TWI547717B - 頭戴式顯示裝置 - Google Patents

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TWI547717B
TWI547717B TW104115227A TW104115227A TWI547717B TW I547717 B TWI547717 B TW I547717B TW 104115227 A TW104115227 A TW 104115227A TW 104115227 A TW104115227 A TW 104115227A TW I547717 B TWI547717 B TW I547717B
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light
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潘瑞文
葉彥麟
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華邦電子股份有限公司
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Description

頭戴式顯示裝置
本發明關於顯示裝置，特別是關於頭戴式顯示裝置。
頭戴式影像顯示裝置通常是以眼鏡、眼罩或頭盔等形式，把微型顯示器及光學元件固定在使用者眼睛的周圍，以藉由光學元件將來自微型顯示器的影像光束導引至使用者的眼中。
為了避免頭戴式顯示裝置遮蔽到使用者的視線以及提升頭戴式顯示裝置使用上的便利性及安全性，目前頭戴式顯示裝置發展出自由取面式菱鏡設計和導光板式設計。就導光板式設計而言，有技術提出在導光板內嵌入週期性的分光層，也有技術提出在導光板的表面上形成多個微結構，並在微結構上鍍上反射膜，以達到將影像光束導引出導光板並傳遞至使用者眼中之目的。然而，上述技術的製作門檻高，而難以實施。
本發明提供一種頭戴式顯示裝置，其製作門檻相對低。
本發明的一種頭戴式顯示裝置，其具有第一入光區以及 第一出光區。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、第一準直透鏡以及第一填充結構。第一導光板具有第一外表面以及與第一外表面相對的第一內表面。第一內表面具有位於第一出光區中的多個第一鏤空微結構。第一微型顯示器位於第一入光區中且朝向第一內表面。第一反射鏡位於第一入光區中、斜向設置在第一導光板且朝向第一微型顯示器。第一準直透鏡位於第一入光區中且設置在第一反射鏡與第一微型顯示器之間。第一填充結構填入第一鏤空微結構中，其中第一填充結構的折射率大於第一導光板的折射率。
基於上述，導光板對應使用者眼睛的位置具有可將影像光束導引出導光板的鏤空微結構，且鏤空微結構中填充有折射率相對高的填充結構。因此，影像光束進入第一填充結構後會在填充結構與鏤空微結構的交界發生全反射而傳遞至使用者的眼中。 是以，本發明可以不用藉由鍍反射膜來達到導引影像光束之目的，從而提升頭戴式顯示裝置於製作上的可行性。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‧‧‧頭戴式顯示裝置
110‧‧‧第一導光板
112‧‧‧第一鏤空微結構
120‧‧‧第一微型顯示器
130‧‧‧第一反射鏡
140‧‧‧第一準直透鏡
150‧‧‧第一填充結構
152‧‧‧第一填充微結構
154‧‧‧連接結構
210‧‧‧第二導光板
212‧‧‧第二鏤空微結構
220‧‧‧第二微型顯示器
230‧‧‧第二反射鏡
240‧‧‧第二準直透鏡
250‧‧‧第二填充結構
A11‧‧‧第一入光區
A12‧‧‧第一出光區
A21‧‧‧第二入光區
A22‧‧‧第二出光區
D、D112A‧‧‧深度
D1‧‧‧第一方向
D2‧‧‧第二方向
D3‧‧‧第三方向
D110A‧‧‧厚度
DMAX‧‧‧最大厚度
E1‧‧‧第一眼
E2‧‧‧第二眼
F‧‧‧固定裝置
I‧‧‧交界
L、L0、L1、L2‧‧‧影像光束
S11‧‧‧第一外表面
S12‧‧‧第一內表面
S21‧‧‧第二外表面
S22‧‧‧第二內表面
W‧‧‧寬度
α、α’、α”、μ、μ’、μ”‧‧‧入射角
β、γ‧‧‧底角
‧‧‧夾角
θ‧‧‧半視角
θ’、θ”‧‧‧出射角
圖1A為本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的上視示意圖。
圖1B是圖1A的頭戴式顯示裝置的局部側視示意圖。
圖1C至圖1F繪示影像光束於圖1A的頭戴式顯示裝置中的傳遞路徑。
圖2為本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的上視示意圖。
請先參照圖1A及圖1B，頭戴式顯示裝置100具有第一入光區A11以及第一出光區A12，其中第一出光區A12可位於第一入光區A11的一側。然而，入光區與出光區2的相對關係及距離可視實際設計需求改變，而不限於圖1A所繪示者。
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、第一準直透鏡140及第一填充結構150。第一導光板110的折射率大於1，以藉由全反射的方式將光束導引於其中。舉例而言，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。
第一導光板110的形狀可為長方體，且第一導光板110可具有多個平行於由第一方向D1、第二方向D2以及第三方向D3的其中兩者所構成的平面，其中第一方向D1、第二方向D2以及第三方向D3彼此垂直。如圖1A所示，第一導光板110具有第一外表面S11以及與第一外表面S11相對的第一內表面S12。第一外表面S11以及第一內表面S12皆平行於由第一方向D1以及第三方向D3所構成的平面。在實際操作時，第一內表面S12位於第一外表面S11與使用者的第一眼E1之間。
第一內表面S12具有多個第一鏤空微結構112位於第一出光區A12中且對應使用者的第一眼E1設置。第一鏤空微結構112適於將傳遞於第一導光板110中的影像光束L導引出第一導光板110。舉例而言，各第一鏤空微結構112可為鏤空的三角柱狀微結構，其中第一鏤空微結構112可沿第一方向D1排列，且各第一鏤空微結構112可沿第三方向D3延伸。
請配合參閱圖1B，在第三方向D3上，第一鏤空微結構112的深度D112A可等於第一導光板110的厚度D110A。各第一鏤空微結構112在第一方向D1上的寬度W例如落在10微米至100微米的範圍內，較佳落在10微米至50微米的範圍。此外，在第二方向D2上，各第一鏤空微結構112的深度D可小於第一導光板110的最大厚度DMAX。然而，微結構的實際尺寸可依不同的設計需求改變，不限於上述。
第一微型顯示器120位於第一入光區A11中且朝向第一內表面S12。在本實施例中，第一內表面S12位於第一微型顯示器120與第一外表面S11之間，且來自第一微型顯示器120的影像光束L自第一內表面S12進入第一導光板110中。依據不同的需求，第一微型顯示器120可選自可見光微型顯示器或紅外線微型顯示器，其中可見光微型顯示器可以是微型的有機發光顯示器、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位於第一入光區A11中、斜向設置在第 一導光板110且朝向第一微型顯示器120。具體地，第一反射鏡130設置在自第一內表面S12進入第一導光板110中的影像光束L的傳遞路徑上，用以反射進入第一導光板110中的影像光束L，使影像光束L朝第一鏤空微結構112傳遞。須說明的是，此處的第一反射鏡130也可以涵蓋到設置於導光板110表面上的反射層的實施方式，圖式在此省略。
第一準直透鏡140位於第一入光區A11中且設置在第一 反射鏡130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L準直地傳遞至第一導光板110內。第一準直透鏡140可以包括單一透鏡或多個透鏡，所述透鏡可選自於球面透鏡、非球面透鏡、膠合透鏡或其組合。第一準直透鏡140可承靠在第一導光板110的第一內表面S12，以具有較佳之匯聚效果，但不以此為限。
第一填充結構150填入第一鏤空微結構112中，且第一 填充結構150的折射率大於第一導光板110的折射率，以使影像光束L進入第一填充結構150後且傳遞至第一填充結構150與第一鏤空微結構112的交界I時藉由全反射而傳遞至使用者的第一眼E1。如此，頭戴式顯示裝置100可以省略反射膜的設置，從而提升頭戴式顯示裝置100於製作上的可行性。
在實際製作上，第一導光板110的材質可選擇折射率落 在1.3至1.55的範圍內的材質，而第一填充結構150的材質可選擇折射率落在1.7至2.5的範圍內的材質。依據材質的不同，第一 導光板110與第一填充結構150各自的製作方法以及第一導光板110與第一填充結構150接合的方式可有所不同。舉例而言，當第一導光板110的材質採用折射率約為1.46的聚甲基戊烯(polymethylpentene，TPX)，而第一填充結構150的材質採用折射率約為1.9的玻璃材料(如OHARA公司的S-NPH2)時，第一導光板110與第一填充結構150可以各自成型，然後再藉由黏著劑彼此接合。此時，黏著劑的材質例如選用折射率與第一導光板110的折射率相同的材質。
此外，第一填充結構150可具有多個第一填充微結構152。各第一填充微結構152分別填入其中一第一鏤空微結構112中，且各第一填充微結構152的形狀與各第一鏤空微結構112的形狀互補。舉例而言，各第一填充微結構152可為三角柱狀微結構。
第一填充結構150還可選擇性地具有連接第一填充微結構152的連接結構154。連接結構154位於第一填充微結構152的一側，且第一填充微結構152位於連接結構154與第一導光板110之間。在本實施例中，第一內表面S12僅具有可容納第一填充微結構152的第一鏤空微結構112，因此連接結構154凸出於第一導光板110之外，而第一填充微結構152與連接結構154連接的表面與第一內表面S12齊平，但本發明不限於此。在另一實施例中，第一內表面S12可具有用以容納連接結構154的凹槽。如此，第一填充結構150可整個填入第一導光板110中。
在實際操作時，影像光束L自頭戴式顯示裝置100射出的角度會與第一導光板110的折射率n1、第一填充結構150的折射率n2、第一反射鏡130與第一內表面S12的夾角、來自第一準直透鏡140的影像光束L的半視角θ等相關。請參照圖1C及圖1D，影像光束L包括正向入射進第一導光板110的影像光束L0。由圖1C可推得影像光束L0在第一反射鏡130的入射角恰等於夾角。此外，影像光束L0在第一內表面S12以及第一外表面S11的入射角α符合式(1)。
根據司乃耳定律以及全反射條件，可推得式(2)。請參照圖1D，若欲使影像光束L0正向入射進第一鏤空微結構112，且在交界I以入射角μ進行全反射時，入射角μ須滿足式(3)。另外，由圖1D可推得式(4)。結合式(1)及式(4)可推得式(5)。
α+2μ=180° 式(4)
請再參照圖1C，考量來自第一準直透鏡140的影像光束L的半視角θ，影像光束L1在第一內表面S12以及第一外表面S11的入射角變為α’，而影像光束L2在第一內表面S12以及第一外表面S11的入射角變為α”。由圖1C可推得式(6)。此外，根據司乃耳定律以及全反射條件，入射角α’、α”須滿足式(7)。由式(6)及式 (7)可推得式(8)。
請參照圖1E及圖1F，影像光束L1、L2進入第一填充結構150的入射角恰等於半視角θ，且影像光束L1的出射角為θ’，而影像光束L2的出射角為θ”。根據司乃耳定律，出射角θ’、θ”須滿足式(9)。此外，影像光束L1在交界I的入射角為μ’，而影像光束L2在交界I的入射角為μ”。由圖1E及圖1F可推得式(10)。 另外，入射角μ’、μ”須滿足式(11)以實現全反射。由式(5)、式(9)至式(11)可推得式(12)。綜合式(8)及式(12)可得出式(13)。另外，由圖1D可推得，第一鏤空微結構112靠近第一反射鏡130的底角β加上2倍的入射角μ等於180度，又α+2μ=180°，因此，底角β實質上等於入射角α，即底角β的角度實質上等於(2)。然而，底角β的實際角度可能因製程參數而有±10度的落差。此外，由圖1D亦可推得，第一鏤空微結構112遠離第一反射鏡130的底角γ等於入射角μ，又μ=90°-，因此，底角γ的角度實質上等於(90°-)。然而，底角γ的實際角度亦可能因製程參數而有±10度的落差。
μ'=μ+θ'，μ"=μ-θ"‧‧‧式(10)
圖2所示另一實施例之頭戴式顯示裝置200大致相似於 圖1A的頭戴式顯示裝置100，相似的元件以相同的標號表示，不再贅述，主要差異在於，頭戴式顯示裝置200還具有第二入光區A21以及第二出光區A22，且頭戴式顯示裝置200進一步包括第二導光板210、第二微型顯示器220、第二反射鏡230、第二準直透鏡240以及第二填充結構250。
第二導光板210具有第二外表面S21以及與第二外表面 S21相對的第二內表面S22。第二內表面S22具有位於第二出光區A22中的多個第二鏤空微結構212。第二微型顯示器220位於第二入光區A21中且朝向第二內表面S22。第二反射鏡230位於第二入光區A21中、斜向設置在第二導光板210且朝向第二微型顯示器220。第二準直透鏡240位於第二入光區A21中且設置在第二反射鏡230與第二微型顯示器220之間。第二填充結構250填入第二鏤空微結構212中，其中第二填充結構250的折射率大於第二導光板210的折射率。
第二導光板210、第二微型顯示器220、第二反射鏡230、 第二準直透鏡240以及第二填充結構250的相關內容可參見圖1A中各相對應元件的描述，於此不再贅述。值得一提的是，當第一微型顯示器120以及第二微型顯示器220皆為可見光微型顯示器時，透過使第一微型顯示器120所輸出的影像光束與第二微型顯 示器220所輸出的影像光束具有視差，則可讓配戴頭戴式顯示裝置200的使用者看見立體影像。換句話說，頭戴式顯示裝置200可用於進行3D顯示。在本實施例中，頭戴式顯示裝置200還可進一步包括固定裝置F，以將第一導光板110、第一微型顯示器120、第一反射鏡130、第一準直透鏡140以及第一填充結構150鄰近設置於使用者的第一眼E1，且將第二導光板210、第二微型顯示器220、第二反射鏡230、第二準直透鏡240以及第二填充結構250鄰近設置於使用者的第二眼E2。固定裝置F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。
綜上，本發明上述實施例中的填充結構填入導光板的鏤空微結構中，且填充結構的折射率大於導光板的折射率。因此，傳遞至填充結構的影像光束可藉由全反射而傳遞至使用者的眼中。是以，本發明的頭戴式顯示裝置可以不用藉由鍍反射膜來達到導引影像光束之目的，從而提升頭戴式顯示裝置於製作上的可行性。
100‧‧‧頭戴式顯示裝置
110‧‧‧第一導光板
112‧‧‧第一鏤空微結構
120‧‧‧第一微型顯示器
130‧‧‧第一反射鏡
140‧‧‧第一準直透鏡
150‧‧‧第一填充結構
152‧‧‧第一填充微結構
154‧‧‧連接結構
A11‧‧‧第一入光區
A12‧‧‧第一出光區
D‧‧‧深度
D1‧‧‧第一方向
D2‧‧‧第二方向
D3‧‧‧第三方向
DMAX‧‧‧最大厚度
E1‧‧‧第一眼
I‧‧‧交界
L‧‧‧影像光束
S11‧‧‧第一外表面
S12‧‧‧第一內表面
W‧‧‧寬度

Claims (10)

  1. 一種頭戴式顯示裝置，具有一第一入光區以及一第一出光區，該頭戴式顯示裝置包括：一第一導光板，具有一第一外表面以及一與該第一外表面相對的第一內表面，該第一內表面具有位於該第一出光區中的多個第一鏤空微結構；一第一微型顯示器，位於該第一入光區中且朝向該第一內表面；一第一反射鏡，位於該第一入光區中、斜向設置在該第一導光板且朝向該第一微型顯示器；一第一準直透鏡，位於該第一入光區中且設置在該第一反射鏡與該第一微型顯示器之間；以及一第一填充結構，填入該些第一鏤空微結構中，其中該些第一填充結構的折射率大於該第一導光板的折射率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一填充結構具有多個第一填充微結構，各該第一填充微結構分別填入其中一第一鏤空微結構中，且各該第一填充微結構的形狀與各該第一鏤空微結構的形狀互補。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中各該第一鏤空微結構為鏤空的三角柱狀微結構。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一反射鏡與該第一內表面的夾角為，來自該第一準直透鏡的影像 光束的半視角為θ，該第一導光板的折射率為n1，該第一填充結構的折射率為n2，且。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的頭戴式顯示裝置，其中各該第一鏤空微結構靠近該第一反射鏡的底角的角度實質上等於(2)，且各該第一鏤空微結構遠離該第一反射鏡的底角的角度實質上等於(90°-)。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一導光板的折射率落在1.3至1.55的範圍內，且該第一填充結構的折射率落在1.7至2.5的範圍內。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中在該些第一鏤空微結構的排列方向上，各該第一鏤空微結構的寬度落在10微米至50微米的範圍內。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中在垂直該第一內表面的方向上，各該第一鏤空微結構的深度小於該第一導光板的最大厚度。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置還具有一第二入光區以及一第二出光區，且該頭戴式顯示裝置更包括：一第二導光板，具有一第二外表面以及一與該第二外表面相對的第二內表面，該第二內表面具有位於該第二出光區中的多個第二鏤空微結構；一第二微型顯示器，位於該第二入光區中且朝向該第二內表面； 一第二反射鏡，位於該第二入光區中、斜向設置在該第二導光板且朝向該第二微型顯示器；一第二準直透鏡，位於該第二入光區中且設置在該第二反射鏡與該第二微型顯示器之間；以及一第二填充結構，填入該些第二鏤空微結構中，其中該些第二填充結構的折射率大於該第二導光板的折射率。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的頭戴式顯示裝置，更包括：一固定裝置，將該第一導光板、該第一微型顯示器、該第一反射鏡、該第一準直透鏡以及該第一填充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、該第二準直透鏡以及該第二填充結構鄰近設置於該使用者的一第二眼。
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