TWI545346B - A visual display device capable of realizing a natural field of view - Google Patents

Description

可實現自然視野的接目型影像顯示裝置

本發明係關於一種被搭載於頭戴式顯示器（HMD）等之上之接目型影像顯示裝置。當具體說明時，本發明之影像顯示裝置係被設於觀察者眼前之光學裝置，導引自LED（Liquid Crystal Display）等被射出之影像光線，往觀察者的瞳孔，藉此，使觀察者可見到該影像者。本發明之主要目的在於即使係這種接目型影像顯示裝置，也不遮蔽觀察者的視野地賦予自然的穿戴感，同時使其構造小型化，以實現時尚的設計。

近年來，如例如穿戴在頭部使用之HMD，可安裝在使用者的身體使用之穿戴式裝置之需求持續升高。又，例如電腦或各種感測設備及LCD等影像顯示裝置，也正被小型化到可搭載於穿戴式裝置上之程度，搭載有這些設備之穿戴式裝置之開發正急速進行中。

例如在專利文獻1～3中，開示有先前之HMD。開示於專利文獻1～3之先前之HMD的構成，皆使自顯示元件被射出之影像光線，在稜鏡內傳播到觀察者的眼睛寬度方向（水平方向），以導引到光學瞳孔。 【先行技術文獻】 【專利文獻】

【專利文獻1】日本特開2004-317798號公報 【專利文獻2】日本特開2008-165063號公報 【專利文獻3】日本特開2010-122478號公報

先前之HMD幾乎都是所謂「眼鏡型」。所謂眼鏡型HMD，係透鏡及支撐透鏡之框架被配置於觀察者的兩眼前，在該透鏡或框架上，安裝有搭載有顯示元件等之影像顯示裝置之形式之裝置。在這種眼鏡型HMD，可安裝影像顯示裝置到眼鏡的透鏡或框架上，所以，被當作可穩定地安裝較大型之影像顯示裝置。

但是，當穿戴先前之眼鏡型HMD時，在觀察者的眼前，總是存在透鏡及框架，所以，對此觀察者給予顯著之穿戴感。亦即，在先前之HMD中，透鏡或框架必定會進入觀察者的視野中，所以，觀察者會有不得不總是意識到HMD存在之違和感。又，即使係視力良好者，當必須穿戴眼鏡型裝置時，其觀感也變得不自然。

而且，先前之眼鏡型HMD係被安裝在透鏡或框架上之影像顯示裝置為比較大型之物件。亦即，在先前之影像顯示裝置中，一般顯示影像之顯示光學系、及導引來自此顯示光學系之影像光線到觀察者瞳孔之接目光學系，係被收納於一個框體內。在此框體基本上，僅設有用於透過自接目光學系被射出之影像光線之窗體，其他部分係被遮蔽，使得光線不侵入。當這樣的框體存在於穿戴者眼前時，穿戴者係在其視野內，頻繁地捕捉影像顯示裝置的框體。因此，在先前之影像顯示裝置的構造中，有限制了穿戴者的視野，對於穿戴者給予不自然感或違和感之問題。

因此，在現在即使係搭載於HMD等之接目型影像顯示裝置，也被要求小型化其構造之技術，使得不遮蔽觀察者的視野地，可自然顯示影像。而且在現在，可說並不追求先前之眼鏡型，而是追求搭載有小型影像顯示裝置之時尚設計之HMD。

在此，本發明之發明者係針對解決上述先前發明的問題點，銳意檢討的結果，獲得藉兩張支撐板，在自顯示光學系被射出之影像光線的光路徑上，支撐接目光學系，同時在此兩張支撐板間，形成透過看進接目光學系之觀察者的視線之開口，藉此，可小型化影像顯示裝置的構造本身，而且，可盡量不遮蔽觀察者的視野之見識。而且，本發明者想到如果依據上述見識，可解決先前技術的課題，而完成本發明。

當具體說明時，本發明係具有以下之構成。

本發明係有關於一種影像顯示裝置。

本發明之影像顯示裝置具有顯示光學系10、接目光學系20及支撐件30。顯示光學系10包含顯示影像之顯示元件。接目光學系20係導引自顯示光學系10被射出之影像光線，到觀察者的光學瞳孔。支撐件30係在自顯示光學系10被射出之影像光線的光路上，支撐接目光學系20。

在此，支撐件30係具有彼此相向之第1支撐板31及第2支撐板32。接目光學系20係位於第1支撐板31與第2支撐板32之間。

而且，在第1支撐板31與第2支撐板32之間的至少一部份，形成有觀察者的視線透過之開口33。

如上述構成所示，在支撐接目光學系20之兩張支撐板31，32之間形成開口33，藉此，觀察者可通過該開口33，以辨認影像顯示裝置的深處側。又，雖然在觀察者眼前存在有兩張支撐板31，32，但是，觀察者僅辨認各支撐板31，32的厚度部分。因此，當依據本發明時，可極力不遮蔽觀察者的視野地辨認影像。而且，在本發明中，基本上僅藉兩張支撐板31，32支撐接目光學系20，所以，可小型化影像顯示裝置的構成。結果，當利用本發明之小型影像顯示裝置時，HMD的設計自由度提高，設計之變化幅度變大。因此，也可以實現與先前眼鏡型不同之時尚設計之HMD。

在本發明之影像顯示裝置中，最好支撐件30具有第1收納室34及第2收納室35。第1收納室34係顯示光學系10被收納，形成有透過來自顯示光學系10之影像光線之射出窗。又，第2收納室35係接目光學系20被收納，形成有透過來自顯示光學系10之影像光線之入射窗、及透過藉接目光學系20被導引之光線之接目窗。

而且，最好第1收納室34與第2收納室35，係藉第1支撐板31與第2支撐板32連結。

如上述構成所示，使顯示光學系10與接目光學系20，分別收納在收納室34，35，對於顯示光學系10或接目光學系20而言，防止外部光線直接入射，藉此，可防止被顯示之影像不鮮明。又，使第1收納室34與第2收納室35，藉第1支撐板31與第2支撐板32連結，藉此，可小型化影像顯示裝置之設計。

在本發明之影像顯示裝置中，最好開口33形成於第1收納室34與第2收納室35之間。

如上述構成所示，於第1收納室34與第2收納室35之間形成開口33，藉此，觀察者的視野很容易通過開口33，所以，可確保觀察者的視野較廣。

在本發明之影像顯示裝置中，最好第1支撐板31與第2支撐板32，係具有隨著自第1收納室34側往第2收納室35側，彼此的間隔逐漸接近地傾斜之傾斜部分31a，32a。

如上述構成所示，在第1支撐板31與第2支撐板32傾斜之構造中，被配置於觀察者眼前之第2收納室35係比第1收納室34還要小型。因此，可避免第2收納室35遮蔽觀察者的視野。又，斷定對於觀察者而言，與其兩張支撐板31，32係與橫向（眼睛寬度方向）平行延伸設置，還不如兩張支撐板31，32若干傾斜地延伸設置，其較難辨認兩張支撐板31，32。因此，在兩張支撐板31，32形成傾斜部分31a，32a，藉此，對於觀察者而言，可提供自然的視野。

本發明之另一側面，係具有上述影像顯示裝置之頭戴式顯示器。

如上所述，當依據本發明時，即使係被搭載於HMD等之上之接目型影像顯示裝置，也可以小型化其構造，使得可不遮蔽觀察者的視野地，自然顯示影像。又，使本發明之小型影像顯示裝置搭載在HMD，藉此，可提高HMD之設計自由度，擴大設計之變化幅度。

以下，使用圖面說明用於實施本發明之形態。本發明並不侷限於以下說明之形態，也包含該業者自以下形態在自知之範圍所做之適宜修正。

而且，在本申請案之圖面中，為容易瞭解裝置之立體方向，設定X軸、Y軸及Z軸的直交座標系。在本申請案專利說明書中為方便表示，將X軸方向當作橫向，將Y軸方向當作上下方向，將Z軸方向當作深處方向。

又，在本申請案專利說明書中，所謂「A～B」基本上係意味「大於A且小於B」。

圖1係表示本發明影像顯示裝置100一例的外觀立體圖。在圖1中，尤其，係表示構成影像顯示裝置100之支撐件30的外觀。所謂支撐件30，係用於支撐顯示影像之顯示光學系10、及導引自顯示光學系10被射出之影像光線到觀察者的光學瞳孔之接目光學系20之器具。支撐件30係在自顯示光學系10被射出之影像光線的光路上，支撐接目光學系20。

又，圖2a係自正面（XY面）觀看影像顯示裝置100之正視圖；圖2b係自平面（XZ面）觀看影像顯示裝置的俯視圖。

如圖1及圖2所示，支撐件30具有在上下方向（Y軸方向）彼此相向之兩張支撐板31，32。在本申請案專利說明書中，兩張支撐板31，32分別被稱做第1支撐板31及第2支撐板32。在本實施形態中，第1支撐板31係位於上方，第2支撐板32係位於下方。

又，如圖1所示，在兩張支撐板31，32的基端側，形成有第1收納室34。第1收納室34係上表面藉第1支撐板31的部分形成，其下表面藉第2支撐板32的部分形成，且形成有連接第1支撐板31與第2支撐板32地立設於上下方向（Y軸方向）之側壁34a，而成小房間。在第1收納室34，收納有具有用於顯示影像之影像元件等之顯示光學系10。又，如圖1所示，在第1收納室34的側壁34a，形成有透過自顯示光學系10被射出之影像光線之射出窗34b，或插入有被連接在顯示光學系10上之各種電線之插入窗34c。在顯示光學系10係透過插入窗34c，可連接用於控制顯示光學系10之動作之控制電線（圖未示），或用於供給電力到顯示光學系10之電力電線（圖未示）。

又，如圖1所示，在兩張支撐板31，32的尖端側，形成有第2收納室35。第2收納室35係上表面藉第1支撐板31的部分形成，其下表面藉第2支撐板32的部分形成，且形成有連接第1支撐板31與第2支撐板32地立設於上下方向（Y軸方向）之側壁35a，而成小房間。在第2收納室35，收納有導引自顯示光學系10被射出之影像光線到觀察者的光學瞳孔之稜鏡等之接目光學系20。在第2收納室35的側壁35a，形成有入射自顯示光學系10被射出之影像光線之入射窗35b，或透過自接目光學系20被射出之影像光線之接目窗35c。

如圖1所示，在第1收納室34與第2收納室35之間存在有空間。因此，自顯示光學系10被射出之影像光線，經過第1收納室34的射出窗34b以到達此空間。而且，通過射出窗34b之影像光線係經由此空間，通過第2收納室35的入射窗35b，被輸入到接目光學系20。之後，影像光線藉接目光學系20，被導引到觀察者的光學瞳孔。

而且，如圖1所示，在第1支撐板31與第2支撐板32間之至少局部，形成有透過觀察者的視線之開口33。當更詳細說明時，此開口33係當觀察者的光學瞳孔位於面對接目窗35c之位置時，通過該觀察者的視線之物件。亦即，如圖1所示，開口33係意味在第1支撐板31與第2支撐板32間，沒有形成立設於上下方向（Y軸方向）之側壁之部分。如圖1所示，此開口33係最好形成在自橫向（X軸方向）觀之，相當於第1收納室34與第2收納室35間之空間之位置。

圖3係概示使具有開口33之影像顯示裝置100，配置在觀察者的光學瞳孔E的眼前之情況。如圖3所示，在影像顯示裝置100的支撐件30形成開口33，藉此，可減少影像顯示裝置100遮蔽觀察者的視野之程度。亦即，影像顯示裝置100幾乎不進入觀察者的視野，所以，即使係對於觀察者提示影像時，也可以維持該觀察者自然的視野。又，在影像顯示裝置100設置開口33，藉此，可減少此影像顯示裝置100覆蓋觀察者的臉之程度。因此，即使觀察者穿戴搭載有影像顯示裝置100之HMD等之時，也可以緩和觀感之不自然度。

接著，參照圖2a、圖2b，說明影像顯示裝置100的支撐件30的更具體構造。

如圖2a所示，在第1收納室34與第2收納室35，其上下方向（Y軸方向）的高度不同。亦即，第2收納室35的高度H2比第1收納室34的高度H1低（H2＜H1）。例如當將第1收納室34的高度H1當作100％時，第2收納室35的高度H2最好係80％以下、60％以下或40％以下。具體說來，最好第2收納室35的高度H2係相對於第1收納室34的高度H1而言，係10％～80％、20％～60％或30％～50％。第2收納室35係存在於觀察者的眼前，所以，最好與第1收納室34相比較下更小型。

又，第1支撐板31與第2支撐板32，係連結高度不同之第1收納室34與第2收納室35。因此，第1支撐板31與第2支撐板32，為自第1收納室34的高度配合第2收納室35的高度，存在有傾斜部分31a，32a。亦即，此傾斜部分31a，32a係第1支撐板31與第2支撐板32，隨著自第1收納室34側往第2收納室35側，傾斜使得彼此的間隔逐漸靠近之部分。尤其，如圖1及圖2a、圖2b所示，此傾斜部分31a，32a最好係形成在形成有開口33之部分者。如此一來，判知在通過觀察者的視線之部分（開口33）中，藉傾斜第1支撐板31與第2支撐板32，觀察者變得很難辨認各支撐板31，32。亦即，對於觀察者而言，比起直線性延伸之支撐板31，32，斜向延伸之支撐板31，32感覺比較難以辨認。因此，藉在第1支撐板31與第2支撐板32形成傾斜部分31a，32a，可使觀察者的視野更好。

又，支撐板31，32係相對於影像顯示裝置100的橫向（X軸方向）延伸之影像光線的光軸而言之傾斜角度θ，係只要例如5度～60度、10度～40度或15度～30度即可。而且，在圖2a等所示之實施形態中，第1支撐板31傾斜之角度與第2支撐板32傾斜之角度被當作相同程度。但是，第1支撐板31傾斜之角度與第2支撐板32傾斜之角度，也可以分別不同。又，雖然省略圖示，但是，第1支撐板31與第2支撐板32未必兩者一定要具有傾斜部分。例如也可以第1支撐板31與第2支撐板32之任何一者具有傾斜部分。

又，在圖2a中，支撐件30的橫向（X軸方向）中之全長，係以編號EL表示，開口33的橫向（X軸方向）中之長度，係以編號AL表示。在此，開口33的長度AL係當將支撐件30的全長EL當作100％時，其最好係20％以上、30％以上或40％以上。具體說來，開口33的長度AL最好係相對於支撐件30的全長EL而言，20％～90％、30％～80％或40％～70％。如此一來，藉加大開口33的面積，可確保觀察者的視野較寬。

又，在圖2a中，形成有開口33之部分中之第1支撐板31與第2支撐板32的厚度，係以編號T表示。例如支撐板31，32的厚度T最好小於5mm。具體說來，支撐板31，32的厚度T，最好係0.1mm～5mm，尤其，0.5mm～3mm或1mm～2mm則更佳。在本發明中，係藉兩張支撐板31，32支撐接目光學系20。因此，即使使各支撐板31，32的厚度較薄，也可以十分堅固地支撐接目光學系20。又，藉使各支撐板31，32的厚度較薄，觀察者較難辨認支撐板31，32。藉此，可實現觀察者的自然視野。

接著，參照圖4，詳細說明具有影像顯示裝置100之光學系。圖4係自平面（XZ面描繪）描繪影像顯示裝置100的內部之圖面。如圖4所示，影像顯示裝置100具有：顯示光學系10，顯示影像；以及接目光學系20，導引自顯示光學系10被射出之影像光線到觀察者的光學瞳孔E。如上所述，顯示光學系10被收納在第1收納室34內，接目光學系20被收納在第2收納室35內。

而且，圖4所示之光學系，只不過係本發明的一實施形態。本發明係在圖4所示之光學系之外，也可以適宜採用其他眾所周知之物件。

如圖4所示，首先，顯示光學系10具有光源11、聚光透鏡12及顯示元件13。光源11最好係射出R（紅色）、G（綠色）及B（藍色）之各色之光線者。光源11最好係例如以RGB一體型LED面板構成者。而且，光源11也可以係射出單色光或白光者。又，聚光透鏡12係聚光來自光源11之光線，以供給到顯示元件13。又，顯示元件13係藉對應影像資訊以調變入射光，而顯示影像者。顯示元件13最好係以例如成為透過光線之領域之各畫素，被配置成矩陣狀之透過型液晶顯示元件來構成。如此一來，顯示光學系10之例係液晶顯示器（LCD：Liquid Crystal Display）。

接著，接目光學系20係導引來自上述顯示元件13之影像光線到光學瞳孔E之光學系。接目光學系20具有稜鏡21、接目透鏡22及修正透鏡23。稜鏡21係使來自顯示元件13之影像光線，在內部導光之導光構件。稜鏡21係成為具有影像光線的入射面21a、全反射面21b及射出面21c之形狀。而且，稜鏡21可以以單一之稜鏡構成，也可以組合複數稜鏡以構成。又，接目透鏡22係具有軸非對稱之正功率，使以全反射面21b全反射之影像光線聚光在光學瞳孔E。接目透鏡22係被接合在稜鏡21的射出面21c，以與稜鏡21一體化。又，修正透鏡23係用於修正藉接目透鏡22等所產生之光學系的像差之透鏡。接目透鏡22係被接合在稜鏡21的入射面21a，以與稜鏡21一體化。

在此，具體說明稜鏡21的構成。稜鏡21的入射面21a，係被設於與在橫向（X方向）上行進之影像光線的光軸垂直交叉之深處方向（Z方向）上。又，射出面21c係被設置使得相向觀察者的光學瞳孔E。全反射面21b係例如成矩形（長方形），發揮使影像光線的光路成直角彎曲之功能。具體說來，全反射面21b係使透過入射面21a，入射到稜鏡內部以在X方向上行進之影像光線，全反射到Z方向。

當依據上述構成時，自光源11被射出之光線，係以聚光透鏡12被聚光而入射到顯示元件13。光線被顯示元件13調變而成為影像光線。之後，自顯示元件13被射出之影像光線，入射到接目光學系20。在接目光學系20中，影像光線透過修正透鏡23及入射面21a，入射到稜鏡21的內部。之後，影像光線係沿著橫向（X軸方向）行進在稜鏡21的內部，光路藉全反射面21b被彎曲，而改變方向到深處方向（Y軸方向）以行進。藉此，影像光線係透過稜鏡21的射出面21c及接目透鏡22，被導引到觀察者的光學瞳孔E。如此一來，觀察者在光學瞳孔E之位置，可觀察藉顯示元件13被顯示之影像的放大虛像。

圖5係表示具有影像顯示裝置100之頭戴式顯示器（HMD）200的設計一例。如圖5所示，影像顯示裝置100可極小型化，以搭載在頭戴式顯示器(HMD)200的接目部分。如此一來，當依據本發明之影像顯示裝置100時，可實現不同於先前眼鏡型HMD之時尚設計HMD。

以上，在本申請案專利說明書中，為表現本發明的內容，一邊參照圖面，一邊說明本發明的實施形態。但是，本發明並不侷限於上述實施形態，也包含依據本申請案專利說明書所述之事項，而該業者自知之變更形態或改良形態。

本發明係有關於被搭載於HMD等之上之接目型影像顯示裝置。因此，本發明非常適用於穿戴型裝置之製造產業。

10‧‧‧顯示光學系
11‧‧‧光源
12‧‧‧聚光透鏡
13‧‧‧顯示元件
20‧‧‧接目光學系
21‧‧‧稜鏡
21a‧‧‧入射面
21b‧‧‧全反射面
21c‧‧‧射出面
22‧‧‧接目透鏡
23‧‧‧修正透鏡
30‧‧‧支撐件
31‧‧‧第1支撐板
32‧‧‧第2支撐板
31a，32a‧‧‧傾斜部分
33‧‧‧開口
34‧‧‧第1收納室
34a‧‧‧側壁
34b‧‧‧射出窗
34c‧‧‧插入窗
35‧‧‧第2收納室
35a‧‧‧側壁
35b‧‧‧入射窗
35c‧‧‧接目窗
100‧‧‧影像顯示裝置
200‧‧‧頭戴式顯示器

圖1係表示本發明影像顯示裝置外觀一例的立體圖。 圖2a係影像顯示裝置的正視圖。 圖2b係影像顯示裝置的俯視圖。 圖3係概示設置影像顯示裝置在觀察者的光學瞳孔前之狀態。 圖4係表示具備在影像顯示裝置上之光學系的實例的方塊圖。 圖5係表示具有影像顯示裝置之HMD的設計一例的立體圖。

10‧‧‧顯示光學系

20‧‧‧接目光學系

30‧‧‧支撐件

31‧‧‧第1支撐板

31a‧‧‧傾斜部分

32a‧‧‧傾斜部分

32‧‧‧第2支撐板

33‧‧‧開口

34‧‧‧第1收納室

34a‧‧‧側壁

34b‧‧‧射出窗

34c‧‧‧插入窗

35‧‧‧第2收納室

35a‧‧‧側壁

35b‧‧‧入射窗

35c‧‧‧接目窗

100‧‧‧影像顯示裝置

Claims (3)

1. 一種影像顯示裝置，其包含：一顯示光學系，投射一影像光線；一接目光學系，導引自前述顯示光學系被射出之影像光線，到觀察者的光學瞳孔；以及一支撐件，在自前述顯示光學系被射出之影像光線的光路上，支撐前述接目光學系，其中，前述支撐件係具有：彼此相向之一第1支撐板及一第2支撐板；一第1收納室，前述顯示光學系被收納，形成有透過前述影像光線之一射出窗；以及一第2收納室，前述接目光學系被收納，形成有透過前述影像光線之一入射窗、及透過藉前述接目光學系被導引之光線之一接目窗；其中，前述第1收納室與前述第2收納室係設於前述第1支撐板及第2支撐板之間；其中，在前述第1支撐板與前述第2支撐板之間的至少一部份，形成有前述觀察者的視線透過之一開口；其中，前述第1收納室與前述第2收納室，係藉前述第1支撐板與前述第2支撐板連結；其中，前述第1收納室與前述第2收納室之上表面係由前述第1支撐板之部分所形成，而前述第1收納室與前述第2收納室之下表面係由前述第2支撐板之部分所形成；其中，前述開口形成於前述第1收納室與前述第2收納室之間。
2. 依申請專利範圍第1項所述之影像顯示裝置，其中，前述第1支撐板與前述第2支撐板之兩者或至少一者，係具有自前述第1收納室側往前述第2收納室側，彼此的間隔逐漸接近地傾斜之傾斜部分。
3. 一種頭戴式顯示器，其具有申請專利範圍第1項或第2項所述之影像顯示裝置。