TWI600925B - 頭戴式顯示裝置 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種顯示裝置，且特別是有關於一種適於投射影像畫面的頭戴式顯示裝置。
在相關技術中，已有多種可穿戴於使用者的顯示裝置。一般而言，此種裝置通常是利用液晶顯示器(Liquid Crystal Display，LCD)或有機發光二極體(Organic Light-Emitted Diode，OLED)所呈現的畫面，經由光學系統將影像投影到人眼，以讓使用者觀看到畫面。然而，這樣的裝置由於本身螢幕體積的限制而難以作到輕巧因而不方便配戴。因此，為了達到輕巧的特性，目前的解決的方式是使用虛擬視網膜顯示(Virtual Retinal Display，VRD)技術。虛擬視網膜顯示技術是種將光訊號直接藉由人眼視網膜成像的一種顯示技術。然而，此種顯示技術與許多用於其他可穿戴式顯示裝置都存在相同的問題，也就是人眼所感知到的像距是固定的。具體而言，人眼在看近與看遠時，水晶體會自動調整成為不同的厚度以改變焦距，但是在目前的相關顯示技術中都無法達到這樣的效果，以至於在觀看影像時人眼在調節作用(Accommodation)與雙眼幅奏(Convergence)的感知上不一致，導致觀看時常有頭暈或想吐等不適感。
在現有技術中，或有將其他光學系統加載在頭戴式顯示裝置來改善上述缺點。但此種方式會造成頭戴式顯示裝置過於複雜，不適穿戴。
“先前技術”段落只是用來幫助了解本發明內容，因此在“先前技術”段落所揭露的內容可能包含一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的習知技術。在“先前技術”段落所揭露的內容，不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題，在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。
本發明提供一種頭戴式顯示裝置，其架構簡單、方便穿戴，可將影像畫面投射至投影目標，提供良好顯示品質。
本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。
為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明的一實施例提出一種頭戴式顯示裝置，適於將影像畫面投射至投影目標。頭戴式顯示裝置包括影像輸出模組、影像控制模組、光纖元件以及光學調整元件。影像輸出模組適於將影像畫面投射至投影目標。影像控制模組，電連接該影像輸出模組，適於輸出照明光束以及第一電訊號至影像輸出模組，以利用第一電訊號來控制影像輸出模組將影像畫面投射至投影目標。光纖元件適於光耦接影像輸出模組以及影像控制模組。照明光束經由光纖元件從影像控制模組傳遞至影像輸出模組。光學調整元件設置於光纖元件的輸出端，並且適於將照明光束傳遞至影像輸出模組。
在本發明的一實施例中，上述的光學調整元件將照明光束準直輸出至影像輸出模組。
在本發明的一實施例中，上述的光學調整元件依據第二電訊號來調整影像畫面的聚焦位置。
在本發明的一實施例中，上述的光纖元件以直線方式在預設方向上延伸，以連接影像輸出模組以及影像控制模組。
在本發明的一實施例中，上述的光纖元件以曲線方式在多個不同方向上延伸，以連接影像輸出模組以及影像控制模組。
在本發明的一實施例中，上述的影像控制模組包括光源模組以及影像資訊輸出元件。光源模組適於輸出照明光束給光纖元件。照明光束經由光纖元件從光源模組傳遞至影像輸出模組。影像資訊輸出元件適於控制光源模組輸出照明光束，並且輸出第一電訊號以控制影像輸出模組將影像畫面投射至投影目標。
在本發明的一實施例中，上述的光源模組所輸出的照明光束是單色光或者包括多種顏色的色光。
在本發明的一實施例中，上述的影像輸出模組包括光調變器以及投影元件。光調變器適於接收光學調整元件所傳遞的照明光束，並且依據第一電訊號來調制照明光束，以產生影像畫面。投影元件適於將影像畫面投射至投影目標。
在本發明的一實施例中，上述的頭戴式顯示裝置更包括裝置本體。裝置本體適於承載影像輸出模組、影像控制模組、光纖元件以及光學調整元件。影像輸出模組、影像控制模組、光纖元件以及光學調整元件以嵌入或外掛方式設置於裝置本體。
在本發明的一實施例中，上述的影像畫面經成像後係為二維影像或三維影像。
基於上述，本發明的實施例至少具有以下其中一個優點或功效。在本發明的範例實施例中，影像控制模組與影像輸出模組之間以光纖元件連接，並且在光纖元件的輸出端設置光學調整元件。因此，本發明的實施例的頭戴式顯示裝置，其架構簡單、方便穿戴，可提供良好顯示品質。
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。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。
圖1繪示本發明一實施例之頭戴式顯示裝置的概要方塊圖。圖2繪示本發明一實施例之輸出照明光束至影像輸出模組的概要示意圖。圖3繪示本發明一實施例之頭戴式顯示裝置的概要示意圖。請參考圖1至圖3，本實施例之頭戴式顯示裝置100包括影像控制模組110、影像輸出模組120、光纖元件130以及光學調整元件140。影像控制模組110包括光源模組111以及影像資訊輸出元件113。影像輸出模組120包括光調變器121以及投影元件123。在本實施例中，利用光纖元件130連接影像控制模組110的光源模組111與影像輸出模組120的光調變器121，且在光纖元件130的輸出端設置有光學調整元件140。在本實施例的頭戴式顯示裝置100中，影像控制模組110輸出照明光束LB，以及提供電訊號SIN1至影像輸出模組120，利用電訊號SIN1來控制影像輸出模組120，將影像畫面IMG投射至投影目標PT。
在本實施例中，光源模組111適於輸出照明光束LB，經由光纖元件130將照明光束LB傳遞至光調變器121。照明光束LB例如是具有單一波長範圍的紅光、綠光或藍光等單色光，或者是包括多種顏色所合成的白光或其他色光，本發明並不加以限制。在一實施例中，光源模組111更包括光強度調變器，例如適於依據影像資訊輸出元件113提供對應電訊號SIN1的光源控制電訊號來調變光源模組111所輸出的照明光束LB的光強度。惟光源的型態、照明光束LB的波長範圍與光強度並不用以限定本發明，其中光源模組111所使用的光源，例如是發光二極體(Light Emitting Diode，LED)或是有機發光二極體(Organic Light-Emitting Diode，OLED)，依實際設計上符合體積要求的光源皆可實施，不以此為限。
在本實施例中，光源模組111所輸出的照明光束LB經由光纖元件130傳遞至光調變器121。在光纖元件130的輸出端，光源模組111與光調變器121之間的照明光束LB的傳遞路徑中設置有光學調整元件140。在本實施例中，光學調整元件140例如是變焦式液態透鏡，是光學液體和聚合物膜組合而成的，能變化形狀的透鏡，使其產生不同的焦距，達到快速變焦的效果。或者是液晶透鏡(liquid crystal lens，LC-lens)，利用液晶材料之雙折射率特性及液晶分子隨電場方向排列的特性，調變電壓大小，改變液晶透鏡的折射率，來調變光學調整元件140的有效焦距，因此具有變焦的功能。在另一實施例中，光學調整元件140例如是電濕潤式透鏡(electrowetting lens，EW-lens)、液體填充式薄膜透鏡(liquid-filled membrane lens)或介電式液態透鏡等可調變焦距的透鏡元件，本發明並不加以限制。
在本實施例中，光學調整元件140可依據影像資訊輸出元件113提供的電訊號SIN2將照明光束LB聚焦或發散，進而預先調整影像畫面IMG的聚焦位置。在一實施例中，電訊號SIN2例如是由外部輸入專門用以控制液態透鏡元件140的其他電訊號或其他的電訊號源，本發明並不對電訊號SIN2及其來源加以限制。
此外，在一實施例中，在光源模組111與光調變器121之間的照明光束LB的傳遞路徑之間例如圖2所示，更包括一或多個透鏡，與光學調整元件140構成透鏡組LSET，以將照明光束LB聚焦或發散並傳遞至光調變器121。在本實施例中，利用光學調整元件140本身或結合其他一或多個透鏡成為透鏡組LSET，依據電訊號SIN2以將照明光束LB聚焦或發散的方法，其詳細步驟及實施方式可以由所屬技術領域的通常知識獲致足夠的教示、建議與實施說明，因此不再贅述。
在本實施例中，光調變器121設置於光纖元件130的輸出端，適於接收經由光學調整元件140所傳遞的照明光束LB，並且依據電訊號SIN1來調變照明光束LB。在本實施例中，光調變器121例如是數位微鏡元件，受控於電訊號SIN1並依據電訊號SIN1所搭載的影像資訊將照明光束LB轉換為影像畫面IMG，並例如以反射方式將影像畫面IMG傳遞至投影元件123。
在一實施例中，依據光纖元件130、光調變器121以及投影元件123所設置的相對位置不同，光調變器121可例如是液晶覆矽板(Liquid Crystal On Silicon panel，LCoS panel)、數位微鏡元件（Digital Micro-mirror Device, DMD）等反射式光調變器，或例如是透光液晶面板(Transparent Liquid Crystal Panel)，電光調變器(Electro-Optical Modulator)、磁光調變器(Maganeto-Optic modulator)、聲光調變器(Acousto-Optic Modulator，AOM)等穿透式光調變器。但本發明對光調變器121的型態及其種類並不加以限制。在本實施例中，光調變器121將照明光束LB轉換為影像畫面IMG的方法，其詳細步驟及實施方式可以由所屬技術領域的通常知識獲致足夠的教示、建議與實施說明，因此不再贅述。
在本實施例中，投影元件123適於將光調變器121所傳遞的影像畫面IMG以反射方式投射至投影目標PT。投影元件123例如包括一投影鏡頭，此投影鏡頭包括具有屈光度的一或多個非平面光學鏡片的組合，例如包括雙凹透鏡、雙凸透鏡、凹凸透鏡、凸凹透鏡、平凸透鏡以及平凹透鏡等非平面鏡片的各種組合。在一實施例中，投影元件123也可以是平面光學鏡片，以反射或穿透方式將影像畫面IMG投射至投影目標PT。本發明對投影元件123的型態及其種類並不加以限制。
在本實施例中，投影目標PT例如是使用者的眼睛，投影元件123將光調變器121所轉換的影像畫面IMG投影至使用者的眼睛的視網膜上成像。在一實施例中，投影目標PT也可以是影像擷取或紀錄裝置，例如包括電荷耦合元件影像感測器(charge coupled device image sensor，CCD image sensor)或互補式金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)影像感測器等類似的裝置，本發明並不加以限制。
在本實施例中，影像資訊輸出元件113例如分別連接並輸出對應電訊號SIN1的光源控制電訊號至光源模組111以及輸出電訊號SIN1至光調變器121。電訊號SIN1中搭載有影像資訊。光源模組111依據對應電訊號SIN1的光源控制電訊號來控制輸出照明光束LB的波長、光強度或相位等參數。光調變器121依據電訊號SIN1來將照明光束LB轉換為影像畫面IMG。換言之，本實施例之頭戴式顯示裝置100是藉由影像資訊輸出元件113輸出電訊號來控制光調變器121並投射影像畫面IMG的內容至投影目標PT。
在一實施例中，影像資訊輸出元件113例如更連接並輸出電訊號SIN2至光學調整元件140。光學調整元件140依據電訊號SIN2來將照明光束LB聚焦或發散，進而改變影像畫面IMG的聚焦位置。上述的影像資訊輸出元件113，具有接收影像訊號並作對應的訊號處理以產生電訊號SIN1、電訊號SIN2以及對應電訊號SIN1的光源電訊號的功能。例如是包括中央處理單元(Central Processing Unit，CPU)、微處理器(Microprocessor)、數位訊號處理器(Digital Signal Processor，DSP)、可程式化控制器、可程式化邏輯裝置(Programmable Logic Device，PLD)或其他類似裝置或這些裝置的組合，本發明並不加以限制。此外，在實施例中，影像資訊輸出元件113的各操作功能可被作為多個程式碼。而這些程式碼會被儲存在一個記憶體(未顯示)中，影像資訊輸出元件113的處理電路或控制電路來執行這些程式碼。本發明並不限制用軟體或硬體的方式來實作影像資訊輸出元件113的各操作功能。
在本實施例中，頭戴式顯示裝置100還包括裝置本體150，並且影像控制模組110、影像輸出模組120、光纖元件130以及光學調整元件140等元件，以圖3所繪示的方式嵌入於裝置本體150中。在本實施例中，裝置本體150例如為眼鏡。投影元件123例如為眼鏡的其中一個鏡片，且影像控制模組110與光調變器121嵌入於眼鏡的其中一個鏡腳之中。光纖元件130以直線方式由影像控制模組110向光調變器121的方向延伸，以連接影像輸出模組120，並且設置於光纖元件130輸出端的光學調整元件140將光源模組111所輸出的照明光束LB調整為平行光並且準直的輸出至光調變器121。光調變器121所產生的影像畫面IMG藉由鏡片投射至使用者的眼睛中。在其他實施例中，光纖元件130也可例如是以曲線方式由影像控制模組110在多個不同方向延伸並連接至光調變器121。
除上述的嵌入方式外，在另一實施例中，頭戴式顯示裝置100的影像控制模組110、影像輸出模組120、光纖元件130以及光學調整元件140等元件也可例如是以外掛的方式設置於裝置本體150上，或例如是以部份嵌入、部份外掛的方式設置於裝置本體150上，本發明並不加以限制頭戴式顯示裝置100的設置方式。
在一實施例中，裝置本體150例如為眼鏡，投影元件123例如包括眼鏡的兩個鏡片。惟在本實施例中，光調變器121不與影像控制模組110設置在同一個鏡腳當中，而可例如是設置於眼鏡的鏡框、另一鏡腳或眼鏡的其他位置。光纖元件130以曲線方式沿著眼鏡由影像控制模組110連接至光調變器121，並且設置於光纖元件130輸出端的光學調整元件140將光源模組111所輸出的照明光束LB依據電訊號SIN2調整後輸出至光調變器121。光調變器121所產生的影像畫面IMG藉由眼鏡的兩鏡片分別投射至使用者的雙眼中。當影像畫面IMG為二維影像時，光調變器121產生以投射於使用者雙眼的視網膜上的成像例如為相同的兩個影像；當影像畫面IMG為三維影像時，光調變器121產生以投射於使用者雙眼的視網膜上的成像例如為具有視差的兩個不同影像。在一實施例中，當影像畫面IMG為三維影像時，光學調整元件140可例如依據影像畫面IMG的內容而對應調整照明光束LB。
圖4A至圖4C繪示本發明一實施例之光學調整元件調整影像畫面的聚焦位置的概要示意圖。一般而言，如圖4A所示，當物體的影像光線進入眼睛時，透過水晶體CL會聚焦到視網膜RTN上。以雙眼觀看的顯示裝置而言，在本實施例中，影像畫面IMG為三維影像，且光調變器121依據電訊號SIN1產生以投射於使用者雙眼的視網膜RTN上的成像為具有視差的兩個不同影像，而光學調整元件140依據電訊號SIN2來調整影像畫面IMG的聚焦位置。舉例而言，如圖4B所示，當光調變器121依據電訊號SIN1產生的視差越小，則光學調整元件140會依據電訊號SIN2調整焦距為越長，因而水晶體必須對應調整焦距為越短才得以使影像畫面IMG聚焦於視網膜RTN上。反之，如圖4C 所示，當光調變器121依據電訊號SIN1視差越大，則光學調整元件140依據電訊號SIN2調整焦距為越短，因而水晶體必須對應調整焦距為越長才得以使影像畫面IMG聚焦於視網膜RTN上。如此一來，在本實施例中，使用者的睫狀肌將會對應於雙眼的視差而鬆弛或收縮，以對應地調整水晶體CL的厚度讓影像畫面IMG聚焦於視網膜RTN上。
在一實施例中，三維的影像畫面IMG也可例如以電腦全像等技術手段，藉由具振幅與相位調變能力的光調變器121來實作於單眼觀看的顯示裝置中，以使影像畫面IMG成像為三維影像，例如在影像資訊輸出元件113計算出三維影像相對應的全像圖像，此全像圖像再經過具有振幅或相位調變能力的光調變器121與合適的光束條件，例如波長、波前與方向，可於預定方向與預定位置產生所要顯示的虛擬影像，此外透過光學調整元件140可依據電訊號SIN2動態改變光學調整元件140的焦距，對應地調整影像畫面IMG的聚焦位置，而呈現三維的虛擬影像畫面IMG。在另一實施例中，影像畫面IMG也可例如成像為二維影像，而光學調整元件140亦可視需求依據電訊號SIN2來調整影像畫面IMG的聚焦位置。本發明並不限制光學調整元件140依據電訊號SIN2來調整影像畫面IMG的聚焦位置的功能所適應的顯示裝置類型或影像畫面內容。
綜上所述，本發明的實施例至少具有以下其中一個優點或功效。在本發明的範例實施例中，影像控制模組與影像輸出模組之間以光纖元件連接，並且在光纖元件的輸出端設置光學調整元件。因此，可藉由影像輸出模組將影像畫面投射至投影目標，並藉由光學調整元件調整影像畫面的聚焦位置。此外，在本發明的範例實施例中，光纖元件可以直線方式或以曲線方式延伸，以連接影像輸出模組以及影像控制模組。因此，可適應性地設置於不同的頭戴式顯示裝置，並同時兼顧輕巧的特性。在本發明的範例實施例中，影像資訊輸出元件以電訊號分別控制光源模組以輸出照明光束、控制光調變器調變照明光束以產生影像畫面，以及控制光學調整元件以調整影像畫面的聚焦位置。據此，可在輕巧的裝置架構中，實現更貼近使用者生活的顯示體驗。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。此外，本說明書或申請專利範圍中提及的“第一”、“第二”等用語僅用以命名元件(element)的名稱或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限。
100‧‧‧頭戴式顯示裝置
110‧‧‧影像控制模組
111‧‧‧光源模組
113‧‧‧影像資訊輸出元件
120‧‧‧影像輸出模組
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123‧‧‧投影元件
130‧‧‧光纖元件
140‧‧‧光學調整元件
150‧‧‧裝置本體
CL‧‧‧水晶體
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LSET‧‧‧透鏡組
PT‧‧‧投影目標
RTN‧‧‧視網膜
SIN1、SIN2‧‧‧電訊號
圖1繪示本發明一實施例之頭戴式顯示裝置的概要方塊圖。 圖2繪示本發明一實施例之輸出照明光束至影像輸出模組的概要示意圖。 圖3繪示本發明一實施例之頭戴式顯示裝置的概要示意圖。 圖4A至圖4C繪示本發明一實施例之光學調整元件調整影像畫面的聚焦位置的概要示意圖。
100‧‧‧頭戴式顯示裝置
110‧‧‧影像控制模組
111‧‧‧光源模組
113‧‧‧影像資訊輸出元件
120‧‧‧影像輸出模組
121‧‧‧光調變器
123‧‧‧投影元件
130‧‧‧光纖元件
140‧‧‧光學調整元件
PT‧‧‧投影目標
SIN1、SIN2‧‧‧電訊號
Claims (9)
- 一種頭戴式顯示裝置，適於將一影像畫面投射至一投影目標，該頭戴式顯示裝置包括：一影像輸出模組，適於將該影像畫面投射至該投影目標；一影像控制模組，電連接該影像輸出模組，且適於輸出一照明光束以及一第一電訊號至該影像輸出模組，以利用該第一電訊號來控制該影像輸出模組，將該影像畫面投射至該投影目標；一光纖元件，適於光耦接該影像輸出模組以及影像控制模組，其中該照明光束經由該光纖元件從該影像控制模組傳遞至該影像輸出模組；以及一光學調整元件，設置於該光纖元件的一輸出端，適於將該照明光束傳遞至該影像輸出模組，其中該光學調整元件依據一第二電訊號來調整該影像畫面的聚焦位置。
- 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該光學調整元件將該照明光束準直輸出至該影像輸出模組。
- 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該光纖元件以直線方式在一預設方向上延伸，以光耦接該影像輸出模組以及該影像控制模組。
- 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該光纖元件以曲線方式在多個不同方向上延伸，以光耦接該影像輸出模組以及該影像控制模組。
- 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該影像控制模組包括：一光源模組，適於輸出該照明光束給該光纖元件，其中該照明光束經由該光纖元件從該光源模組傳遞至該影像輸出模組；以及一影像資訊輸出元件，適於控制該光源模組輸出該照明光束，並且輸出該第一電訊號以控制該影像輸出模組將該影像畫面投射至該投影目標。
- 如申請專利範圍第5項所述的頭戴式顯示裝置，其中該光源模組所輸出的該照明光束是單色光或者包括多種顏色的色光。
- 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該影像輸出模組包括：一光調變器，適於接收該光學調整元件所傳遞的該照明光束，並且依據該第一電訊號來調制該照明光束，以產生該影像畫面；以及 一投影元件，適於將該影像畫面投射至該投影目標。
- 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，更包括：一裝置本體，適於承載該影像輸出模組、該影像控制模組、該光纖元件以及該光學調整元件，其中該影像輸出模組、該影像控制模組、該光纖元件以及該光學調整元件以嵌入或外掛方式設置於該裝置本體。
- 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該影像畫面經成像後係為一二維影像或一三維影像。
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