TWI678556B - 頭戴式顯示裝置 - Google Patents

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施智維
Chih-Wei Shih
鄭權得
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Abstract

一種頭戴式顯示裝置包括照明系統、顯示器、透鏡模組以及波導系統。照明系統包括孔徑光欄。顯示器將照明光束轉換為影像光束。波導系統導引影像光束，並且將影像光束投射至投射目標。波導系統包括第一波導元件以及第二波導元件。影像光束經由透鏡模組、第一波導元件以及第二波導元件投射至投射目標。影像光束在第一波導元件之內收斂至第一光欄。第一光欄位於第一波導元件之內。影像光束在第二波導元件之外投射至第二光欄。第二光欄位於投射目標之處。照明光束在照明系統之內收斂至第三光欄。孔徑光欄位於第三光欄之處。

Description

頭戴式顯示裝置
本發明是有關於一種顯示裝置，且特別是有關於一種頭戴式顯示裝置。
近眼顯示器（Near Eye Display, NED）以及頭戴式顯示器（Head-mounted Display, HMD）是目前極具發產潛力的下一代殺手級產品。在近眼顯示技術的相關應用上，目前可分為擴增實境（Augmented Reality, AR）技術以及虛擬實境（Virtual Reality, VR）技術。對擴增實境技術而言，相關開發人員目前致力於如何在輕薄的前提下提供最佳的影像品質。
在頭戴式顯示器實現擴增實境的光學架構中，用以顯示的影像光束由投影裝置發出後，經由波導進入使用者的眼睛。來自光閥的影像以及外界的環境光束，經由波導進入使用者的眼睛，達到擴增實境的效果。在目前的頭戴式顯示器產品中，因為波導與光機機構的距離過於接近，而阻擋了環境光束進入眼睛的視野，破壞的沉浸感，對於擴增實境之效果大打折扣。
現在對於頭戴顯示裝置的要求，都會希望能越接近一般的近視眼鏡或太陽眼鏡的設計，因此如何將龐大的光機挪移至使用者的可視區之外，不阻擋使用者的視線，即是目前重要的課題之一。此外，頭戴式顯示器可提供的視角大小及其體積也是影響使用者體驗的重要因素。
“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，其可提供大視角及良好的影像品質，並且體積小。
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。頭戴式顯示裝置包括照明系統、顯示器、透鏡模組以及波導系統。照明系統適於提供照明光束，並且包括孔徑光欄。顯示器適於將照明光束轉換為影像光束。影像光束傳遞且投射至投射目標。透鏡模組適於接收並投射影像光束。波導系統適於導引影像光束，並且將影像光束投射至投射目標。波導系統包括第一波導元件以及第二波導元件。影像光束經由透鏡模組、第一波導元件以及第二波導元件投射至投射目標。影像光束在第一波導元件之內收斂至第一光欄。第一光欄位於第一波導元件之內。影像光束離開第二波導元件並且在第二波導元件之外投射至第二光欄。第二光欄位於投射目標之處。照明光束在照明系統之內收斂至第三光欄。孔徑光欄位於第三光欄之處。
本發明的一實施例中，所述的照明系統具有第一F值，透鏡模組具有第二F值，第一F值是依據第三光欄的面積大小來決定，以及第一F值大於或等於第二F值。
本發明的一實施例中，照明系統更包括照明光源、準直透鏡組、均光元件以及稜鏡模組，照明光源提供照明光束，照明光束經由準直透鏡組、孔徑光欄、均光元件以及稜鏡模組傳遞至顯示器。
本發明的一實施例中，均光元件是透鏡陣列，並且孔徑光欄配置在準直透鏡組與均光元件之間。
本發明的一實施例中，稜鏡模組是極化分束器，並且光源提供照明光束具有極性。
本發明的一實施例中，均光元件是光積分柱，並且孔徑光欄配置在稜鏡模組之中。
本發明的一實施例中，稜鏡模組包括第一稜鏡，來自於均光元件的照明光束經由第一稜鏡傳遞至顯示器。
本發明的一實施例中，稜鏡模組包括第一稜鏡、第二稜鏡以及第三稜鏡，來自於均光元件的照明光束經由第一稜鏡、第二稜鏡以及第三稜鏡傳遞至顯示器。
本發明的一實施例中，第一間隙位於第一稜鏡與第二稜鏡之間，第二間隙位於第二稜鏡與第三稜鏡之間，來自於均光元件的照明光束經由第一間隙以及第二間隙傳遞至顯示器。
本發明的一實施例中，第一稜鏡具有曲面，適於反射來自於均光元件的照明光束，其中曲面具有反射層。
本發明的一實施例中，照明系統更包括照明光源、均光元件、準直透鏡組以及稜鏡模組，照明光源提供照明光束，照明光束經由均光元件、準直透鏡組以及稜鏡模組傳遞至顯示器。
本發明的一實施例中，均光元件是光積分柱，並且孔徑光欄配置在準直透鏡組之內。
本發明的一實施例中，稜鏡模組包括第一稜鏡以及第二稜鏡，來自於準直透鏡的照明光束經由第一稜鏡以及第二稜鏡傳遞至顯示器。
本發明的一實施例中，間隙位於第一稜鏡與第二稜鏡之間，來自於均光元件的照明光束經由間隙傳遞至顯示器。
本發明的一實施例中，第一波導元件包括第一入光面、第一出光面以及多個第一分光元件，其中來自於顯示器的影像光束經由第一入光面入射第一波導元件，以及影像光束經由第一出光面離開第一波導元件，以及第二波導元件連接於第一波導元件，並包括第二入光面、第二出光面以及多個第二分光元件，其中來自於第一波導元件的影像光束經由第二入光面入射第二波導元件。
本發明的一實施例中，孔徑光欄具有驅動元件，驅動元件適於控制孔徑光欄的開口大小，以控制第三光欄的面積大小。
本發明的一實施例中，第一波導元件與第二波導元件之間具有間隔。
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的頭戴式顯示裝置的立體示意圖。圖2A繪示圖1的頭戴式顯示裝置的側視示意圖。請參考圖1及圖2A，本實施例的頭戴式顯示裝置100包括第一波導元件110、第二波導元件120、顯示器130以及透鏡模組140。第二波導元件120連接於第一波導元件110。透鏡模組140配置在顯示器130與第一波導元件110之間。
在本實施例中，第一波導元件110包括第一入光面S11、第一出光面S12以及多個第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4。第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4沿第一方向Y排列。在本實施例中，第一入光面S11與第一出光面S12相對設置，但本發明並不限於此。在一實施例中，依據顯示器130的設置位置的不同，第一入光面S11也可與第一出光面S12鄰接。在本實施例中，影像光束ML在第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4的位置發生半穿透半反射的光學效應，第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4例如為半穿透半反射膜（See Through Mirror, STM）。在本實施例中，第二波導元件120包括第二入光面S21、第二出光面S22以及多個第二分光元件X1、X2、X3、X4、X5、X6，其中第二入光面S21、第二出光面S22屬於同一表面，差異在於第二波導元件120的第二入光面S21是面對第一波導元件110的第一出光面S12。第二分光元件X1、X2、X3、X4、X5、X6沿第二方向X排列。在本實施例中，影像光束ML在第二分光元件X1、X2、X3、X4、X5、X6的位置發生半穿透半反射的光學效應。在本實施例中，各波導元件所包括的分光元件的數量及相鄰分光元件的間距可依據不同產品需求來設計之，並不用以限定本發明。並且，第一分光元件的數量可與第二分光元件的數量相同或不相同，相鄰分光元件的間距可相同或不相同。在本實施例中，顯示器130適於將來自照明系統的照明光束轉換為影像光束ML，以提供影像光束ML給透鏡模組140，其中照明系統將於下面內容中詳細描述。在本實施例中，顯示器130例如包括數位光源處理(Digital Light Processing™，簡稱DLP™)投影系統、液晶顯示(liquid-crystal display，簡稱LCD)投影系統或液晶覆矽(Liquid Crystal On Silicon，簡稱LCoS)投影系統等影像投影系統，惟本發明並不加以限制。在本實施例中，透鏡模組140例如為一個或多個透鏡，數量不限，依設計而定。透鏡模組140具有光軸A1是在第三方向Z上延伸。影像光束ML在透鏡模組140中沿著第三方向Z傳遞。來自於顯示器130的影像光束ML通過透鏡模組140，經由第一入光面S11入射第一波導元件110。在本實施例中，在第一波導元件110之內影像光束ML穿透第一分光元件Y1而沿著第一方向Y傳遞，並且影像光束ML經由第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4反射的作用之後，沿著第三方向Z的相反方向(-Z)經由第一出光面S12離開第一波導元件110，值得注意的是，第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4為半穿透半反射膜，也就是部份影像光束ML可被第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4反射，部份影像光束ML穿透於第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4，本實施例中，以主要影像光束ML的光路徑為描述重點。
此外，來自於第一波導元件110的影像光束ML沿著第三方向Z的相反方向(-Z)經由第二入光面S21入射進第二波導元件120，並且經由第二波導元件120的反射面S23反射後朝向第二波導元件120的第二分光元件X1、X2、X3、X4、X5、X6傳遞。在本實施例中，在第二波導元件120之內的影像光束ML沿著第二方向X傳遞，影像光束ML經由第二分光元件X1、X2、X3、X4、X5、X6反射的作用之後，從第二出光面S22離開第二波導元件110，投射至投射目標P。因此，在本實施例中，第二入光面S21與第二出光面S22是第二波導元件120的同一表面，但第二出光面S22面對投射目標P。在本實施例中，投射目標P例如是光瞳是使用者的眼睛其中之一。在其他實施例中，投射目標P例如是接收影像光束ML的影像感測裝置，例如感光耦合元件（Charge-coupled Device，CCD）或是互補金屬氧化物半導體影像感測器(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor image sensor，CMOS image sensor)。
在本實施例中，影像光束ML在透鏡模組140中沿著第三方向Z的相反方向(-Z)傳遞，其傳遞方向與光軸A1的延伸方向實質上相同。在本實施例中，投射目標P具有視軸A2，其延伸方向(第三方向Z)實質上與影像光束ML投射入投射目標P的傳遞方向相同，並且垂直於第一方向Y。因此，在圖1中，將投射目標P的視軸A2向第一波導元件110平移至YZ平面(參考平面)上，可在第一波導元件110中標示出參考軸A3，如圖2A所示。
也就是說，在本實施例中，投射目標P具有與第一方向Y垂直的視軸A2，並且視軸A2朝向第一波導元件110平移會在第一波導元件110內的參考平面YZ上產生參考軸A3。在圖2A中，在參考平面YZ上，照明光束ML的傳遞路徑上，照明光束ML形成的第一光欄(Stop)PA1與第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4的第一片分光元件Y1的中心位置PC在第一方向上的距離為D1，以及參考軸A3與第一片分光元件Y1的中心位置PC在第一方向Y上的距離為D2。在本實施例中，距離D1大於或等於距離D2。第一片分光元件Y1是部份影像光束ML進入第一波導元件110中，第一個反射影像光束ML的分光元件，也是最接近透鏡模組140的第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4其中之一。
在本實施例中，來自於透鏡模組140的影像光束ML在第一波導元件110之內收斂至第一光欄PA1。第一光欄PA1位於第一波導元件110之內。在本實施例中，第一光欄PA是影像光束ML在第一波導元件110之內收斂至最小光束直徑的位置，並且通過第一光欄PA的位置後，影像光束ML開始發散。舉例而言，透鏡模組140可使入射至第一波導元件110的影像光束ML從第一分光元件Y1開始收斂，並且在第一光欄PA1達到光束直徑最小的位置。在第一光欄PA1之後，影像光束ML開始發散並且入射至第一分光元件Y4再被反射至第一出光面S12。在本實施例中，影像光束ML經由第二出光面S22離開第二波導元件120之後在第二波導元件120之外投射至第二光欄PA2。第二光欄PA2位於投射目標P之處。舉例而言，第二分光元件X1、X2、X3、X4、X5、X6可使入射至第二波導元件120的影像光束ML反射從第二出光面S22離開第二波導元件120，且影像光束ML投射到第二光欄PA2的位置，從而影像光束ML可入射至投射目標P，其中第二光欄PA2的位置實質同於投射目標P的位置，也就是使用者的其中之一的眼睛可以看到影像的位置即是第二光欄PA2的位置。
在本實施例中，透鏡模組140的視角(Field Of View, FOV)相對應於投射目標P之處接收到影像的視角(FOV)。換句話說，在本實施例中，在投射目標P接收到由影像光束ML形成影像的對角線方向的視角大体上等同透鏡模組140投射出影像光束ML的視角。但在其他實施例中，投射目標P接收到由影像光束ML形成影像的對角線方向的視角小於透鏡模組140投射出影像光束ML的視角。
藉由影像光束ML形成影像的對角線方向的視角可得知在第一方向Y上的第一視角以及在第二方向X上的第二視角。在本實施例中，當顯示器130投射出影像光束ML欲顯現為16:9投射比的影像時，透過透鏡模組140會投射出具有對角線方向視角約在30度到90度之間，例如視角40度的影像光束ML透過第一波導元件110與第二波導元件120將影像光束ML傳遞至投射目標P，使得投射目標P可接收到影像光束ML形成影像的對角線方向的視角約在30度到90度之間，例如為40度，但不以此為限。此領域技術人員可藉由16:9投射比計算出在第一方向Y上的第一視角約為10度以及在第二方向X上的第二視角約為17度。由上述可知，透過本發明的頭戴式顯示裝置，使得投射目標P之處接收到由影像光束ML形成影像的對角線方向的視角(FOV)可為30~90度或者90度以上。此外，如圖2A所示，另一實施例中，透鏡模組140的光軸A1垂直第一方向Y且平行投射目標P的視軸A2，投射目標P之處接收到由影像光束ML形成影像的對角線方向的視角(FOV)可為30~50度。以及先參考圖3所示，另一實施例中，透鏡模組140的光軸A1平行第一方向Y且垂直投射目標P的視軸A2，投射目標P之處接收到由影像光束ML形成影像的對角線方向的視角(FOV)可為50~90度。所述對角線方向的視角可依據不同產品需求來設計之，並不用以限定本發明。可使頭戴式顯示裝置100提供大視角，且頭戴式顯示裝置100的體積縮小。
在其它實施例中，當透鏡模組140投射的影像光束ML形成影像的對角線方向的視角(FOV)後，第一視角的大小可依據第一波導元件110中第一分光元件的數量來決定，或者是依據第一波導元件110中第一片分光元件至最後一片分光元件的距離來決定，或者是依據第一波導元件110中相鄰兩片分光元件之間的距離來決定。類似地，第二視角的大小例如是依據第二波導元件120中第二分光元件的數量來決定，或者是依據第二波導元件120中第一片分光元件至最後一片分光元件的距離來決定，或者是依據第二波導元件120中相鄰兩片分光元件之間的距離來決定。但值得一提的是，藉由上述第一波導元件110與第二波導元件120的調整而產生的第一視角的大小與第二視角的大小，皆可小於或等於透鏡模組140投射的影像光束ML形成影像的第一視角的大小與第二視角的大小。
此外，由於考量顯示器130可提供的影像投射比，將影響在第一波導元件110的第一片分光元件的數量和第二波導元件120的第二片分光元件的數量，舉例而言，若投射比為16:9則第二波導元件120的第二片分光元件的數量大於第一波導元件110的第一片分光元件的數量。不過，在其他設計條件下，第二波導元件120的第二片分光元件的數量可小於第一波導元件110的第一片分光元件的數量，不以此為限。
此外，依據顯示器與透鏡模組設置位置的不同，在一實施例中，第一波導元件的第一入光面可與第一出光面鄰接，且透鏡模組的光軸平行於第一方向。在一實施例中，第一波導元件的第一入光面可與第一出光面鄰接，且透鏡模組的光軸可垂直於第一方向且平行於第二方向。
圖2B繪示本發明圖2A中實施例的頭戴式顯示裝置的光路徑側視示意圖。同時參考圖2B。由於第一波導元件110的第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4為半穿透半反射膜，也就是將部份影像光束ML可被第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4反射，部份影像光束ML穿透於第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4，在本實施例中，在第一波導元件110中部份影像光束ML收斂於第一光欄PA1的位置，由基礎光學原理可知，穿過第一分光元件Y1的部分影像光束ML同樣可收斂於第二波導元件120中光欄PA1’的位置，且由第一分光元件Y1的中心位置至光欄PA1’的位置的距離等於第一分光元件Y1的中心位置至第一光欄PA1的位置的距離。相同理由，第一分光元件Y2、Y3所反射的部分影像光束ML可收斂於第二波導元件120中光欄PA1’’與PA1’’’的位置，且第一分光元件Y2的中心位置至光欄PA1’’的位置的距離等於第一分光元件Y2的中心位置至第一光欄PA1的位置的距離，以及第一分光元件Y3的中心位置至光欄PA1”’的位置的距離等於第一分光元件Y3的中心位置至第一光欄PA1的位置的距離。
圖2C繪示本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的側視示意圖。圖2C實施例的頭戴式顯示裝置類似於圖2A實施例的頭戴式顯示裝置100，其構件以及相關敘述可以參考頭戴式顯示裝置100的構件以及相關敘述，在此不再贅述。頭戴式顯示裝置100與頭戴式顯示裝置100的差異如下所述。在本實施例中，頭戴式顯示裝置100包括第一光波導元件110以及第二光波導元件120。另外，頭戴式顯示裝置100還包括反射鏡150，配置於第一入光面S11旁，且面向第一入光面S11。反射鏡150適於反射由顯示器130經過透鏡模組140所提供的影像光束ML，以使影像光束ML由第一入光面S11進入第一光波導元件110。接著，進入第一光波導元件110的影像光束ML可再被多個第一分光片Y1、Y2、Y3、Y4反射而傳遞至第二光波導元件120。
具體而言，反射鏡150與第一出光面S11之間的夾角例如是45度。當影像光束ML經由反射鏡150反射後，可以入射第一分光片Y1。此外，在本實施例中，影像光束ML的第一光欄PA1的位置例如是位於第一光波導元件110中。第一光欄PA1的位置例如是位於這些第一分光片Y1、Y2、Y3、Y4之間。因此，行進于第一光波導元件110的影像光束ML可以縮束到第一光欄PA1的位置。在本實施例中，藉由將影像光束ML縮束的第一光欄PA1的位置設置至第一光波導元件110的內部，可以避免影像光束ML太早於XY平面上發散而在第一出光面S12以及第一入光面S11產生全反射。也就是說，影像光束ML在發生全反射之前就可以通過這些第一分光片Y1、Y2、Y3、Y4導引到第二光波導元件120中，因此可以避免影像光束ML於第一光波導元件110中發生全反射而造成非預期顯示畫面的問題。
圖3繪示本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的立體示意圖。請參考圖1及圖3，本實施例的頭戴式顯示裝置200類似於圖1實施例的頭戴式顯示裝置100，惟兩者之間主要的差異例如在於頭戴式顯示裝置200的顯示器230與透鏡模組240平行設置在第一波導元件110的側邊，來自透鏡模組240的影像光束ML從第一波導元件110的第一入光面S13入射第一波導元件100，並且經由第一出光面S12離開第一波導元件110。因此，在本實施例中，第一波導元件110的第一入光面S13與第一出光面S12鄰接，且透鏡模組240的光軸A1平行於第一方向Y。在本實施例中，第一光欄PA1位於第一波導元件210之內，並且第二光欄PA2位於投射目標P之處。並且，第一光欄PA1在第一波導元件210之內的位置也符合距離D1大於或等於距離D2的條件。
圖4繪示本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的立體示意圖。請參考圖1及圖4，本實施例的頭戴式顯示裝置800類似於圖1實施例的頭戴式顯示裝置100，惟兩者之間主要的差異例如在於第一入光面與第一出光面鄰接，且透鏡模組的光軸A1垂直於第一方向Y且平行於第二方向X。
具體而言，在本實施例中，頭戴式顯示裝置800包括第一波導元件810、第二波導元件820、第三波導元件850、顯示器830以及透鏡模組840。在一實施例中，第三波導元件850與第二波導元件820亦可為相同材料且一體成型的結構。顯示器830適於提供影像光束ML。在本實施例中，影像光束ML經由第一入射面S14入射至第一波導元件810，並且經由反射面S15反射，朝向第一方向Y傳遞。接著，影像光束ML再由第一出光面S12離開第一波導元件810。因此，在本實施例中，第一入光面S14與第一出光面S12與反射面S15鄰接，且透鏡模組840的光軸A1垂直於第一方向Y且平行於第二方向X。顯示器830與透鏡模組840配置的位置可依據不同產品設計或光學特性來決定之，本發明並不加以限制。並且，本實施例的第三波導元件850可採用如圖5A至圖5C實施例的其中之一的第三波導元件設計。
在本實施例中，第一波導元件810包括多個第一分光元件811。影像光束ML在這些第一分光元件811的位置發生半穿透半反射的光學效應，並且入射至第三波導元件850。第三波導元件850可具有例如圖5A至圖5C實施例所述的反射結構。在本實施例中，影像光束ML在第三波導元件850的反射結構的位置發生反射，並且入射至第二波導元件820。第二波導元件820包括多個第二分光元件831。影像光束ML在這些第二分光元件831的位置發生半穿透半反射的光學效應，並且離開第二波導元件820。在本實施例中，離開第二波導元件820的影像光束ML適於進入投射目標P，其中投射目標P例如是使用者的一隻眼睛位置。此外，第一分光元件811以及第二分光元件831的數量並不限於圖4所示，配置在第一波導元件810以及第二波導元件820當中的分光元件的數量可依據不同產品需求來設計之，本發明並不加以限制。
在本實施例中，由於這些第一分光元件811以及這些第二分光元件831分別具有鍍膜，並且鍍膜僅能使得特定入射角範圍入射的影像光束ML穿透。因此，當影像光束ML在第一波導元件810以及第二波導元件820行進的過程中以過大的入射角入射這些第一分光元件811以及這些第二分光元件831時，一部分的影像光束ML反而會在這些第一分光元件811以及這些第二分光元件831片上發生反射。此非預期的反射影像光束ML會繼續於第一波導元件810以及第二波導元件820中行進，而在後續以較小角度入射分光片的情況下，以與前述預期方向相反的方向傾斜地導入使用者的眼睛。此時，使用者除了會觀看到原本預期的影像畫面外，同時還會觀看到鏡像的非預期的影像畫面。因此，使用者容易在使用頭戴式顯示器的過程中感覺影像畫面有鬼影的存在或影像畫面變得模糊。
圖5A繪示本發明的頭戴式顯示裝置的一實施例的示意圖，參考圖5A。在本實施例中，頭戴式顯示裝置500包括第一波導元件510、第二波導元件520以及第三波導元件530，其中第二波導元件520包括多個第二分光元件531。在本實施例中，第一波導元件510配置於第三波導元件530旁。第一波導元件510可貼合於第三波導元件530，或透過透明膠材黏合，或者利用固定件532(例如間隔物或膠材或墊片)在第一波導元件510與第三波導元件530的外圍固定，中間區域具有間隔(gap)，間隔可為微小的空氣間隙(air gap)。此外，第一出光面ES1面對第二入光面IS2。第二入光面IS2連接第二出光面ES2。第三波導元件530可貼合於第二波導元件520，或透過透明膠材黏合。因此，第三入光面IS3連接於第二出光面ES2。在本實施例中，第三波導元件530包括反射結構521。反射結構521可由多個光學微結構所組成，並且這些多個光學微結構可為多個傾斜配置且週期性排列的多個反射面。
此外，上述空氣間隙(air gap)的目的在於具有大角度的入射角度的影像光束ML射入第一波導元件510中，可避免部分的影像光束ML直接穿透第一波導元件510，使得部分影像光束ML以全反射的方式在第一波導元件510中傳遞。另一優點，部分影像光束ML由反射結構521反射後朝向第二入光面IS2，由於空氣間隙可讓部分影像光束ML在第二入光面IS2產生全反射，將部分影像光束ML導入第二波導元件520。
在本實施例中，影像光束ML經由第一波導元件510的第一出光面ES1入射至第三波導元件530，並且經由第二入光面IS2入射第三波導元件530。影像光束ML經由反射結構521反射來自於第二入光面IS2的影像光束ML，並且經由第二出光面ES2離開第三波導元件530。影像光束ML經由第三入光面IS3入射第二波導元件520，並經由第三出光面ES3離開第二波導元件520。
在本實施例中，第三波導元件530與第二波導元件520可為不同材料。例如，第三波導元件530可為塑膠材料，並且第一波導元件510以及第二波導元件520可為玻璃，但本發明並不限於此。在一實施例中，第三波導元件530與第二波導元件520亦可為相同材料且一體成型的結構。在本實施例中，第一波導元件510、第三波導元件530以及第二波導元件520個別的材料選擇亦可依據不同反射率需求或產品設計來決定之。
圖5B繪示本發明的頭戴式顯示裝置的一實施例的示意圖，參考圖5B。在本實施例中，頭戴式顯示裝置600包括第一波導元件610、第三波導元件630以及第二波導元件620，其中第二波導元件620包括多個第二分光元件631。在本實施例中，第一波導元件610配置於第二波導元件620旁。第一波導元件610可貼合於第二波導元件620，或透過透明膠材黏合，或利用機構件(例如間隔物或膠材)在第一波導元件610與第二波導元件620的外圍固定，但中間區域具有間隔，間隔可為微小的空氣間隙。因此，在影像光束ML的傳遞路徑上，影像光束ML經由第一出光面ES1穿過第二波導元件620而傳遞至第三波導元件630。此外，第一出光面ES1面對第二入光面IS2。第二入光面IS2連接第二出光面ES2。第三波導元件630可貼合於第二波導元件620，或透過透明膠材黏合。因此，第三入光面IS3連接於第二出光面ES2。第二入光面IS2與第三入光面IS3面對第一出光面ES1。在本實施例中，第三波導元件630包括反射結構621。反射結構621可由多個光學微結構所組成，並且這些多個光學微結構可為多個傾斜配置且週期性排列的多個反射面。
在本實施例中，影像光束ML經由第一波導元件610的第一出光面ES1入射第二波導元件620，通過第二波導元件620後再經由第二入光面IS2入射第三波導元件630。影像光束ML經由反射結構621反射來自於第二入光面IS2的影像光束ML，並且經由第二出光面ES2離開第三波導元件630。影像光束ML經由第三入光面IS3再入射第二波導元件620，並經由第三出光面ES3離開第二波導元件620。
在本實施例中，第三波導元件630與第二波導元件620可為不同材料。例如，第三波導元件630可為塑膠材料，並且第一波導元件610以及第二波導元件620可為玻璃，但本發明並不限於此。在一實施例中，第三波導元件630與第二波導元件620亦可為相同材料且一體成型的結構。在本實施例中，第一波導元件610、第三波導元件630以及第二波導元件620個別的材料選擇亦可依據不同反射率需求或產品設計來決定之。
圖5C繪示本發明的頭戴式顯示裝置的一實施例的示意圖，參考圖5C。在本實施例中，頭戴式顯示裝置700包括第一波導元件710、第三波導元件730以及第二波導元件720，其中第二波導元件720包括多個第二分光元件731。在本實施例中，第一波導元件710配置於第二波導元件720旁。第一波導元件710可貼合於第二波導元件720，或透過透明膠材黏合，或利用固定件(例如間隔物或膠材或墊片，如圖5A所示)在第一波導元件710與第二波導元件720的外圍固定，中間區域具有間隔(gap)，間隔可為微小的空氣間隙(air gap)。因此，第一出光面ES1透過第二波導元件720面對第二入光面IS2。第二入光面IS2連接第二出光面ES2。第三波導元件730傾斜配置於第二波導元件720旁，因此第二入光面IS2、第二出光面ES2以及第三入光面IS3相對於第三出光面ES3具有一傾斜角度。第三波導元件730可貼合於第二波導元件720，或透過透明膠材黏合。因此，第三入光面IS3連接第二出光面ES2。在本實施例中，第三波導元件730包括反射結構721與透光層。第三波導元件730為反射單元（reflecting unit），並且反射結構721可為反射鏡或者為反射塗層。
在本實施例中，影像光束ML經由第一波導元件710的第一出光面ES1入射第二波導元件720，通過第二波導元件720後再經由第二入光面IS2入射第三波導元件730。影像光束ML經由反射結構721反射來自於第二入光面IS2的影像光束ML，並且經由第二出光面ES2離開第三波導元件730。影像光束ML經由第三入光面IS3再入射第二波導元件720，並經由第三出光面ES3離開第二波導元件720。
在本實施例中，第一波導元件710、第三波導元件730以及第二波導元件720可皆為玻璃材料，但本發明並不限於此。在一實施例中，第三波導元件730可為塑膠材料的反射單元。並且，第一波導元件710、第三波導元件730以及第三波導元件730個別的材料選擇亦可依據不同反射率需求或產品設計來決定之。
圖6A繪示本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的示意圖。請參考圖1~4,6A，在本實施例中，頭戴式顯示裝置900包括第一波導元件910、第三波導元件930、第二波導元件920以及反射元件950。反射元件950適於接收顯示器提供的影像光束ML，反射元件950可為具有反射層的稜鏡(未顯示)，且顯示器提供的影像光束由X軸方向入射至反射元件950，在藉由反射元件950的反射層將影像光束沿Y軸方向入射至第一波導元件910。為了方便說明，本實施例的第三波導元件930採用上述圖5C實施例的第二波導元件的反射結構設計，但本發明並不限於此。上述圖5A以及圖5B實施例的第二波導元件的反射結構設計亦可適用之。
在本實施例中，本發明提出顯示器提供的影像光束ML可僅具有單一極化方向。舉例來說，影像光束ML由反射元件950入射至第一波導元件910時，可使用偏振元件(Polarizer)，偏振元件960可配置在顯示器與第一波導元件910之間、顯示器與反射元件950之間，或者反射元件950與第一波導元件910之間，以使由顯示器入射至第一波導元件910的影像光束只具有P極化方向的光（如同第三軸Z的方向），並且影像光束ML由第一波導元件910經由第三波導元件930的反射結構入射至第二波導元件920，基於此領域基本偏振光的光學定義可知，將P極化方向的光轉換為S極化方向的光（如同第二軸Y的方向）。因此，第一波導元件910中，只傳遞單一極化方向的影像光束，並且這些第一分光元件911以及這些第二分光元件931各別的鍍膜層是可對應具有單一極化方向的影像光束來設計。
在另一實施例中，本實施例的頭戴式顯示裝置900可進一步包括相位延遲片970。在本實施例中，偏振元件960可配置在顯示器與第一波導元件910之間，或反射元件950與第一波導元件910之間，以使由反射元件950入射至第一波導元件910的影像光束可只具有S極化方向的光。並且，相位延遲片970可配置在第一波導元件910與第三波導元件930之間(也將相位延遲片970可配置在第二波導元件920與第一波導元件910之間)，以使由第一波導元件910入射至第二波導元件920的影像光束可為S極化方向的光。據此，頭戴式顯示裝置900藉由配置偏振元件960、相位延遲片970，而可有效降低非預期的反射光線於第一波導元件910以及第二波導元件920中行進的情況。
圖6B繪示本發明另一實施例的頭戴式900A顯示裝置的示意圖。對此，顯示器830提供的影像光束ML可僅具有單一極化方向。舉例來說，影像光束ML直接入射至第一波導元件910可具有P極化方向的光（如同第三方向Z的方向），並且影像光束ML由第一波導元件910經由反射結構入射至第二波導元件920，基於基本光學反射效果，而自然地轉換為S極化方向的影像光束ML（如同第一方向Y的方向）。因此，第一波導元件910當中可只傳遞單一極化方向的影像光束ML，並且這些第一分光元件911以及這些第二分光元件931個別的鍍膜可對應具有單一極化方向的影像光束ML來設計之。據此，本實施例的頭戴式顯示裝置900A可有效降低非預期的反射光線於第一波導元件910以及第二波導元件920中行進的情況。在本實施例中，第一光欄也位於第一波導元件910之內，並且第二光欄PA2位於投射目標P之處。並且，第一光欄在第一波導元件910之內的位置也符合距離D1大於或等於距離D2的條件。
圖7繪示圖1的第二波導元件的俯視示意圖。圖8繪示本發明一實施例之擴散鍍膜的反射率相對於影像光束的入射角的反射率分布曲線的概要示意圖。在圖8中，擴散鍍膜的反射率相對於影像光束的入射角的反射率分布曲線例如是以波長520奈米為例，但不用以限定本發明。並且，圖8的反射率分布曲線僅用以例示說明，也不用以限定本發明。請參考圖7至圖8，在本實施例中，在第二波導元件120中的各第二分光元件X1、X2、X3、X4、X5、X6皆包括第一表面以及相對於第一表面的第二表面，且在第一表面與第二表面其中之一可包括擴散鍍膜，以第一表面包括擴散鍍膜為例。以第二分光元件X1為例，第二表面SX12相對於第一表面SX11，並且第一表面SX11包括擴散鍍膜。在本實施例中，影像光束ML從各第二分光元件的第一表面入射至各第二分光元件，影像光束ML入射至各第二分光元件的入射角範圍介於15度至45度之間，如此可讓部分影像光束ML經由擴散鍍膜反射至光瞳P，其中第二波導元件120中的各第二分光元件與第二出光面S22之間的夾角為30度，但本案不以此為限。在第二波導元件120中，影像光束ML具有的偏振方向為第二極化方向(例如S方向偏振光)。在本實施例中，擴散鍍膜的反射率例如符合圖8的反射率分布曲線。在入射角介於15度至45度之間，第N個第二分光元件的反射率小於或等於第(N+1)個第二分光元件的反射率，其中N是大於或等於1的整數。在圖8中，曲線SR(N+1)例如是第(N+1)個第二分光元件的反射率分布曲線，曲線SRN例如是第N個第二分光元件的反射率分布曲線。舉例而言，第1個第二分光元件X1的反射率小於或等於第2個第二分光元件X2的反射率，但不以此為限。
圖9繪示圖7實施例之影像光束在投射目標之處產生的影像畫面的概要示意圖。請參考圖7至圖9，在本實施例中，在投射目標P中所形成的影像畫面是來自各第二分光元件反射的影像光束ML，換句話說，人眼可看到的水平方向(第二方向X)的影像畫面。因此，經由不同的第二分光元件反射的影像光束ML在投射目標P上產生的影像畫面部分會重疊或者影像畫面部分相接，若影像畫面之間產生空隙，則會使人眼觀看到一影像具有一黑區。因此，如圖9所示，舉例而言，在投射目標P中影像畫面的不同區塊是由不同的第二分光元件所反射的影像光束ML所貢獻，並且在部分區塊產生影像重疊或影像相接。依據本實施例的擴散鍍膜的設計方式，亦即第二分光元件當中的第N個第二分光元件的反射率小於或等於第二分光元件當中的第(N+1)個第二分光元件，即使部分區塊產生重疊，在投射目標P中的影像畫面仍可保持均勻，具有良好的影像品質。
圖10繪示圖1的第一波導元件的側視示意圖。請參考圖10，在本實施例中，各第一分光元件Y1、Y2、Y3、Y4包括第一表面以及相對於第一表面的第二表面，且第一表面包括擴散鍍膜。且在第一表面與第二表面其中之一可包括擴散鍍膜，以第一分光元件Y1為例，第二表面SY22相對於第一表面SY21，並且第一表面SY21包括擴散鍍膜。在本實施例中，同時參考圖3，透鏡模組140的光軸A1平行第一方向Y且垂直投射目標P的視軸A2，影像光束ML入射至第一分光元件Y1的第一表面SY21，其入射角介於30度至60度之間，其中第一波導元件110中的各第一分光元件與第一出光面S12之間的夾角為45度，在其他設計下也可為30度，但本案不以此為限。此外，第M個第一分光元件的反射率小於或等於第(M+1)個第一分光元件的反射率，其中M是大於或等於1的整數。舉例而言，第2個第一分光元件Y2的反射率小於或等於第3個第一分光元件Y3的反射率，如此可讓部分影像光束ML經由擴散鍍膜反射至第二波導元件120，在投射目標P中的影像畫面仍可保持均勻，具有良好的影像品質。在另一實施例中，同時參考圖2A，透鏡模組140的光軸A1垂直第一方向Y且平行投射目標P的視軸A2，影像光束ML入射至第一分光元件Y1的第一表面SY21，1減去第一個第一分光元件的反射率小於或等於第(M+1)個第一分光元件的反射率，其中M是大於或等於1的整數。舉例而言，1減去第1個第一分光元件Y1的反射率小於或等於第2個第一分光元件Y2的反射率。如此可讓部分影像光束ML經由擴散鍍膜反射至第二波導元件120，在投射目標P中的影像畫面仍可保持均勻，具有良好的影像品質。
圖11繪示圖10實施例之影像光束在投射目標之處產生的影像畫面的概要示意圖。請參考圖10及圖11，在本實施例中，在投射目標P中所形成的影像畫面是來自各第一分光元件反射的影像光束ML。換句話說，人眼可看到的垂直方向(第一方向Y)的影像畫面。經由不同的第一分光元件反射的影像光束ML在投射目標P上產生的影像畫面部分重疊或者影像畫面部分相接，也就是經由不同的第二分光元件反射的影像光束ML在投射目標P上產生一影像畫面，影像畫面由部分重疊的影像光束ML所形成，或者經由不同的第二分光元件反射的影像光束ML在投射目標P上產生一影像畫面，影像畫面由部分相接的影像光束ML所形成。 在其他實施例中，經由不同的第一分光元件反射的影像光束ML以及經由不同的第二分光元件反射的影像光束ML，在投射目標P上產生一影像畫面，影像畫面由部分重疊的影像光束ML所形成。或者另一實施例中，經由不同的第一分光元件反射的該影像光束ML以及經由不同的第二分光元件反射的影像光束ML，在投射目標P上產生一影像畫面，影像畫面由部分相接的影像光束所形成。若影像畫面之間產生空隙，則會使人眼觀看到一影像具有一黑區。因此，如圖11所示，在投射目標P中影像畫面的不同區塊是由不同的第一分光元件反射的影像光束ML所貢獻，並且在部分區塊產生影像重疊或影像相接，使得在投射目標P中的影像畫面仍可保持均勻，具有良好的影像品質。
圖12A繪示疊加圖9與圖11的影像光束在投射目標之處產生的影像畫面的概要示意圖。可參考圖9、圖11與圖12A可知，將在投射目標P中所形成的影像畫面是來自各第二分光元件反射的影像光束ML，形成水平方向(第二方向X)的影像畫面，以及在投射目標P中所形成的影像畫面是來自各第一分光元件反射的影像光束ML，形成垂直方向(第一方向Y)的影像畫面。兩者的影像畫面加以疊加則形成投射目標P可觀看到的影像畫面。
圖12B繪示不同的第二分光元件將影像光束反射至投射目標的概要示意圖。參考圖12B可知，影像光束透過第二分光元件向第二波導元件外部以擴散的方式射出，但在投射目標P的位置是可接收由第二分光元件投射出來的影像光束，且投射目標P接收到部分重疊的影像光束或者部分相鄰的影像光束，可讓投射目標P獲取清晰且完整的影像。
圖13繪示本發明一實施例之影像光束由入射第一分光元件入射至第二波導元件的概要示意圖。在圖13中，經由不同的第一分光元件反射的影像光束ML從第一波導元件110離開至第二波導元件120的入射角可能不同，因此，針對不同的第一分光元件，其擴散鍍膜可作不同的設計。部分影像光束的主光線經由第一分光元件的第一片分光元件Y1反射的路徑偏向第一分光元件的最後一片分光元件Y4。部分影像光束的主光線經由第一分光元件的最後一片分光元件Y4反射的路徑偏向第一分光元件的第一片分光元件Y1。在在圖13中的光束方向為示意描述，實際影像光束是入射進入第二波導元件120。舉例而言，在圖13中，影像光束ML的行進方向(第一方向Y)例如以45度角相對於第一分光元件作為入射角，影像光束ML入射至第一分光元件的角度可能大於、小於或等於45度(參考角度)。例如，影像光束ML入射至第一分光元件Y1、Y2的角度可能大於45度，可參考圖14A所示。圖14A所繪示的是影像光束ML入射第一分光元件Y1的概要示意圖，其入射角大於45度。影像光束ML入射至第一分光元件Y2的角度可以此類推。因此，針對第一分光元件Y1、Y2的擴散鍍膜設計，可設計為在入射角大於45度之處，在第一分光元件Y1、Y2 在入射角為47度與50度的區域具有反射率為15%與30%，使得從第一分光元件Y1、Y2反射至第二波導元件120的影像光束ML具有較大的光量，從而提高影像光束ML投射至投射目標P的效率。又例如，影像光束ML入射至第一分光元件Y3、Y4的角度可能小於45度，如圖14B所示。圖14B所繪示的是影像光束ML入射第一分光元件Y4的概要示意圖，其入射角小於45度。影像光束ML入射至第一分光元件Y3的角度可以此類推。因此，針對第一分光元件Y3、Y4的擴散鍍膜設計，可設計為在入射角小於45度之處，在第一分光元件Y3、Y4 在入射角為40度與43度的區域具有反射率為40%與55%，使得從第一分光元件Y3、Y4反射至第二波導元件120的影像光束ML具有較大的光量，從而提高影像光束ML投射至投射目標P的效率。
因此，在本發明的實施例中，利用調整分光元件上的擴散鍍膜的光學特性，可使得在投射目標P上的影像畫面具有均勻性且投射至投射目標P的影像光束ML的光量較大。
以下再舉多個實施例，說明包括照明系統、顯示器以及波導系統的頭戴式顯示裝置的操作方法。
圖15繪示本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的概要示意圖。請參考圖15，本實施例的頭戴式顯示裝置300A包括照明系統350A、顯示器330A、透鏡模組340以及波導系統。透鏡模組340可包括一個或多個透鏡，波導系統包括第一波導元件310以及第二波導元件320。在本實施例中，顯示器330A例如包括數位光源處理(Digital Light Processing™，簡稱DLP™)投影系統，適於將來自照明系統350A的照明光束IL轉換為影像光束ML。影像光束ML經由波導系統傳遞至投射目標P。在本實施例中，波導系統的操作方式可由圖1至圖14B實施例之敘述中獲致足夠的教示、建議與實施說明。
在本實施例中，照明系統350A適於提供照明光束IL給顯示器330A。照明系統350A包括照明光源351、準直透鏡組353、孔徑光欄(aperture stop)355、均光元件357以及稜鏡模組359A。照明光源351提供照明光束IL。照明光束IL經由準直透鏡組353、孔徑光欄(aperture stop)355、均光元件357以及稜鏡模組359A傳遞至顯示器330A。在本實施例中，孔徑光欄355配置在準直透鏡組353與均光元件357之間，並且照明光源351例如是發光二極管(light emitting diode, LED) ，但不以此為限，均光元件357例如是透鏡陣列(fly-eye lens array)，準直透鏡組353包括一個或多個透鏡。在本實施例中，來自於照明光源351的照明光束IL在照明系統350A之內收斂至第三光欄(stop)PA3。第三光欄PA3位於孔徑光欄355之處。在本實施例中，孔徑光欄355可具有驅動元件358(例如馬達)，驅動元件適於控制孔徑光欄355的開口大小，以控制第三光欄PA3的面積大小。因此，孔徑光欄355可調整通過其開口的照明光束IL的光量。在本實施例中，稜鏡模組359A包括稜鏡352(第一稜鏡)。來自於均光元件357的照明光束IL經由稜鏡352傳遞至顯示器330A。在另一實施例中，依設計需求，孔徑光欄355的開口可為固定孔徑大小。
圖16繪示本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的概要示意圖。請參考圖15及圖16，本實施例的頭戴式顯示裝置300B類似於圖15的頭戴式顯示裝置300A，惟兩者之間主要的差異例如在於照明系統350B以及顯示器330B的設計方式。
具體而言，在本實施例中，顯示器330A例如包括液晶覆矽(Liquid Crystal On Silicon，簡稱LCoS)投影系統，適於將來自照明系統350B的照明光束IL轉換為影像光束ML。影像光束ML經由波導系統傳遞至投射目標P。在本實施例中，波導系統的操作方式可由圖1至圖14B的實施例之敘述中獲致足夠的教示、建議與實施說明。在本實施例中，照明系統350B適於提供照明光束IL給顯示器330B。孔徑光欄355配置在準直透鏡組353與均光元件357之間。在本實施例中，來自於照明光源351的照明光束IL在照明系統350A之內收斂至第三光欄PA3。照明光源351的照明光束IL可經極性轉換為具有單一極性的照明光束IL。第三光欄PA3位於孔徑光欄355之處。在本實施例中，孔徑光欄355具有驅動元件。驅動元件適於控制孔徑光欄355的開口大小，以控制第三光欄PA3的面積大小。因此，孔徑光欄355可調整通過其開口的照明光束IL的光量。在本實施例中，稜鏡模組359B包括一個極化分束器(Polarizing beam splitter，PBS)。來自於均光元件357的照明光束IL經由極化分束器傳遞至顯示器330A，並且反射至透鏡模組340。
圖17繪示本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的概要示意圖。請參考圖15及圖17，本實施例的頭戴式顯示裝置300C類似於圖15的頭戴式顯示裝置300A，惟兩者之間主要的差異例如在於稜鏡模組359C的設計方式。
具體而言，在本實施例中，顯示器330C例如包括數位光源處理(Digital Light Processing™，簡稱DLP™)投影系統，適於將來自照明系統350C的照明光束IL轉換為影像光束ML。影像光束ML經由波導系統傳遞至投射目標P。在本實施例中，波導系統的操作方式可由圖1至圖14B的實施例之敘述中獲致足夠的教示、建議與實施說明。在本實施例中，稜鏡模組359C包括第一稜鏡359_1、第二稜鏡359_2以及第三稜鏡359_3。第一稜鏡359_1具有曲面。曲面具有反射層R。曲面適於反射自於均光元件357的照明光束IL。在本實施例中，兩兩稜鏡之間間隔微小的空氣間隙。例如，第一間隙位於第一稜鏡359_1與第二稜鏡359_2之間，第二間隙位於第二稜鏡359_2與第三稜鏡359_3之間。來自於均光元件357的照明光束IL經由第一稜鏡359_1、第一間隙、曲面、第二稜鏡359_2、第二間隙以及第三稜鏡359_3傳遞至顯示器330C。在一實施例中，第一稜鏡359_1可貼合於第二稜鏡359_2，或透過透明膠材黏合。第二稜鏡359_2可貼合於第三稜鏡359_3，或透過透明膠材黏合。
在圖15至圖17的實施例中，照明系統350A、350B、350C具有第一F值，且第一F值是依據第三光欄PA3的面積大小來決定。透鏡模組340具有第二F值。頭戴式顯示裝置300A、300B、300C符合第一F值大於或等於第二F值條件，可消除降低影像畫面所產生鬼影的情況。F值可定義為1/2*sin(θ)，θ角為光束入射的圓錐角(cone angle)。
舉例而言，圖18繪示圖17實施例的頭戴式顯示裝置的部分元件的概要示意圖。為簡要說明起見，圖18僅繪示頭戴式顯示裝置300C的顯示器330C、第三稜鏡359_3以及透鏡模組340。在本實施例中，照明光束IL入射至顯示器330C，顯示器330C例如包括數位微型反射鏡元件(Digital Micromirror Device，簡稱DMD)。數位微型反射鏡元件先將照明光束IL轉換為影像光束ML，再將影像光束ML反射至第三稜鏡359_3。第三稜鏡359_3再將影像光束ML反射至透鏡模組340。在本實施例中，照明光束IL入射至顯示器330C的圓錐角(cone angle)例如是θ1，照明系統350C的第一F值可定義為1/2*sin(θ1)。在本實施例中，透鏡模組340接收來自於顯示器330C的影像光束ML，其圓錐角(cone angle)例如是θ2。透鏡模組340的第二F值可定義為1/2*sin(θ2)。
在本實施例中，依據製造者的設計，預先設定好透鏡模組340的第二F值，即可得知所需要入射角度θ2，因此，透過孔徑光欄355可調整通過其開口的大小來控制第三光欄PA3的大小，而第三光欄PA3的大小會影響照明光束IL入射至顯示器330C的圓錐角θ1的大小。也就是，透鏡模組340的第二F值被決定之後，可透過孔徑光欄355來控制照明系統350C的第一F值的大小，以使頭戴式顯示裝置300C符合第一F值大於或等於第二F值條件。在一實施例中，孔徑光欄355的開口可為固定孔徑大小，配合透鏡模組340的第二F值設計，將控制照明系統350C的第一F值的大小設計為使頭戴式顯示裝置300C符合第一F值大於或等於第二F值條件。在圖15及圖16的實施例中，照明系統350A、350B也可利用此方式來調整，以使頭戴式顯示裝置300A、300B符合第一F值大於或等於第二F值條件，因此，使用者容易在使用頭戴式顯示器300A、300B的過程中將可消除或降低觀看的影像畫面中會有鬼影的存在或觀看的影像畫面變得模糊的情況。
圖19繪示本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的概要示意圖。請參考圖15及圖19，本實施例的頭戴式顯示裝置400A類似於圖15的頭戴式顯示裝置300A，惟兩者之間主要的差異例如在於孔徑光欄455的設置位置以及均光元件457是光積分柱。
具體而言，在本實施例中，稜鏡模組459A包括一稜鏡與兩個透鏡，其中孔徑光欄455配置在兩個透鏡之間，並且均光元件457例如是光積分柱。在本實施例中，來自於照明光源451的照明光束IL在照明系統450A之內收斂至第三光欄PA3。第三光欄PA3位於孔徑光欄455之處。在本實施例中，孔徑光欄455具有驅動元件。驅動元件適於控制孔徑光欄455的開口大小，以控制第三光欄PA3的大小，從而控制照明光束IL入射至顯示器430A的圓錐角的大小。因此，在透鏡模組440的第二F值被決定之後，可透過孔徑光欄455來控制照明系統450A的第一F值的大小，以使頭戴式顯示裝置400A符合第一F值大於或等於第二F值條件。
圖20繪示本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的概要示意圖。請參考圖16及圖20，本實施例的頭戴式顯示裝置400B類似於圖16的頭戴式顯示裝置300B，惟兩者之間主要的差異例如在於孔徑光欄455的設置位置以及均光元件457是光積分柱。
具體而言，在本實施例中，稜鏡模組459B包括兩稜鏡與兩個透鏡，其中孔徑光欄455配置在稜鏡模組459B中的兩個透鏡之間，並且均光元件457例如是光積分柱。在本實施例中，來自於照明光源451的照明光束IL在照明系統450A之內收斂至第三光欄PA3。第三光欄PA3位於孔徑光欄455之處。在本實施例中，孔徑光欄455具有驅動元件。驅動元件適於控制孔徑光欄455的開口大小，以控制第三光欄PA3的大小，從而控制照明光束IL入射至顯示器430A的圓錐角的大小。因此，在透鏡模組440的第二F值被決定之後，可透過孔徑光欄455來控制照明系統450A的第一F值的大小，以使頭戴式顯示裝置400A符合第一F值大於或等於第二F值條件。
圖21繪示本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的概要示意圖。請參考圖21，本實施例的頭戴式顯示裝置400C包括照明系統450C、顯示器430C、透鏡模組440以及波導系統。波導系統包括第一波導元件410以及第二波導元件420。在本實施例中，顯示器330A例如包括數位光源處理(Digital Light Processing™，簡稱DLP™)投影系統或者液晶覆矽(Liquid Crystal On Silicon，簡稱LCoS)投影系統，適於將來自照明系統450C的照明光束IL轉換為影像光束ML。影像光束ML經由波導系統傳遞至投射目標P。在本實施例中，波導系統的操作方式可由圖1至圖14B的實施例之敘述中獲致足夠的教示、建議與實施說明。
在本實施例中，照明系統450C適於提供照明光束IL給顯示器430C。照明系統450C包括照明光源451、均光元件457、準直透鏡組453C、孔徑光欄455以及稜鏡模組459C。照明光源451提供照明光束IL。照明光束IL經由均光元件357、孔徑光欄355、準直透鏡組453C以及稜鏡模組459C傳遞至顯示器430C。在本實施例中，準直透鏡組453C包括透鏡453_1、453_2。孔徑光欄455配置在準直透鏡組353C中的透鏡453_1、453_2之間。均光元件457例如是光積分柱。在本實施例中，來自於照明光源451的照明光束IL在照明系統450C之內收斂至第三光欄PA3。第三光欄PA3位於孔徑光欄455之處。在本實施例中，孔徑光欄455具有驅動元件。驅動元件適於控制孔徑光欄455的開口大小，以控制第三光欄PA3的大小。因此，孔徑光欄455可調整通過其開口的照明光束IL的光量。在本實施例中，稜鏡模組459C包括第一稜鏡352_1以及第二稜鏡352_2。來自於準直透鏡組453C的照明光束IL經由第一稜鏡352_1反射至顯示器430C，照明光束IL轉變為影像光束ML並且透過第二稜鏡352_2傳遞至透鏡模組440。
在本實施例中，孔徑光欄455可調整通過其開口的大小來控制第三光欄PA3的大小，而第三光欄PA3的大小會影響照明光束IL入射至顯示器430C的圓錐角θ1的大小。因此，在透鏡模組440的第二F值被決定之後，可透過孔徑光欄455來控制照明系統450C的第一F值的大小，以使頭戴式顯示裝置400C符合第一F值大於或等於第二F值條件。
綜上所述，在本發明的示範實施例中，第一光欄位於第一波導元件之內，第二光欄位於投射目標之處，可使頭戴式顯示裝置提供大視角，且波導系統的體積小。在本發明的示範實施例中，各分光元件的擴散鍍膜可依據不同反射率需求或產品設計來決定之，以使在投射目標中的影像畫面可保持均勻，具有良好的影像品質。在本發明的示範實施例中，第三光欄位在照明系統之內，並且孔徑光欄設置在第三光欄之處。頭戴式顯示裝置可透過孔徑光欄來第三光欄以及控制照明系統的第一F值的大小，以使頭戴式顯示裝置符合第一F值大於或等於透鏡模組的第二F值條件，從而改善影像畫面中的鬼影，提供良好的影像品質。
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、200、300A、300B、300C、400A、400B、400C、500、600、700、800、900‧‧‧頭戴式顯示裝置
110、210、310、410、510、610、710、810、910‧‧‧第一波導元件
120、220、320、420、520、620、720、820、920‧‧‧第二波導元件
130、230、330A、330B、330C、430A、430B、430C、830‧‧‧顯示器
140、240、340、440、840‧‧‧透鏡模組
350A、350B、350C、450A、450B、450C‧‧‧照明系統
351、451‧‧‧照明光源
352、352_1、352_2、359_1、359_2、359_3‧‧‧稜鏡
353、453C‧‧‧準直透鏡組
355、455‧‧‧孔徑光欄
357、457‧‧‧均光元件
358‧‧‧驅動元件
359A、359B、359C、459A、459B、459C‧‧‧稜鏡模組
453_1、453_2‧‧‧透鏡
521、621、721‧‧‧反射結構
530、630、730、850、930‧‧‧第三波導元件
532‧‧‧固定件
960、970‧‧‧偏振元件
A1‧‧‧光軸
A2‧‧‧視軸
A3‧‧‧參考軸
D1、D2‧‧‧距離
ES3‧‧‧第三出光面
IS3‧‧‧第三入光面
IL‧‧‧照明光束
ML‧‧‧影像光束
P‧‧‧投射目標
PA1‧‧‧第一光欄
PA1’、PA1’’、PA1’’’‧‧‧光欄
PA2‧‧‧第二光欄
PA3‧‧‧第三光欄
PC‧‧‧中心位置
R‧‧‧反射層
S11、S13、S14‧‧‧第一入光面
S12、ES1‧‧‧第一出光面
S23、S15‧‧‧反射面
S21、IS2‧‧‧第二入光面
S22、ES2‧‧‧第二出光面
SX11、SY21‧‧‧第一表面
SX12、SY22‧‧‧第二表面
SRN、SR(N+1)‧‧‧曲線
X‧‧‧第二方向
X1、X2、X3、X4、X5、X6、531、631、731、831、931‧‧‧第二分光元件
Y‧‧‧第一方向
Y1、Y2、Y3、Y4、811、911‧‧‧第一分光元件
Z‧‧‧第三方向
θ1、θ2‧‧‧圓錐角
圖1繪示本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的立體示意圖。 圖2A繪示圖1的頭戴式顯示裝置的側視示意圖。 圖2B繪示本發明圖2A中實施例的頭戴式顯示裝置的光路徑側視示意圖。 圖2C繪示圖1的另一頭戴式顯示裝置的側視示意圖。 圖3繪示本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的立體示意圖。 圖4繪示本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的立體示意圖。 圖5A繪示本發明的頭戴式顯示裝置的一範例實施例的示意圖。 圖5B繪示本發明的頭戴式顯示裝置的一範例實施例的示意圖。 圖5C繪示本發明的頭戴式顯示裝置的一範例實施例的示意圖。 圖6A繪示本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的示意圖。 圖6B繪示本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的示意圖。 圖7繪示圖1的第二波導元件的俯視示意圖。 圖8繪示本發明一實施例之擴散鍍膜的反射率相對於影像光束的入射角的反射率分布曲線的概要示意圖。 圖9繪示圖7實施例之影像光束在投射目標之處產生的影像畫面的概要示意圖。 圖10繪示圖1的第一波導元件的側視示意圖。 圖11繪示圖10實施例之影像光束在投射目標之處產生的影像畫面的概要示意圖。 圖12A繪示疊加圖9與圖11的影像光束在投射目標之處產生的影像畫面的概要示意圖。 圖12B繪示不同的第二分光元件將影像光束反射至投射目標的概要示意圖。 圖13繪示本發明一實施例之影像光束由入射第一分光元件入射至第二波導元件的概要示意圖。 圖14A繪示本發明一實施例之影像光束入射第一分光元件的概要示意圖。 圖14B所繪示本發明另一實施例之影像光束入射第一分光元件的概要示意圖。 圖15繪示本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的概要示意圖。 圖16繪示本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的概要示意圖。 圖17繪示本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的概要示意圖。 圖18繪示圖17實施例的頭戴式顯示裝置的部分元件的概要示意圖。 圖19繪示本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的概要示意圖。 圖20繪示本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的概要示意圖。 圖21繪示本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的概要示意圖。

Claims (17)

  1. 一種頭戴式顯示裝置，包括： 一照明系統，適於提供一照明光束，並且包括一孔徑光欄； 一顯示器，適於將該照明光束轉換為一影像光束，該影像光束傳遞且投射至一投射目標； 一透鏡模組適於接收並投射該影像光束；以及 一波導系統，適於導引該影像光束，並且將該影像光束投射至該投射目標，其中該波導系統包括一第一波導元件以及一第二波導元件，該影像光束經由該透鏡模組、該第一波導元件以及該第二波導元件投射至該投射目標，該影像光束在該第一波導元件之內收斂至一第一光欄，該第一光欄位於該第一波導元件之內，以及該影像光束離開該第二波導元件並且在該第二波導元件之外投射至一第二光欄，該第二光欄位於該投射目標之處，其中該照明光束在該照明系統之內收斂至一第三光欄，該孔徑光欄位於該第三光欄之處。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中照明系統具有一第一F值，該透鏡模組具有一第二F值，該第一F值是依據該第三光欄的面積大小來決定，以及該第一F值大於或等於該第二F值。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該照明系統更包括一照明光源、一準直透鏡組、一均光元件以及一稜鏡模組，該照明光源提供該照明光束，該照明光束經由該準直透鏡組、該孔徑光欄、該均光元件以及該稜鏡模組傳遞至該顯示器。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的頭戴式顯示裝置，其中該均光元件是一透鏡陣列，並且該孔徑光欄配置在該準直透鏡組與該均光元件之間。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的頭戴式顯示裝置，其中該稜鏡模組是一極化分束器，並且該光源提供該照明光束具有一極性。
  6. 如申請專利範圍第3項所述的頭戴式顯示裝置，其中該均光元件是一光積分柱，並且該孔徑光欄配置在該稜鏡模組之中。
  7. 如申請專利範圍第3項所述的頭戴式顯示裝置，其中該稜鏡模組包括一第一稜鏡，來自於該均光元件的該照明光束經由該第一稜鏡傳遞至該顯示器。
  8. 如申請專利範圍第3項所述的頭戴式顯示裝置，其中該稜鏡模組包括一第一稜鏡、一第二稜鏡以及一第三稜鏡，來自於該均光元件的該照明光束經由該第一稜鏡、該第二稜鏡以及該第三稜鏡傳遞至該顯示器。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的頭戴式顯示裝置，其中一第一間隙位於該第一稜鏡與該第二稜鏡之間，一第二間隙位於該第二稜鏡與該第三稜鏡之間，來自於該均光元件的該照明光束經由該第一間隙以及該第二間隙傳遞至該顯示器。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一稜鏡具有一曲面，適於反射自於該均光元件的該照明光束，其中該曲面具有一反射層。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該照明系統更包括一照明光源、一均光元件、一準直透鏡組以及一稜鏡模組，該照明光源提供該照明光束，該照明光束經由該均光元件、該準直透鏡組以及該稜鏡模組傳遞至該顯示器。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的頭戴式顯示裝置，其中該均光元件是一光積分柱，並且該孔徑光欄配置在該準直透鏡組之內。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的頭戴式顯示裝置，其中該稜鏡模組包括一第一稜鏡以及一第二稜鏡，來自於該準直透鏡的該照明光束經由該第一稜鏡以及該第二稜鏡傳遞至該顯示器。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的頭戴式顯示裝置，其中一間隙位於該第一稜鏡與該第二稜鏡之間，來自於該均光元件的該照明光束經由該間隙傳遞至該顯示器。
  15. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一波導元件包括一第一入光面、一第一出光面以及多個第一分光元件，其中來自於該顯示器的該影像光束經由該第一入光面入射該第一波導元件，以及該影像光束經由該第一出光面離開該第一波導元件，以及該第二波導元件連接於該第一波導元件，並包括一第二入光面、一第二出光面以及多個第二分光元件，其中來自於該第一波導元件的該影像光束經由該第二入光面入射該第二波導元件。
  16. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該孔徑光欄具有一驅動元件，該驅動元件適於控制該孔徑光欄的開口大小，以控制該第三光欄的面積大小。
  17. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一波導元件與該第二波導元件之間具有一間隔。
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