TWI639853B - 頭戴式顯示裝置及相關的內部顯示器與顯示方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露了一種頭戴式顯示裝置，其包含了一顯示器、一耦合輸入光學模組以及一耦合輸出光學模組，其中該顯示器係用以顯示至少一影像；該耦合輸入光學模組係用來自該顯示器接收該影像，並將所接收之該影像導往另一個方向；以及該耦合輸出光學模組係用來自該耦合輸入光學模組接收該導向後影像以產生一輸出影像，其中當使用者穿戴上該頭戴式顯示裝置時，該輸出影像係直接投射至人眼中。此外，該顯示器所產生之該影像的長寬比係不同於該輸出影像的長寬比。

Description

頭戴式顯示裝置及相關的內部顯示器與顯示方法
本發明係有關於頭戴式顯示裝置，尤指一種頭戴式顯示裝置的內部顯示器及光學模組設計。
傳統的頭戴式顯示裝置通常會具有一瞳孔擴張元件(Exit Pupil Expander，EPE)來增加顯示影像的視角，其中該瞳孔擴張元件可以使用微稜鏡組(micro-prism combiner)、多層表面鍍膜鏡組(cascaded coated mirror combiner)、體積全像組(volume holographic combiner)或是任何其他的光學元件來實作。一般來說，該瞳孔擴張元件通常只允許放大水平視野(horizontal field of view)，因此頭戴式顯示裝置會需要另外的透鏡或是透鏡模組來放大垂直視野，以維持影像的長寬比(aspect ratio)，然而，這些透鏡或是透鏡模組會增加頭戴式顯示裝置的整體的體積與重量，造成使用者的不便。
因此，本發明的目的之一在於提供一種頭戴式顯示裝置，其內部顯示器可以產生一個具有特殊長寬比的影像，且頭戴式顯示裝置內部可以不設置透鏡或是僅設置較少的透鏡來調整垂直視野，以解決先前技術中的問題。
在本發明的一個實施例中，揭露了一種頭戴式顯示裝置，其包含了一顯示器、一耦合輸入光學模組以及一耦合輸出光學模組，其中該顯示器系用以顯示至少一影像；該耦合輸入光學模組係用來自該顯示器接收該影像，並將所接收之該影像導往另一個方向；以及該耦合輸出光學模組係用來自該耦合輸入光學模組接收該導向後影像以產生一輸出影像，其中當使用者穿戴上該頭戴式顯示裝置時，該輸出影像係直接投射至人眼中。此外，該顯示器所產生之該影像的像素或是子像素的長寬比係不同於該輸出影像的的像素或是子像素的長寬比。
在本發明的另一個實施例中，揭露了一種應用於一頭戴式顯示裝置的顯示器，其中該顯示器包含了用來顯示一影像的多個像素，且該頭戴式顯示裝置包含了光學模組來接收該影像以產生一輸出影像，以及該顯示器之每一個像素的長寬比係不同於該輸出影像中一像素的長寬比。
在本發明的另一個實施例中，揭露了一種在一頭戴式顯示裝置中顯示一輸出影像的方法，其包含有以下步驟：自該頭戴式顯示裝置中的一顯示器接收一影像；將該影像導往另一個方向；以及將該導向後影像放大以產生該輸出影像，其中當使用者穿戴上該頭戴式顯示裝置時，該輸出影像係直接投射至人眼中。此外，該顯示器所產生之該影像的像素或是子像素的長寬比係不同於該輸出影像的像素或是子像素的長寬比。
請參考第1圖，其為根據本發明一實施例之頭戴式顯示裝置100的示意圖。如第1圖所示，頭戴式顯示裝置100包含了一顯示器110、一耦合輸入光學模組120以及耦合輸出光學模組130。顯示器110可以是任何可以設置於頭戴式顯示裝置100中的微型顯示器，舉例來說，顯示器110可以是矽基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)顯示器、一微機電系統(Micro-Electro-Mechanical system，MEMs)顯示器或是有機發光元件(Organic Light-Emitting Diode，OLED)顯示器。耦合輸入光學模組120可包含一或多個光學元件以接收影像，並將所接收的影像導往另外一個方向，舉例來說，耦合輸入光學模組120可以包含一或多個反射鏡。耦合輸出光學模組130係用來作為瞳孔擴張元件，其可以使用微稜鏡組、多層表面鍍膜鏡組、體積全像組來實作，且耦合輸出光學模組130用來自耦合輸入光學模組120接收導向後影像以產生一輸出影像，其中當使用者穿戴上頭戴式顯示裝置100時，該輸出影像係直接投射至人眼中(亦即，耦合輸出光學模組130係位於人眼的正前方)。
在本實施例中，耦合輸入光學模組120並未包含任何僅用來放大特定方向視野的透鏡或是透鏡組，以降低頭戴式顯示裝置100的重量並減少頭戴式顯示裝置100的體積，換句話說，顯示器110所產生之影像的長寬比(或是影像之像素或是子像素的長寬比)會與耦合輸入光學模組120所產生之導向後影像的長寬比(或是導向後影像之像素或是子像素的長寬比)相同。然而，如先前技術中所提及的，瞳孔擴張元件(即耦合輸出光學模組130)僅可用來放大水平視野，亦即輸出影像的長寬比(或是輸出影像之像素或是子像素的長寬比)與耦合輸入光學模組120所產生導向後影像的長寬比(或是導向後影像之像素或是子像素的長寬比)是不相同的，因此，為了讓使用者所看到的輸出影像可以具有指定的長寬比，例如16:9或是4:3，顯示器110係有特殊的設計以使得其像素/影像的長寬比大幅不同於指定的長寬比。
舉例來說，假設輸出影像之指定的長寬比為16:9，耦合輸出光學模組130僅會將導向後影像的水平視野放大兩倍(亦即，導向後影像中每一個像素的長寬比均放大兩倍)，且耦合輸入光學模組120不會改變影像的垂直視野或是長寬比，則顯示器110所產生之影像的長寬比可以被設計為8:9。
在以上的實施例中，耦合輸入光學模組120並不具有透鏡或是透鏡組以改變影像/像素的長寬比，然而，在其他的實施例中，耦合輸入光學模組120可以具有少量的透鏡以放大一部分的垂直視野。舉例來說，假設輸出影像之指定的長寬比為16:9，耦合輸出光學模組130僅會將導向後影像的水平視野放大三倍，且耦合輸入光學模組120會將影像的垂直視野放大兩倍，則顯示器110所產生之影像的長寬比可以被設計為8:9。
如上所述，將耦合輸入光學模組120以及耦合輸出光學模組130整合來看，其對於顯示器110所產生之影像的放大是不對稱的(亦即，影像之水平方向的放大率不同於垂直方向的放大率)，以避免在耦合輸入光學模組120中使用透鏡或是透鏡組，且顯示器110所產生之影像的長寬比係由指定的長寬比以及光學模組的放大倍率來決定。
請參考第2圖，其為根據本發明一實施例之影像在通過耦合輸入光學模組120以及耦合輸出光學模組130之前，以及影像在通過耦合輸入光學模組120以及耦合輸出光學模組130之後的示意圖。如第2圖所示，一像素中包含了水平排列的一紅色子像素；一綠色子像素以及一藍色子像素，且在影像通過耦合輸出光學模組130之前(亦即，顯示器110所產生的影像或是耦合輸入光學模組120所產生的導向後影像)，像素或是子像素具有一較窄的水平寬度，舉例來說，子像素的尺寸可以是2微米乘以7微米。而在影像通過耦合輸出光學模組130之後，每一個像素的水平方向被放大以使得輸出影像具有指定的長寬比16:9。
請參考第3圖，其為根據本發明另一實施例之影像在通過耦合輸入光學模組120以及耦合輸出光學模組130之前，以及影像在通過耦合輸入光學模組120以及耦合輸出光學模組130之後的示意圖。如第3圖所示，一像素中包含了垂直排列的一紅色子像素；一綠色子像素以及一藍色子像素，且在影像通過耦合輸出光學模組130之前(亦即，顯示器110所產生的影像或是耦合輸入光學模組120所產生的導向後影像)，像素或是子像素具有一較窄的水平寬度，舉例來說，子像素的尺寸可以是2微米乘以7微米。而在影像通過耦合輸出光學模組130之後，每一個像素的水平方向被放大以使得輸出影像具有指定的長寬比16:9。
請參考第4圖，其為根據本發明另一實施例之影像在通過耦合輸入光學模組120以及耦合輸出光學模組130之前，以及影像在通過耦合輸入光學模組120以及耦合輸出光學模組130之後的示意圖。如第4圖所示，一像素中包含了馬賽克排列的一紅色子像素；一綠色子像素以及一藍色子像素，且在影像通過耦合輸出光學模組130之前(亦即，顯示器110所產生的影像或是耦合輸入光學模組120所產生的導向後影像)，像素或是子像素具有一較窄的水平寬度，舉例來說，子像素的尺寸可以是2微米乘以7微米。而在影像通過耦合輸出光學模組130之後，每一個像素的水平方向被放大以使得輸出影像具有指定的長寬比16:9。
第5圖為根據本發明一實施例之在一頭戴式顯示裝置中顯示一輸出影像的方法的流程圖。參考第1至5圖，流程如下所述。
步驟500：流程開始。
步驟502：從頭戴式顯示裝置中的顯示器產生一影像。
步驟504：使用一耦合輸入光學元件來將該影像導往另一個方向。
步驟506：將該導向後影像放大以直接產生該輸出影像至人眼中，其中該顯示器所產生之該影像的長寬比係不同於該輸出影像的長寬比。
簡要歸納本發明，在本發明之頭戴式顯示器中，藉由使用具有特殊長寬比的顯示器，光學模組可以對影像進行不對稱的放大操作，以避免在光學模組中使用透鏡或是透鏡組，因此，本發明之實施例可以在維持輸出影像之長寬比的情形下，降低頭戴式顯示裝置的重量並減少頭戴式顯示裝置的體積。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100‧‧‧頭戴式顯示裝置
110‧‧‧顯示器
120‧‧‧耦合輸入光學模組
130‧‧‧耦合輸出光學模組
500~506‧‧‧步驟
第1圖為根據本發明一實施例之頭戴式顯示裝置的示意圖。 第2圖為根據本發明一實施例之影像在通過耦合輸入光學模組以及耦合輸出光學模組之前，以及影像在通過耦合輸入光學模組以及耦合輸出光學模組之後的示意圖。 第3圖為根據本發明另一實施例之影像在通過耦合輸入光學模組以及耦合輸出光學模組之前，以及影像在通過耦合輸入光學模組以及耦合輸出光學模組之後的示意圖。 第4圖為根據本發明另一實施例之影像在通過耦合輸入光學模組以及耦合輸出光學模組之前，以及影像在通過耦合輸入光學模組以及耦合輸出光學模組之後的示意圖。 第5圖為根據本發明一實施例之在一頭戴式顯示裝置中顯示一輸出影像的方法的流程圖。

Claims (14)

  1. 一種頭戴式顯示裝置，包含有：一顯示器，用以顯示至少一影像；一耦合輸入光學模組，用以自該顯示器接收該影像，並將所接收之該影像導往另一個方向以產生一導向後影像；以及一耦合輸出光學模組，用來自該耦合輸入光學模組接收該導向後影像以產生一輸出影像，其中當使用者穿戴上該頭戴式顯示裝置時，該輸出影像係直接投射至人眼中；其中該顯示器所產生之該影像的長寬比係不同於該輸出影像的長寬比。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之頭戴式顯示裝置，其中該耦合輸入光學模組所產生之該導向後影像的長寬比係相同於該顯示器所產生之該影像的長寬比。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之頭戴式顯示裝置，其中該耦合輸出光學模組僅對該導向後影像之一第一方向的視野進行放大，該耦合輸入光學模組不會對該影像之一第二方向的視野進行放大，且該第二方向不同於該第一方向。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之頭戴式顯示裝置，其中該耦合輸出光學模組僅對該導向後影像之水平視野進行放大，且該耦合輸入光學模組不會對該影像之垂直視野進行放大。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之頭戴式顯示裝置，其中該耦合輸入光學 模組不包含任何的透鏡或是透鏡組以改變該影像的長寬比。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之頭戴式顯示裝置，其中該耦合輸入光學模組所產生之該導向後影像的長寬比係相同於該顯示器所產生之該影像的長寬比。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之頭戴式顯示裝置，其中該輸出影像的長寬比為16：9或是4：3。
  8. 一種在一頭戴式顯示裝置中顯示一輸出影像的方法，包含有：自該頭戴式顯示裝置中的一顯示器接收一影像；將該影像導往另一個方向以產生一導向後影像；以及將該導向後影像放大以產生該輸出影像，其中當使用者穿戴上該頭戴式顯示裝置時，該輸出影像係直接投射至人眼中；其中該顯示器所產生之該影像的長寬比係不同於該輸出影像的長寬比。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該導向後影像的長寬比係相同於該顯示器所產生之該影像的長寬比。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中將該導向後影像放大以產生該輸出影像的步驟包含有：僅對該導向後影像之一第一方向的視野進行放大；以及將該影像導往另一個方向的步驟包含有：不會對該影像之一第二方向的視野進行放大，其中該第二方向不同於 該第一方向。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中將該導向後影像放大以產生該輸出影像的步驟包含有：僅對該導向後影像之水平視野進行放大；以及將該影像導往另一個方向的步驟包含有：不會對該影像之垂直視野進行放大。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該影像導往另一個方向的步驟係由一耦合輸入光學模組來執行，且該耦合輸入光學模組不包含任何的透鏡或是透鏡組以改變該影像的長寬比。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該導向後影像的長寬比係相同於該顯示器所產生之該影像的長寬比。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該輸出影像的長寬比為16：9或是4：3。
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