能看見外界影像。是以，本發明的頭戴式顯示裝置可以改善遮蔽到使用者的視線的問題，從而改善使用上的不便性。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧頭戴式顯示裝置

110‧‧‧第一導光板

120‧‧‧第一微型顯示器

130‧‧‧第一反射鏡

140‧‧‧第一透鏡組

150‧‧‧第一微結構

A‧‧‧分布區域

B‧‧‧影像光束

D1‧‧‧延伸方向

D2‧‧‧厚度方向

E1‧‧‧第一眼

L‧‧‧長度

P1‧‧‧第一端

P2‧‧‧第二端

R1‧‧‧第一反射面

S1‧‧‧第一面

S2‧‧‧第二面

S3‧‧‧第三面

S4‧‧‧第四面

T‧‧‧厚度

α‧‧‧角度

Claims (15)

1. 一種頭戴式顯示裝置，包括：一第一導光板，具有一第一面以及一相對該第一面的第二面；一第一微型顯示器，面向該第一面，並設置於該第一導光板的一第一端；一第一反射鏡，設置在該第一導光板內，且位於該第一端，該第一反射鏡具有一第一反射面，該第一反射面面向該第一導光板相對於該第一端的一第二端，並與該第一面夾一角度；一第一透鏡組，設置在該第一導光板與該第一微型顯示器之間；以及多個第一微結構，設置在該第一面上，其中該第一反射面與該第一面所夾的角度為α，該第一導光板的厚度為T，且該第一導光板的長度為L，其中
2. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一微型顯示器為可見光微型顯示器。
3. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一導光板更具有連接於該第一面與該第二面之間的一第三面以及一第四面，且各該第一微結構被一垂直於該第一面且垂直於該第三面的平面所截的形狀為一四邊形，且該四邊形包括一第一邊、一第二邊、一第三邊以及一第四邊，該第一邊與該第三邊彼此相對，該第二邊與該第四邊彼此相對且分別連接於該第一邊與該第三邊之間，其中該第一邊與該第一面接合。
4. 如申請專利範圍第3項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一邊、該第二邊以及該第三邊的長度分別為X，且該第四邊的長度為2X，其中10μm≦X≦500μm。
5. 如申請專利範圍第3項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第三邊與該第四邊所夾的角度為90°-α，而該第一邊與該第四邊所夾的角度為90°+α。
6. 如申請專利範圍第5項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一邊與該第二邊所夾的角度以及該第二邊與該第三邊所夾的角度為90°。
7. 如申請專利範圍第5項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一邊與該第二邊所夾的角度為90°+α，且該第二邊與該第三邊所夾的角度為90°-α。
8. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中α為30°。
9. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該些第一微結構的折射率等於該第一導光板的折射率。
10. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，更包括：一固定裝置，以將該第一導光板、該第一微型顯示器、該第一反射鏡、該第一透鏡組以及該些第一微結構鄰近設置於一使用者的一第一眼。
11. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，更包括：一第二微型顯示器，面向該第一面，並設置於該第二端； 一第二反射鏡，設置在該第一導光板內，且位於該第二端，該第二反射鏡具有一第二反射面，該第二反射面面向該第一端，並與該第一面夾一角度；以及一第二透鏡組，設置在該第一導光板與該第二微型顯示器之間。
12. 如申請專利範圍第11項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一微型顯示器與該第二微型顯示器的其中一者為可見光微型顯示器，而另一者為紅外線微型顯示器。
13. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，更包括：一第二導光板，具有一第五面以及一相對該第五面的第六面；一第二微型顯示器，面向該第五面，並設置於該第二導光板的一第三端；一第二反射鏡，設置在該第二導光板內，且位於該第三端，該第二反射鏡具有一第二反射面，且該第二反射面面向該第二導光板相對於該第三端的一第四端，並與該第五面夾一角度；一第二透鏡組，設置在該第二導光板與該第二微型顯示器之間；以及多個第二微結構，設置在該第五面上。
14. 如申請專利範圍第13項所述的頭戴式顯示裝置，更包括：一固定裝置，以將該第一導光板、該第一微型顯示器、該第一反射鏡、該第一透鏡組以及該些第一微結構鄰近設置於一使用者的一第一眼，且將該第二導光板、該第二微型顯示器、該第二 反射鏡、該第二透鏡組以及該些第二微結構鄰近設置於該使用者的一第二眼。
15. 如申請專利範圍第14項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一微型顯示器以及該第二微型顯示器為可見光微型顯示器，且該第一微型顯示器所輸出的影像光束與該第二微型顯示器所輸出的影像光束具有視差。