TWI587007B

TWI587007B - 具視力補償之頭戴式顯示裝置

Info

Publication number: TWI587007B
Application number: TW104131956A
Authority: TW
Inventors: 陳宏山; 林怡欣
Original assignee: 源奇科技股份有限公司; 國立交通大學
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2017-06-11
Also published as: TW201712400A

Description

具視力補償之頭戴式顯示裝置

本發明係有關於一種頭戴式顯示器，特別是關於一種採用液晶透鏡陣列模組並具視力補償的頭戴式顯示器。

頭戴式顯示器(Head mounted display，HMD)是一種用於近距離顯示圖片與影像的光學產品，利用光路調整顯示器的訊號，再經過光學組件分別送到雙眼或單眼，而產生畫面。一般頭戴式顯示器是需要配戴眼鏡才能夠觀賞的，但對於使用者來說，同時佩戴眼鏡以及頭戴式顯示器會讓使用者不舒適。一種傳統2維/3維切換式顯示系統(switching display)，其液晶透鏡切換焦距的功能是用來切換左眼與右眼所看到不同的影像；或者用來積分成像(integral imaging)，其液晶透鏡切換焦距的原理是將帶有3維資訊的基礎影像(elementary images)成像到不同焦平面。像素然，此兩種應用非用來解決視力的問題。

本發明目的之一係提供一種具視力補償之頭戴式顯示器，透過電控液晶透鏡陣列(microlens)將原本顯示器的位置成像到主透鏡焦平面附近，藉由將最終成像之虛像放置在不同位置，以達成矯正異常視力度數或達成擴增實境(Augmented Reality)的效果。

本發明提供一種具視力補償之頭戴式顯示裝置，包含：一顯示模組、一透鏡模組、一電壓控制構件。顯示模組，其用以顯示一影像。透鏡模組，其設置於顯示模組之一出光光路，用以形成影像之一放大影像以供一使用者觀看；一液晶透鏡陣列模組，其設置於該顯示模組上，其中液晶透鏡陣列模組以方型矩陣圖形作為填充設計。電壓控制構件，其係電性連接該液晶透鏡陣列模組以調整該液晶透鏡陣列模組的焦距，藉以改變該影像於該顯示模組的成像位置，以補償該使用者之一異常視力。

以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

1‧‧‧頭戴式顯示裝置

10‧‧‧顯示模組

11‧‧‧光源

12‧‧‧透鏡模組

121‧‧‧出光側

122‧‧‧光學透鏡

124‧‧‧反射鏡

14‧‧‧液晶透鏡陣列模組

142,144‧‧‧液晶盒

1421,1441‧‧‧上基板

1422,1442‧‧‧下基板

1423‧‧‧液晶

1424‧‧‧上電極層

1425‧‧‧下電極層

1426‧‧‧配向層

16‧‧‧電壓控制構件

17‧‧‧分光構件

172‧‧‧分光鏡

174‧‧‧偏振分光鏡

18‧‧‧導光構件

182‧‧‧波導元件

1821‧‧‧入光表面

1823‧‧‧出光表面

184‧‧‧繞射元件

2‧‧‧使用者

P‧‧‧出光光路

X1,X1’,X2‧‧‧位置

圖1為本發明一實施例之具視力補償之頭戴式顯示器的結構示意圖。

圖2A、圖2B為不同實施例之液晶盒結構。

圖3A、圖3B為本發明一實施例之操作範例的示意圖。

圖4為本發明一實施例之具視力補償之頭戴式顯示器的結構示意圖。

圖5為本發明又一實施例之具視力補償之頭戴式顯示器的結構示意圖。

本發明主要提供一種具視力補償之頭戴式顯示裝置，包含：一顯示模組、一透鏡模組、一液晶透鏡陣列模組，及一電壓控制構件。一液晶透鏡陣列模組設置於該顯示模組上，且液晶透鏡陣列模組以方型矩陣圖形作為填充設計。電壓控制構件，其係電性連接該液晶透鏡陣列模組以調整該液晶透鏡陣列模組的焦距，藉以改變該影像於該顯示模組的成像位置，以補償該使用者之一異常視力。以下將詳述本案的各實施例，並配合圖式作為例示。除了這些詳細描述之外，本發明還可以廣泛地施行在其他的實施例中，任何所述實施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本案的範圍內，並以之後的專利範圍為準。在說明書的描述中，為了使讀者對本發明有較完整的瞭解，提供了許多特定細節；然而，本發明可能在省略部分或全部這些特定細節的前提下，仍可實施。此外，眾所周知的步驟或元件並未描述於細節中，以避免造成本發明不必要之限制。圖式中相同或類似之元件將以相同或類似符號來表示。特別注意的是，圖式僅為示意之用，並非代表元件實際的尺寸或數量，不相關的細節未完全繪出，以求圖式的簡潔。

首先，請參考圖1所示，圖1為本發明一實施例具視力補償之頭戴式顯示器的結構示意圖。如圖所示，一種具視力補償之頭戴式顯示裝置1，包含：一顯示模組10、一透鏡模組12、一液晶透鏡陣列模組14及一電壓控制構件16。顯示模組10，其用以顯示一影像。透鏡模組12，其設置於顯示模組10之一出光光路P，用以形成影像之一放大影像以供一使用者2觀看，於此實施例中，透鏡模組12包含多個光學透鏡122。液晶透鏡陣列模組14，其設置於顯示模組10與透鏡模組12之間，於一實施例中，液晶透鏡陣列模組14為微液晶透鏡陣列模組(micro lens array)。電壓控制構件16，其係電性連接液晶透鏡陣列模組14以調整液晶透鏡陣列模組14的焦距，藉以改變影像於顯示模組10的成像位置，以補償使用者2之一異常視力。在改變液晶透鏡陣列模組14的焦距時，顯示模組10上像素(pixel)顯示的影像也需要做調整以配合局部放大或縮小。因此，液晶透鏡陣列模組14的焦距和顯示模組10上像素顯示的影像是有一優化關係的。於一實施例中，異常視力為一近視、一遠視及一散光至少其中之一。本發明能讓使用者利用連續調變液晶透鏡陣列之焦距來有效調整度數以符合各使用者需求。

承上，於又一實施例中，液晶透鏡陣列模組14設置於顯示模組10與透鏡模組12之間，較佳者，如圖所示，液晶透鏡陣列模組14是設置於顯示模組10上。於又一實施例中，液晶透鏡陣列模組14係以折射率匹配的方式設置於顯示模組10上，一實施例中，例如在顯示模組10與液晶透鏡陣列模組14間設置一鍍膜層，此鍍膜層的折射率經特別計算可以抵銷界面反射。而液晶透鏡陣列模組14係包含複數個液晶透鏡，且每一個液晶透鏡包含均勻厚度的液晶盒142，如圖2A所示，每一個液晶盒142包含一上基板1421及一下基板1422上下設置以夾設複數液晶1423於其中，上基板1421設有一上電極層1424於其上或於其下；下基板1422上依序包含但不限於一下電極層1425及一配向層1426，而其驅動方式為現有技術，此即不再贅述。可以理解的是，每一個液晶透鏡亦可包含不均勻厚度的液晶盒144，如圖2B所示，其配置方式與圖2A之實施例大致相同，唯一較大差異在於，上基板1441為一有曲面的基板，以與下基板1442形成一不均勻厚度的液晶盒144。其中液晶透鏡陣列模組的有效焦距的變化為方型陣列的形狀，舉例而言，液晶透鏡陣列模組係以方型矩陣圖形作為填充設計，且其具有高填充率(filling factor)，較佳者，其為百分之一百填充。以方型矩陣圖形做為設計，主要具有以下好處是(1)方型可使填充率很高：使填充率接近100%，可具有良好透鏡效果。(2)因像素亦為方型，故可使液晶透鏡陣列模組14與像素容易對應。

接續上述，於一實施例中，電壓控制構件16為單一像素驅動或者電壓控制構件16為像素化(pixelated)的方式驅動。承上，當需要修正視角的關係時，其必須考慮到斜向的像差，故可利用局部控制液晶透鏡陣列模組14的焦距來完成，因此電壓控制構件16可以單一像素驅動的方式控制液晶透鏡陣列模組或者以像素化(pixelated)的方式驅動液晶透鏡陣列模組。接者，請參考圖3A及圖3B，其為本發明一操作範例，於此實施例中，當電壓控制構件16未施加電壓時，顯示模組10對於透鏡模組12產生的成像位置例如於位置X1；當電壓控制構件16對於液晶透鏡陣列模組14施以一電壓時，電壓驅動方式包含但不限於上述方式，則顯示模組10對於液晶透鏡陣列模組14的成像位置移至位置X1’，而對透鏡模組12所產生的成像位置位於位置X2，藉此方式將最終成像之虛像放置在不同位置，以達成矯正視力度數或擴增實境的功效。

於又一實施例中，如圖4所示，透鏡模組12包含一反射鏡124。而具視力補償之頭戴式顯示裝置1更包含一分光構件17設置於透鏡模組12之出光側121或顯示模組10以及透鏡模組12之間。其中分光構件17包含分光鏡172、偏振分光鏡174至少其中一個，如分光構件17同時包含分光鏡172與偏振分光鏡174，則如圖所示，光源11設置於偏振分光鏡174遠離液晶透鏡陣列模組14的一側。於一實施例中，顯示模組10包含但不限於反射式矽基板液晶顯示面板(LCoS panel，Liquid Crystal on Silicon panel)或微顯示器(microdisplay)。

於再一實施例中，如圖5所示，具視力補償之頭戴式顯示裝置更包含：一導光構件18設置於透鏡模組12之出光側121。導光構件18包含但不限於一波導元件182及至少一繞射元件184，且繞射元件184設置於波導元件 182的入光表面1821及出光表面1823。其中如何調整度數的技術手段已描述於上述的實施例中，故圖4、圖5之實施例即不再贅述。

綜合上述，本發明提出一種具視力補償之頭戴式顯示裝置，透過電控液晶透鏡陣列(microlens)將原本顯示器的位置成像到主透鏡焦平面附近，藉由將最終成像之虛像放置在不同位置，以達成矯正異常視力度數或達成擴增實境(Augmented Reality)的效果。此裝置可減少使用者手動微調，更者，缺少手動調整機構，可有效減少系統所需空間，增加使用者配戴的舒適感。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本發明所申請之專利範圍的範疇應該根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。

<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0046"><TBODY><tr><td> 1 </td><td> 頭戴式顯示裝置 </td></tr><tr><td> 10 </td><td> 顯示模組 </td></tr><tr><td> 12 </td><td> 透鏡模組 </td></tr><tr><td> 122 </td><td> 光學透鏡 </td></tr><tr><td> 14 </td><td> 液晶透鏡陣列模組 </td></tr><tr><td> 16 </td><td> 電壓控制構件 </td></tr><tr><td> 2 </td><td> 使用者 </td></tr><tr><td> P </td><td> 出光光路 </td></tr><tr><td> </td><td> </td></tr><tr><td> </td><td> </td></tr></TBODY></TABLE>

Claims

一種具視力補償之頭戴式顯示裝置，包含：一顯示模組，用以顯示一影像；一透鏡模組，其設置於該顯示模組之一出光光路，用以形成該影像之一放大影像以供一使用者觀看；以及一液晶透鏡陣列模組，其設置於該顯示模組上，且該液晶透鏡陣列模組以方型矩陣圖形作為填充設計；以及一電壓控制構件，其係電性連接該液晶透鏡陣列模組以調整該液晶透鏡陣列模組的焦距，藉以改變該影像於該顯示模組的成像位置，以補償該使用者之一異常視力。
如請求項1所述之具視力補償之頭戴式顯示裝置，其中透鏡模組包含一反射鏡。
如請求項1所述之具視力補償之頭戴式顯示裝置，其中該液晶透鏡陣列模組係包含複數個液晶透鏡，且每一個該液晶透鏡包含均勻厚度的液晶盒。
如請求項1所述之具視力補償之頭戴式顯示裝置，其中該液晶透鏡陣列模組係包含複數個液晶透鏡，且每一個該液晶透鏡包含不均勻厚度的液晶盒。
如請求項1所述之具視力補償之頭戴式顯示裝置，更包含：一分光構件，其設置於該透鏡模組之出光側或該顯示模組以及該透鏡模組之間。
如請求項5所述之具視力補償之頭戴式顯示裝置，其中該分光構件包含分光鏡、偏振分光鏡至少其中一個。
如請求項1所述之具視力補償之頭戴式顯示裝置，更包含：一導光構件，其設置於該透鏡模組之出光側。
請求項7所述之具視力補償之頭戴式顯示裝置，其中該導光元件包含一波導元件及至少一繞射元件，且該繞射元件設置於該波導元件的出光表面及入光表面。
如請求項1所述之具視力補償之頭戴式顯示裝置，其中該液晶透鏡陣列模組係以折射率匹配的方式設置於該顯示模組上。