TWI588538B - 頭戴式顯示器 - Google Patents

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TWI588538B
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黃俊杰
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Description

頭戴式顯示器
本揭露係關於一種頭戴式顯示器，特別係關於一種頭戴式立體顯示器。
近年來，隨著虛擬實境(Virtual Reality；VR)的技術蓬勃發展，能呈現立體視覺顯示的光學產品已成為消費市場上的注目焦點。傳統上，頭戴式顯示器可分別提供不同的影像至使用者之左眼與右眼，使得使用者之左眼與右眼可分別接收不同的影像資訊，再利用人類的兩眼視差，從而觀看到立體的影像。然而，傳統頭戴式立體顯示器之結構複雜、體積龐大且厚重，影響使用者於配戴時的方便度與舒適度。
本揭露提供一種頭戴式顯示器，其可減少頭戴式顯示器之水平面積，而可提升配戴的方便與舒適度。
依據本揭露之部分實施方式，頭戴式顯示器包含第一光源模組、第二光源模組、光反向偏轉模組、影像輸出模組、第一目鏡模組、第二目鏡模組與分光鏡。第一光源模組係用以發射第一光束。第二光源模組係用以發射第二光束。影像輸出模組係用以接收第一光束與第二光束，且分別產生帶有對應影像資訊的第一影像光束與第二影像光束。光反向偏轉模組係光學耦合於第一光源模組與影像輸出模組之間，使得第一光束的前進方向與第一影像光束的前進方向係相反的。相似地，光反向偏轉模組係光學耦合於第二光源模組與影像輸出模組之間，使得第二光束的前進方向與第二影像光束的前進方向係相反的。第一目鏡模組係用以將第一影像光束成像至第一目標位置。相似地，第二目鏡模組係用以將第二影像光束成像至第二目標物。分光鏡係光學耦合於影像輸出模組與第一目鏡模組之間，用以引導第一影像光束至第一目鏡模組。相似地，分光鏡係光學耦合於影像輸出模組與第二目鏡模組之間，用以引導第二影像光束至第二目鏡模組。
於本揭露之多個實施方式中，藉由第一光源模組、第二光源模組與分光鏡之配置，頭戴式顯示器可分別提供使用者之左眼與右眼不同的影像資訊(亦即第一影像光束與第二影像光束)，隨後左眼與右眼所接收的影像資訊可在使用者的大腦中組合，進而產生立體影像的效果。此外，光反向偏轉模組可使第一影像光束與第一光束之前進方向相反，故第一光源模組與影像輸出模組可被設置於不同水平高度。相似地，光反向偏轉模組亦可使第二影像光束與第二光束之前進方向相反，故第二光源模組與影像輸出模組亦可被設置於不同水平高度，從而降低頭戴式顯示器所需的水平面積，利於縮小頭戴式顯示器之水平面積。
以上所述僅係用以闡述本揭露所欲解決的問題、解決問題的技術手段、及其產生的功效等等，本揭露之具體細節將在下文的實施方式及相關圖式中詳細介紹。
以下將以圖式及詳細說明清楚說明本揭露之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本揭露之實施例後，當可由本揭露所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本揭露之精神與範圍。
另外，空間相對用語，如「下」、「下方」、「低」、「上」、「上方」等，是用以方便描述一元件或特徵與其他元件或特徵在圖式中的相對關係。除了圖式中所示之方位以外，這些空間相對用語亦可用來幫助理解元件在使用或操作時的不同方位。當元件被轉向其他方位（例如旋轉90度或其他方位）時，本文所使用的空間相對敘述亦可幫助理解。此外，本文中「A元件光學耦合B元件」之敘述除了代表通過或來自A元件之光束可直接進入B元件外，只要通過或來自A元件之光束可進入B元件，則亦允許A元件與B元件之間存在其他的光學元件。相似地，本文中「A元件係光學耦合於B元件與C元件之間」之敘述代表只要光束可通過A元件、B元件及C元件，則亦不排除其他光學元件存在於A元件、B元件與C元件之間。
第1圖為依據本揭露之部分實施方式之頭戴式顯示器之立體示意圖。如第1圖所示，頭戴式顯示器10包含第一光源模組100、第二光源模組200、光反向偏轉模組300、影像輸出模組400、第一目鏡模組500、第二目鏡模組600與分光鏡(Beam-splitting roof-mirror)700。第一光源模組100係用以發射第一光束L1。第二光源模組200係用以發射第二光束L2。影像輸出模組400係用以接收第一光束L1與第二光束L2，且分別產生帶有對應影像資訊的第一影像光束I1與第二影像光束I2。光反向偏轉模組300係光學耦合於第一光源模組100與影像輸出模組400之間，使得第一光束L1的前進方向與第一影像光束I1的前進方向係相反的。相似地，光反向偏轉模組300係光學耦合於第二光源模組200與影像輸出模組400之間，使得第二光束L2的前進方向與第二影像光束I2的前進方向係相反的。第一目鏡模組500係用以將第一影像光束I1成像至第一目標位置P1。相似地，第二目鏡模組600係用以將第二影像光束I2成像至第二目標位置P2。分光鏡700係光學耦合於影像輸出模組400與第一目鏡模組500之間，用以引導第一影像光束I1至第一目鏡模組500。相似地，分光鏡700係光學耦合於影像輸出模組400與第二目鏡模組600之間，用以引導第二影像光束I2至第二目鏡模組600。如此一來，藉由頭戴式顯示器10可分別提供使用者之左眼與右眼不同的影像資訊(亦即第一影像光束I1與第二影像光束I2)，隨後左眼與右眼所接收的影像資訊可在使用者的大腦中組合，進而產生立體影像的效果。
具體而言，於部分實施方式中，如第1圖所示，當第一光源模組100發射第一光束L1時，第一光束L1可沿著第一方向D1前進(亦即圖中的左方往右方前進)。當第一光束L1抵達光反向偏轉模組300時，第一光束L1之前進方向可被光反向偏轉模組300改變，使得第一光束L1轉向至影像輸出模組400。隨後，影像輸出模組400接收第一光束L1而產生一沿著第二方向D2前進(亦即圖中的右方往左方前進)的第一影像光束I1。也就是說，光反向偏轉模組300可改變第一光束L1之光路，使得第一光源模組100所發射之第一光束L1被轉向而抵達影像輸出模組400。具體而言，於部分實施方式中，如第1圖所示，第一光束L1之前進方向可從第一方向D1(由左往右)轉向為第三方向D3(由下往上)，再轉向為第一方向D1(由左往右)而進入影像輸出模組400。相似地，當第二光源模組200發射第二光束L2時，第二光束L2可沿著第一方向D1前進(亦即圖中的左方往右方前進)。當第二光束L2抵達光反向偏轉模組300時，第二光束L2之前進方向可被光反向偏轉模組300改變，使得第二光束L2轉向至影像輸出模組400。隨後，影像輸出模組400接收第二光束L2而產生一沿著第二方向D2前進(亦即圖中的右方往左方前進)的第二影像光束I2。如此一來，藉由光反向偏轉模組300可改變第一光束L1之光路，故第一光源模組100與影像輸出模組400可被設置於不同水平高度。相似地，光反向偏轉模組300亦可改變第二光束L2之光路，故第二光源模組200與影像輸出模組400亦可被設置於不同水平高度，從而降低頭戴式顯示器10所需的水平面積，利於縮小頭戴式顯示器10。
舉例而言，如第1圖所示，第一光源模組100係位於水平高度h1，第二光源模組200係位於水平高度h2，且影像輸出模組400係位於水平高度h3，其中水平高度h3大於水平高度h2，且水平高度h3大於水平高度h1，亦即第一光源模組100與第二光源模組200係位於影像輸出模組400的下方(如第1圖所示，第一光源模組100與第二光源模組200可位於影像輸出模組400的左下方)，俾利於縮小頭戴式顯示器10之水平面積。舉例而言，於部分實施方式中，如第1圖所示，第一光源模組100與第二光源模組200可位在第一目鏡模組500與第二目鏡模組600的正下方，以縮小頭戴式顯示器10的水平面積。於部分實施方式中，第一光源模組100所在的水平高度h1與第二光源模組200所在的水平高度h2係實質上相同的。換句話說，第一光源模組100與第二光源模組200係位在實質上相同的水平面上，以利降低頭戴式顯示器10的厚度。
具體而言，於部分實施方式中，如第1圖所示，第一光源模組100可包固態光源陣列110。相似地，第二光源模組200可包固態光源陣列210。固態光源陣列110與210可包含至少一固態光源，例如紅光光源、綠光光源或藍光光源，其可為發光二極體或有機發光二極體，但本揭露不以此為限。值得注意的是，第一光源模組100之固態光源陣列110所發射之第一光束L1實質上係一準直光束，亦即第一光束L1之發散角度近乎於零，所以當影像輸出模組400接收第一光束L1後亦可產生一近乎準直的第一影像光束I1，故第一影像光束I1可精準地經由第一目鏡模組500而被導引至第一目標位置P1，避免第一影像光束I1偏移至第二目標位置P2。相似地，第二光源模組200之固態光源陣列210所發射之第二光束L2實質上係一準直光束，亦即第二光束L2之發散角度近乎於零，所以當影像輸出模組400接收第二光束L2後亦可產生一近乎準直的第二影像光束I2，故第二影像光束I2可精準地經由第二目鏡模組600而被導引至第二目標位置P2，避免第二影像光束I2偏移至第一目標位置P1。此外，於部分實施方式中，如第1圖所示，第一光源模組100與第二光源模組200也可包含柱狀透鏡(tapered rod)120與220，且可包含球狀透鏡(ball lens)130與230，用以調整光束的亮度與均勻度，從而改善頭戴式顯示器10之成像品質。
於部分實施方式中，如第1圖所示，光反向偏轉模組300包含第一光轉向元件310與第二光轉向元件320，第一光轉向元件310係用以將來自第一光源模組100之第一光束L1與來自第二光源模組200之第二光束L2轉向至第二光轉向元件320，且第二光轉向元件320係用以將來自第一光轉向元件310之第一光束L1與第二光束L2轉向至影像輸出模組400。具體而言，於部分實施方式中，如第1圖所示，第一光轉向元件310具有一反射面312。反射面312至第一光源模組100(例如第一光源模組100之球狀透鏡130)的距離係沿著朝向第二光轉向元件320的方向增加的，以利將第一光束L1反射而轉向至第二光轉向元件320。換句話說，反射面312之法向量N1係朝著圖中的左上方，故當第一光束L1沿第一方向D1前進而抵達第一光轉向元件310之反射面312時，第一光束L1可經由反射面312反射而沿著第三方向D3往第二光轉向元件320前進。隨後，當第一光束L1沿著第三方向D3前進而進入第二光轉向元件320後，第一光束L1可被第二光轉向元件320的特定表面反射而轉向而沿著第一方向D1往影像輸出模組400前進，使得第一光束L1可抵達影像輸出模組400。相似地，反射面312至第二光源模組200(例如第二光源模組200之球狀透鏡230)的距離係沿著朝向第二光轉向元件320的方向增加的，以利將第二光束L2反射而轉向至第二光轉向元件320。如此一來，當第二光束L2沿第一方向D1前進而抵達第一光轉向元件310之反射面312時，第二光束L2可經由反射面312反射而沿著第三方向D3往第二光轉向元件320前進。隨後，當第二光束L2沿著第三方向D3前進而進入第二光轉向元件320後，第二光束L2可被第二光轉向元件320的特定表面反射而轉向而沿著第一方向D1往影像輸出模組400前進，使得第二光束L2可抵達影像輸出模組400。
如此一來，藉由第一光轉向元件310與第二光轉向元件320可將來自第一光源模組100之第一光束L1與來自第二光源模組200之第二光束L2做至少兩次轉向而抵達影像輸出模組400，使得影像輸出模組400可被設置於與第一光源模組100與第二光源模組200不同的水平高度(例如：第1圖的右上方)，從而縮小頭戴式顯示器10的水平面積。於部分實施方式中，第一光轉向元件310可為一反射鏡，例如: 鍍鋁反射鏡片、金屬鍍膜反射鏡或其他高反射率材料之反射鏡，從而更有效地將第一光束L1與第二光束L2轉向至第二光轉向元件320，但本揭露不以此為限。
第2圖為依據第1圖之局部區域R之放大剖面示意圖。於部分實施方式中，如第1圖及第2圖所示，第二光轉向元件320可包含一轉向面322，轉向面322係用以將來自第一光轉向元件310的第一光束L1與第二光束L2反射而轉向至影像輸出模組400，且影像輸出模組400所產生的第一影像光束I1與第二影像光束I2可前進至轉向面322，且第一影像光束I1與第二影像光束I2於轉向面322之入射角係小於轉向面322之一臨界角。此處的臨界角(Critical angle)係指光線於第二光轉向元件320之轉向面322發生全內反射(total internal reflection；TIR)所需的最小入射角度。也就是說，當第一光束L1抵達第二光轉向元件320之轉向面322時，第一光束L1可被轉向面322反射而轉向至影像輸出模組400。隨後，影像輸出模組400接收第一光束L1而產生帶有影像資訊的第一影像光束I1，由於第一影像光束I1於轉向面322之入射角係經設計而小於臨界角，第一影像光束I1不會發生全內反射，故第一影像光束I1可穿透第二光轉向元件320，利於第一影像光束I1被傳送至分光鏡700。相似地，當第二光束L2抵達第二光轉向元件320之轉向面322時，第二光束L2可被轉向面322反射而轉向至影像輸出模組400。隨後，影像輸出模組400接收第二光束L2而產生帶有影像資訊的第二影像光束I2，由於第二影像光束I2於轉向面322之入射角係經設計而小於臨界角，第二影像光束I2不會發生全內反射，故第二影像光束I2可穿透第二光轉向元件320，利於第二影像光束I2被傳送至分光鏡700。如此一來，可透過第二光轉向元件320控制來自第一光轉向元件310之光線的路徑，且還可控制來自影像輸出模組400之光線的路徑。舉例而言，於部分實施方式中，第二光轉向元件320可為全內反射稜鏡，以更有效地分隔第一光束L1與第一影像光束I1，且更有效地分隔第二光束L2與第二影像光束I2，但本揭露不以此為限。舉例而言，於部分實施方式中，可經由設計第一光束L1與第二光束L2到達影像輸出模組400之入射角度、或經由設計影像輸出模組400產生之第一影像光束I1與第二影像光束I2的發射角度，從而使得第一影像光束I1與第二影像光束I2於轉向面322之入射角係小於轉向面322之一臨界角，但本揭露不以此為限。
於部分實施方式中，如第1圖及第2圖所示，光反向偏轉模組300更包含穿透輔助元件330。穿透輔助元件330係鄰接於第二光轉向元件320之轉向面322，且穿透輔助元件330之折射率與第二光轉向元件320之折射率係不同的，這樣的折射率差異可用以將抵達轉向面322之第一光束L1與第二光束L2全反射，且使得至少部分第一影像光束I1與第二影像光束I2通過轉向面322。具體而言，於部分實施方式中，如第2圖所示，穿透輔助元件330包含一接觸面332，接觸面332係接觸第二光轉向元件320之轉向面322，且穿透輔助元件330之折射率n1係小於第二光轉向元件320之折射率n2。如此一來，當來自第一光轉向元件310之第一光束L1(或第二光束L2)傳遞至第二光轉向元件320之轉向面322時，由於穿透輔助元件330之折射率n1係小於第二光轉向元件320之折射率n2，且第一光束L1(或第二光束L2)於轉向面322之入射角係經設計而大於臨界角(arcsin(n1/n2))時，故第一光束L1(或第二光束L2)便會於轉向面322發生全反射。也就是說，第一光束L1(或第二光束L2)不會穿透第二光轉向元件320，亦即第一光束L1(或第二光束L2)會全反射至影像輸出模組400。舉例而言，於部分實施方式中，可經由設計第一光源模組100相對影像輸出模組400之位置、第二光源模組200相對影像輸出模組400之位置、第一光轉向元件310相對影像輸出模組400之位置、第一光轉向元件310之法向量N1與第一光束L1或第二光束L2所形成的角度、或第二光轉向元件320之配置空間，從而使得第一光束L1(或第二光束L2)於轉向面322之入射角係大於轉向面322之臨界角。
於部分實施方式中，如第2圖所示，第一影像光束I1之發射角度係經設計而使得第一影像光束I1抵達轉向面322之入射角係小於臨界角(arcsin(n1/n2))，故第一影像光束I1可通過轉向面322。相似地，第二影像光束I2之發射角度係經設計而使得第二影像光束I2抵達轉向面322之入射角係小於臨界角(arcsin(n1/n2))，故第二影像光束I2可通過轉向面322。值得注意的是，於部分實施方式中，第一光束L1抵達影像輸出模組400之入射角與第二光束L2抵達影像輸出模組400之入射角可係不相同的，故影像輸出模組400所產生的第一影像光束I1與第二影像光束I2之發射角度亦可係不相同的，從而利於後續第一影像光束I1被引導至第一目標位置P1，且利於第二影像光束I2被引導至第二目標位置P2。
舉例而言，於其他實施方式中，亦可採用其他方式以將第一光束L1與影像輸出模組400所產生的第一影像光束I1的路徑區分開來，並將第二光束L2與影像輸出模組400所產生的第二影像光束I2的路徑區分開來。舉例而言，當影像輸出模組400包含矽基液晶時，可將第一光束L1與第二光束L2轉換為具有不同偏振態的第一影像光束I1與第二影像光束I2，而第二光轉向元件320可包含偏振分光鏡與四分之一波板，以利分離第一影像光束I1與第二影像光束I2的光路。
於部分實施方式中，影像輸出模組400係一數位微型反射鏡(Digital Micromirror Device；DMD)元件，用以將來自第二光轉向元件320之第一光束L1反射為帶有影像資訊的第一影像光束I1，且將來自第二光轉向元件320之第二光束L2反射為帶有影像資訊之第二影像光束I2。具體而言，此數位微型反射鏡元件包含複數微小的反射鏡片，可各自控制其所接收之光線的反射方向。其中，每一反射鏡片代表一像素，且每一反射鏡片可藉由控制元件驅動，從而將鏡片旋轉至對應的角度，利於將光線反射至預定的位置。
舉例而言，當第一光束L1藉由第二光轉向元件320轉向至數位微型反射鏡元件時，數位微型反射鏡元件之眾多鏡片可旋轉至第一組角度，利於接收第一光束L1且將第一光束L1反射為帶有影像資訊的第一影像光束I1。相似地，當第二光束L2藉由第二光轉向元件320轉向至數位微型反射元件時，數位微型反射鏡元件之眾多鏡片可旋轉至第二組角度，利於接收第二光束L2且將第二光束L2反射為帶有影像資訊的第二影像光束I2。值得注意的是，數位微型反射鏡元件之複數鏡片之第一組角度與第二組角度可係不同的，從而以反射的方式產生不同發射角度之第一影像光束I1與第二影像光束I2，亦即數位微型反射鏡元件可產生不同行徑路線之第一影像光束I1與第二影像光束I2，利於將第一影像光束I1經分光鏡700準確地傳送至第一目鏡模組500且將第二影像光束I2經分光鏡700準確地傳送至第二目鏡模組600。也就是說，當影像輸出模組400係數位微型反射鏡元件時，可更有效地分隔第一影像光束I1與第二影像光束I2的行徑路線，使得第一影像光束I1與第二影像光束I2免於互相干擾而可更準確地反射至第一目鏡模組500與第二目鏡模組600。舉例而言，於部分實施方式中，影像輸出模組400可為畫素傾斜及旋轉式(tilt and roll pixel；TRP)數位微型反射鏡，以更有效地分隔第一影像光束I1與第二影像光束I2之光路。
具體而言，於部分實施方式中，如第1圖所示，第一光源模組100所發射之第一光束L1係沿著第一方向D1前進，且第二光源模組200所發射之第二光束L2亦係沿著第一方向D1前進，當第一光束L1與第二光束L2經由光反向偏轉模組300而轉向至影像輸出模組400後，影像輸出模組400反射出對應帶有影像資訊的第一影像光束I1與第二影像光束I2。值得注意的是，影像輸出模組400係經設計以反射且產生沿著第二方向D2前進的第一影像光束I1(或第二影像光束I2)，其中第一方向D1與第二方向D2係相反的，也就是說，第一光束L1(或第二光束L2)之前進方向與第一影像光束I1(或第二影像光束I2)之前進方向係相差180度。
參照第3圖，第3圖為依據本揭露之部分實施方式之頭戴式顯示器10之俯視圖。具體而言，於部分實施方式中，如第3圖所示，分光鏡700可包含第一分光單元710與第二分光單元720，第一分光單元710係鄰接於第二分光單元720。第一分光單元710具有相對的第一分光面712與第一背面714，第二分光單元720具有相對的第二分光面722與第二背面724，第一背面714與第二背面724係互相面對的且相夾一銳角。第一分光面712係相對第一背面714遠離第一目標位置P1，第二分光面722係相對第二背面724遠離第二目標位置P2。如第3圖所示，第一分光面712係位於第一影像光束I1之光路上，用以將第一影像光束I1轉向至第一目鏡模組500。相似地，第二分光面722係位於第二影像光束I2之光路上，用以將第二影像光束I2轉向至第二目鏡模組600。如此一來，第一影像光束I1與第二影像光束I2可藉由分光鏡700分別轉向至第一目鏡模組500與第二目鏡模組600。
於部分實施方式中，如第3圖所示，頭戴式顯示器10還包含透鏡群組420，透鏡群組420係光學耦合於影像輸出模組400與分光鏡700之間，用以調整第一影像光束I1與第二影像光束I2之成像品質。舉例來說，透鏡群組420之每一透鏡的屈光度或其他光學參數可經設計以消除影像輸出模組400所產生之第一影像光束I1與第二影像光束I2之畸變，從而幫助改善第一影像光束I1成像至第一目標位置P1的成像品質與第二影像光束I2成像至第二目標位置P2的成像品質。
於部分實施方式中，如第3圖所示，第一目鏡模組500可包含光半反射元件510與成像反射鏡520。光半反射元件510係光學耦合於分光鏡700之第一分光單元710與成像反射鏡520之間。舉例而言，當第一影像光束I1抵達第一分光單元710之第一分光面712時，第一影像光束I1可被第一分光面712以反射的方式轉向而導引至光半反射元件510，隨後光半反射元件510可將部分的第一影像光束I1以反射的方式轉向至成像反射鏡520，而於成像反射鏡520形成第一中繼影像，第一中繼影像再經由第一目鏡530投影至第一目標位置P1。選擇性地，於部分實施方式中，第二目鏡模組600可包含光半反射元件610與成像反射鏡620。光半反射元件610係光學耦合於分光鏡700之第二分光單元720與成像反射鏡620之間。舉例而言，當第二影像光束I2抵達第二分光單元720之第二分光面722時，第二影像光束I2可被第二分光面722以反射的方式轉向而導引至光半反射元件610，隨後光半反射元件610可將部分的第二影像光束I2以反射的方式轉向至成像反射鏡620，而於成像反射鏡620形成第二中繼影像，第二中繼影像再經由第二目鏡630投影至第二目標位置P2。舉例而言，於部分實施方式中，光半反射元件510與610可為分光鏡(beamsplitter)或全內反射稜鏡，以更有效地將第一影像光束I1(或第二影像光束I2)轉向至成像反射鏡520(或成像反射鏡620)，但本揭露不以此為限。選擇性地，於其他實施方式中，亦可採用其他方式以將第一影像光束I1從分光鏡700轉向至第一目鏡530，且將第二影像光束I2從分光鏡700轉向至第二目鏡630。舉例而言，當第一影像光束I1與第二影像光束I2為兩偏振態不同的偏振光時，光半反射元件510與610可包含偏振分光鏡與四分之一波板。
於部分實施方式中，第一光源模組100與第二光源模組200係時序性地發光。也就是說，第一光源模組100與第二光源模組200係在時間軸上交錯地發光。參照第4圖，第4圖為依據本揭露之部分實施方式之頭戴式顯示器10於第一時間點之光路示意圖。舉例而言，如第1及4圖所示，在第一個時間點時，第一光源模組100發射第一光束L1，第一光束L1經由光反向偏轉模組300轉向至影像輸出模組400而產生第一影像光束I1，第一影像光束I1藉由分光鏡700與第一目鏡模組500而被導引至第一目標位置P1，例如:使用者之左眼瞳孔處。參照第5圖，第5圖為依據本揭露之部分實施方式之頭戴式顯示器10於第二時間點之光路示意圖。舉例而言，於部分實施方式中，在第二個時間點時，第二光源模組200發射第二光束L2，第二光束L2經由光反向偏轉模組300轉向至影像輸出模組400而產生第二影像光束I2，第二影像光束I2藉由分光鏡700與第二目鏡模組600而被導引至第二目標位置P2，例如:使用者之右眼瞳孔處。如此一來，藉由第一光源模組100與第二光源模組200時序性地快速切換，可將對應的第一影像光束I1與第二影像光束I2分別且時序性地成像至第一目標位置P1與第二目標位置P2，從而達到頭戴式顯示器10之立體顯示效果。換句話說，本揭露之頭戴式顯示器10係採用時間多工(time-multiplex)方法，依序切換第一光源模組100與第二光源模組200，從而呈現立體影像。
於部分實施方式中，影像輸出模組400係時序性地提供複數反射圖案，且第一光源模組100與第二光源模組200之切換與反射圖案的切換係實質上同步的。具體而言，於部分實施方式中，反射圖案可分類為第一群反射圖案與第二群反射圖案，且第一群反射圖案與第二群反射圖案係時序性地切換，亦即影像輸出模組400係在時間軸上交錯地提供第一群反射圖案與第二群反射圖案。舉例而言，在第一時間點時，第一光源模組100發射第一光束L1至影像輸出模組400，且影像輸出模組400實質上同步地提供第一群反射圖案，於是影像輸出模組400接收第一光束L1而產生帶有第一群反射圖案資訊的第一影像光束I1。隨後，在第二時間點時，第二光源模組200發射第二光束L2至影像輸出模組400，且影像輸出模組400實質上同步地提供第二群反射圖案，於是影像輸出模組400接收第二光束L2而產生帶有第二群反射圖案資訊的第二影像光束I2。換句話說，在第一時間t1時，可控制第一光源模組100發光而第二光源模組200不發光，且控制影像輸出模組400提供第一群反射圖案。隨後，在第二時間t2時，可控制第一光源模組100不發光而第二光源模組200發光，且控制影像輸出模組400提供第二群反射圖案。如此一來，可使第一光源模組100產生的第一光束L1與影像輸出模組400產生的第一群反射圖案實質上同步，從而產生帶有對應正確影像資訊的的第一影像光束I1，利於第一影像光束I1成像至第一目標位置P1。相似地，可使第二光源模組200產生的第二光束L2與影像輸出模組400產生的第二群反射圖案實質上同步，從而產生帶有對應正確影像資訊的第二影像光束I2，利於第二影像光束I2成像至第二目標位置P2。
於上述之多個實施方式中，藉由第一光源模組100與第二光源模組200之時序性的切換與分光鏡700之配置，頭戴式顯示器10可分別且時序性地提供第一影像光束I1與第二影像光束I2至使用者之左眼與右眼，從而產生立體影像的效果。此外，光反向偏轉模組300可使第一光束L1與第一影像光束I1之前進方向相反，故第一光源模組100與影像輸出模組400可被設置於不同水平高度。相似地，光反向偏轉模組300亦可使第二光束L2與第二影像光束I2之前進方向相反，故第二光源模組200與影像輸出模組400亦可被設置於不同水平高度，從而降低頭戴式顯示器10所需的水平面積，利於縮小頭戴式顯示器10之體積。
雖然本揭露已以實施方式描述如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧頭戴式顯示器
100‧‧‧第一光源模組
110‧‧‧固態光源陣列
120‧‧‧柱狀透鏡
130‧‧‧球狀透鏡
200‧‧‧第二光源模組
210‧‧‧固態光源陣列
220‧‧‧柱狀透鏡
230‧‧‧球狀透鏡
300‧‧‧光反向偏轉模組
310‧‧‧第一光轉向元件
312‧‧‧反射面
320‧‧‧第二光轉向元件
322‧‧‧轉向面
330‧‧‧穿透輔助元件
332‧‧‧接觸面
400‧‧‧影像輸出模組
420‧‧‧透鏡群組
500‧‧‧第一目鏡模組
510‧‧‧光半反射元件
520‧‧‧成像反射鏡
530‧‧‧第一目鏡
600‧‧‧第二目鏡模組
610‧‧‧光半反射元件
620‧‧‧成像反射鏡
630‧‧‧第二目鏡
700‧‧‧分光鏡
710‧‧‧第一分光單元
712‧‧‧第一分光面
714‧‧‧第一背面
720‧‧‧第二分光單元
722‧‧‧第二分光面
724‧‧‧第二背面
D1‧‧‧第一方向
D2‧‧‧第二方向
D3‧‧‧第三方向
I1‧‧‧第一影像光束
I2‧‧‧第二影像光束
L1‧‧‧第一光束
L2‧‧‧第二光束
N1‧‧‧法向量
P1‧‧‧第一目標位置
P2‧‧‧第二目標位置
R‧‧‧局部區域
閱讀以下詳細敘述並搭配對應之圖式，可了解本揭露之多個樣態。需留意的是，圖式中的多個特徵並未依照該業界領域之標準作法繪製實際比例。事實上，所述之特徵的尺寸可以任意的增加或減少以利於討論的清晰性。 第1圖為依據本揭露之部分實施方式之頭戴式顯示器之立體示意圖。 第2圖為依據第1圖之局部區域R之放大剖面示意圖。 第3圖為依據本揭露之部分實施方式之頭戴式顯示器之俯視圖。 第4圖為依據本揭露之部分實施方式之頭戴式顯示器於第一時間點之光路示意圖。 第5圖為依據本揭露之部分實施方式之頭戴式顯示器於第二時間點之光路示意圖。
10‧‧‧頭戴式顯示器
100‧‧‧第一光源模組
110‧‧‧固態光源陣列
120‧‧‧柱狀透鏡
130‧‧‧球狀透鏡
200‧‧‧第二光源模組
210‧‧‧固態光源陣列
220‧‧‧柱狀透鏡
230‧‧‧球狀透鏡
300‧‧‧光反向偏轉模組
310‧‧‧第一光轉向元件
312‧‧‧反射面
320‧‧‧第二光轉向元件
330‧‧‧穿透輔助元件
400‧‧‧影像輸出模組
500‧‧‧第一目鏡模組
510‧‧‧光半反射元件
520‧‧‧成像反射鏡
530‧‧‧第一目鏡
600‧‧‧第二目鏡模組
610‧‧‧光半反射元件
620‧‧‧成像反射鏡
630‧‧‧第二目鏡
700‧‧‧分光鏡
D1‧‧‧第一方向
D2‧‧‧第二方向
D3‧‧‧第三方向
L1‧‧‧第一光束
L2‧‧‧第二光束
I1‧‧‧第一影像光束
I2‧‧‧第二影像光束
N1‧‧‧法向量
P1‧‧‧第一目標位置
P2‧‧‧第二目標位置
R‧‧‧局部區域

Claims (15)

  1. 一種頭戴式顯示器，包含：一第一光源模組，用以發射一第一光束；一第二光源模組，用以發射一第二光束；一影像輸出模組，用以接收該第一光束與該第二光束，且分別產生帶有對應影像資訊的一第一影像光束與一第二影像光束；一光反向偏轉模組，光學耦合於該第一光源模組與該影像輸出模組之間，且光學耦合於該第二光源模組與該影像輸出模組之間，使得該第一光束之一前進方向與該第一影像光束之一前進方向係相反的，且使得該第二光束之一前進方向與該第二影像光束之一前進方向係相反的；第一目鏡模組，用以將該第一影像光束成像至一第一目標位置；第二目鏡模組，用以將該第二影像光束成像至一第二目標位置；以及一分光鏡，光學耦合於該影像輸出模組與該第一目鏡模組之間，且光學偶合於該影像輸出模組與該第二目鏡模組之間，用以分別引導該第一影像光束與該第二影像光束至對應的該第一目鏡模組與該第二目鏡模組。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之頭戴式顯示器，其中該光反向偏轉模組包含一第一光轉向元件與一第二光轉向元件，該第一光轉向元件係用以將來自第一光源模組之該第一光束與來自該第二光源模組之該第二光束反射而轉向至 該第二光轉向元件，且該第二光轉向元件係用以將來自該第一光轉向元件的該第一光束與該第二光束反射而轉向至該影像輸出模組。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之頭戴式顯示器，其中該第一光轉向元件具有一反射面，該反射面至該第一光源模組的距離與該反射面至該第二光源模組的距離係沿著朝向該第二光轉向元件的方向增加的。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之頭戴式顯示器，其中該第二光轉向元件包含一轉向面，該轉向面係用以將來自該第一光轉向元件的該第一光束與該第二光束反射而轉向至該影像輸出模組，且該影像輸出模組所產生的該第一影像光束與該第二影像光束係前進至該轉向面且於該轉向面之一入射角係小於該轉向面之一臨界角。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之頭戴式顯示器，更包含一穿透輔助元件，鄰接於該第二光轉向元件之該轉向面，該穿透輔助元件與該第二光轉向元件之折射率差異係用以將抵達該轉向面之該第一光束與該第二光束全反射，且使得至少部分該第一影像光束與該第二影像光束通過該轉向面。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之頭戴式顯示器，其中該影像輸出模組係一數位微型反射鏡元件，用以將來自 該第二光轉向元件之該第一光束反射為該第一影像光束，且將來自該第二光轉向元件之第二光束反射為該第二影像光束。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之頭戴式顯示器，其中該第一光轉向元件所在的一水平高度與該第二光轉向元件所在的一水平高度不同。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之頭戴式顯示器，其中該第一光源模組所發射之第一光束與該第二光源模組所發射之該第二光束係沿著一第一方向前進，且該影像輸出模組所產生之該第一影像光束與該第二影像光束係沿著一第二方向前進，該第一方向與該第二方向係相反的。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之頭戴式顯示器，其中該第一光源模組所在的一水平高度與該影像輸出模組所在的一水平高度係不同的。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之頭戴式顯示器，其中該第二光源模組所在的一水平高度與該第一光源模組所在的該水平高度係實質上相同的。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之頭戴式顯示器，其中該第一目鏡模組與該第二目鏡模組之至少一者包含一光半反射元件與一成像反射鏡，該光半反射元件係用以將 來自該分光鏡之該第一影像光束或該第二影像光束轉向至該成像反射鏡，且該成像反射鏡係用以將來自該光半反射元件之該第一影像光束或該第二影像光束成像至該第一目標位置或該第二目標位置。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之頭戴式顯示器，其中該第一光源模組與該第二光源模組係時序性地發光。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之頭戴式顯示器，其中該影像輸出模組係時序性地提供複數反射圖案。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之頭戴式顯示器，其中該第一光源模組與該第二光源模組之切換與該些反射圖案的切換係實質上同步的。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之頭戴式顯示器，更包含：一透鏡群組，光學耦合於該影像輸出模組與該分光鏡之間，用以調整該第一影像光束與該第二影像光束之成像品質。
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