TWI717912B

TWI717912B - 頭戴式顯示裝置

Info

Publication number: TWI717912B
Application number: TW108142805A
Authority: TW
Inventors: 塗宗偉; 邱奕榮; 石維國; 黃士挺
Original assignee: 宏碁股份有限公司; 宏星技術股份有限公司
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2021-02-01
Also published as: TW202121007A

Abstract

一種頭戴式顯示裝置包括顯示模組及成像系統。顯示模組包括第一及第二顯示器、合光元件及光學鏡頭。第一及第二顯示器適於提供第一及第二影像光束。合光元件配置在第一及第二影像光束的傳遞路徑上。光學鏡頭配置在來自合光元件的第一及第二影像光束的傳遞路徑上，以產生對應於第一及第二影像光束的第一及第二實像。第一實像所在的第一成像平面與光學鏡頭之間的距離不同於第二實像所在的第二成像平面與光學鏡頭之間的距離。成像系統配置在來自光學鏡頭的第一及第二影像光束的傳遞路徑上。

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。

近年來，擴增實境（Augmented Reality，AR）、虛擬實境（Virtual Reality，VR）及混合實境（Mixed Reality，MR）等顯示技術的應用如雨後春筍般地出現在市面上。舉凡遊戲、遠端會議、遠端醫療、模擬訓練等各種領域都可見其蹤跡。其中，頭戴式顯示裝置（Head Mounted Display，HMD）更是上述應用的主流配備之一。為了讓使用者有身歷其境的感官體驗，一般的頭戴式顯示裝置包含對應兩眼設置的兩個顯示器，這兩個顯示器提供兩個具有視差的影像畫面，讓使用者看到立體的影像。

然而，上述產生立體視覺的方式，往往因人眼的對焦位置不同於視覺上產生的多個虛擬物體的所在深度而產生輻輳調節衝突（vergence-accommodation conflict），造成使用者在長時間觀賞下容易產生暈眩等不適的症狀。因此，為使用者提供舒適的立體視覺體驗為頭戴式顯示裝置的產品開發商所致力追求的方向之一。

本發明提供一種頭戴式顯示裝置，其可提供舒適的視覺體驗。

本發明的頭戴式顯示裝置包括顯示模組及成像系統。顯示模組包括第一顯示器、第二顯示器、合光元件以及光學鏡頭。第一顯示器適於提供第一影像光束。第二顯示器適於提供第二影像光束。合光元件配置在第一影像光束及第二影像光束的傳遞路徑上。光學鏡頭配置在來自合光元件的第一影像光束及第二影像光束的傳遞路徑上，以產生對應於第一影像光束的第一實像以及對應於第二影像光束的第二實像。第一實像所在的第一成像平面與光學鏡頭之間的距離不同於第二實像所在的第二成像平面與光學鏡頭之間的距離。成像系統配置在來自光學鏡頭的第一影像光束及第二影像光束的傳遞路徑上，以將第一影像光束及第二影像光束傳遞至使用者的眼中。

在本發明的一實施例中，頭戴式顯示裝置的第一顯示器與第二顯示器選自於矽基液晶顯示器、數位微顯示器、有機發光二極體顯示器、液晶顯示器、微型發光二極體顯示器或上述兩個的組合。

在本發明的一實施例中，頭戴式顯示裝置的第一顯示器與合光元件之間的距離不同於第二顯示器與合光元件之間的距離。

在本發明的一實施例中，頭戴式顯示裝置的第一顯示器與合光元件之間的距離等於第二顯示器與合光元件之間的距離。顯示模組更包括透鏡，透鏡配置在合光元件與第一顯示器之間或合光元件與第二顯示器之間。

在本發明的一實施例中，頭戴式顯示裝置的第一顯示器與合光元件之間的距離等於第二顯示器與合光元件之間的距離。顯示模組更包括焦距不同的多個透鏡。多個透鏡分別配置在合光元件與第一顯示器之間以及合光元件與第二顯示器之間。

在本發明的一實施例中，頭戴式顯示裝置的成像系統包括凹面鏡。

在本發明的一實施例中，頭戴式顯示裝置的凹面鏡為半反射半穿透式凹面鏡。

在本發明的一實施例中，頭戴式顯示裝置的成像系統更包括分光元件。分光元件配置在來自光學鏡頭的第一影像光束及第二影像光束的傳遞路徑上。凹面鏡配置在來自分光元件的第一影像光束及第二影像光束的傳遞路徑上。

在本發明的一實施例中，頭戴式顯示裝置的分光元件為半反射半穿透式平面鏡、稜鏡或分光鏡。

在本發明的一實施例中，頭戴式顯示裝置的第一顯示器與第二顯示器的其中一者是透明顯示器。顯示模組更包括第三顯示器。第三顯示器設置在透明顯示器的後方且適於提供第三影像光束。第三影像光束穿透透明顯示器後傳遞至合光元件。

基於上述，在本發明實施例的頭戴式顯示裝置中，來自第一顯示器的第一影像光束及來自第二顯示器的第二影像光束分別在光學鏡頭之光軸上的不同位置形成第一實像及第二實像，並透過成像系統傳遞至使用者的眼中，以形成位在不同深度的虛擬影像，如此可避免使用者在操作時產生輻輳調節衝突，有助於提升長時間操作下的舒適度。

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。

實施方式中所提到的方向用語，例如：「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明，而並非用來限制本發明。在附圖中，各圖式繪示的是特定示範實施例中所使用的方法、結構及/或材料的通常性特徵。然而，這些圖式不應被解釋為界定或限制由這些示範實施例所涵蓋的範圍或性質。舉例來說，為了清楚起見，各膜層、區域及/或結構的相對尺寸、厚度及位置可能縮小或放大。

在實施方式中，相同或相似的元件將採用相同或相似的標號，且將省略其贅述。此外，不同示範實施例中的特徵在沒有衝突的情況下可相互組合，且依本說明書或申請專利範圍所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本專利涵蓋之範圍內。另外，本說明書或申請專利範圍中提及的「第一」、「第二」等用語僅用以命名分立（discrete）的元件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，也並非用以限定元件的製造順序或設置順序。

圖1為本發明之第一實施例的頭戴式顯示裝置10的示意圖。請參照圖1，頭戴式顯示裝置10包括顯示模組100及成像系統200。顯示模組100適於提供影像光束。成像系統200配置在來自顯示模組100的影像光束的傳遞路徑上，且用以將影像光束傳遞至使用者的眼睛UE中。依據不同的需求（如立體視覺），頭戴式顯示裝置10還可包括對應於使用者的另一個眼睛（未繪示）設置的顯示模組（未繪示）及成像系統（未繪示）。

顯示模組100包括第一顯示器110及第二顯示器120。第一顯示器110適於提供第一影像光束IB1，且第二顯示器120適於提供第二影像光束IB2。第一顯示器110及第二顯示器120可選自於矽基液晶（Liquid Crystal On Silicon，LCOS）顯示器、數位微鏡元件（Digital Micromirror Device，DMD）顯示器、有機發光二極體（Organic Light Emitting Diode，OLED）顯示器、液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）、微型發光二極體（Micro Light Emitting Diode，Micro-LED）顯示器或上述兩個的組合。

第一顯示器110及第二顯示器120可顯示不同的影像畫面，但本發明並不以此為限。在一些實施例中，第一顯示器110及第二顯示器120也可顯示相同的影像畫面。在另一些實施例中，第一顯示器110及第二顯示器120的其中一者也可不顯示影像畫面。

顯示模組100更包括合光元件130。合光元件130配置在第一影像光束IB1及第二影像光束IB2的傳遞路徑上，且合光元件130適於將第一影像光束IB1及第二影像光束IB2合併。舉例來說，第一顯示器110及第二顯示器120可分別配置在合光元件130的第一側面130a及第二側面130b旁。來自第一顯示器110的第一影像光束IB1及來自第二顯示器120的第二影像光束IB2沿不同的傳遞路徑傳遞至合光元件130的合光面131。合光面131適於將第一影像光束IB1及第二影像光束IB2合併，使得自合光元件130輸出的第一影像光束IB1的傳遞路徑與自合光元件130輸出的第二影像光束IB2的傳遞路徑至少部分重疊。如圖1所示，通過合光面131的第一影像光束IB1與被合光面131反射的第二影像光束IB2沿相同的傳遞路徑傳遞至下一個元件（如光學鏡頭140）。

合光元件130可選自於分光鏡（beam splitter）、稜鏡（prism）或多個反射鏡（reflective mirror）的組合。舉例而言，在本實施例中，合光元件130可以是由兩個玻璃三角柱接合而成的分光鏡。替代地，合光元件130也可以是兩個反射鏡的組合，且第一顯示器110及第二顯示器120可設置在兩個反射鏡之組合的相對兩側。

頭戴式顯示裝置10更包括光學鏡頭140。光學鏡頭140配置在來自合光元件130的第一影像光束IB1及第二影像光束IB2的傳遞路徑上，以產生對應於第一影像光束IB1的第一實像110Re及對應於第二影像光束IB2的第二實像120Re。

在本實施例中，第一顯示器110與合光元件130的第一側面130a之間的距離d1小於第二顯示器120與合光元件130的第二側面130b之間的距離d2，因此在光學鏡頭140的光軸上，第一實像110Re所在的第一成像平面PL1與光學鏡頭140之間的距離d3小於第二實像120Re所在的第二成像平面PL2與光學鏡頭140之間的距離d4。換言之，在本實施例中，藉由使第一顯示器110與合光元件130之間的距離d1不同於第二顯示器120與合光元件130之間的距離d2，來讓第一實像110Re及第二實像120Re分別成像在光學鏡頭140的光軸上的不同位置，但本發明並不以此為限。需說明的是，本實施例的光學鏡頭140係以包含一個凸透鏡為例進行示範性地說明，並不代表本發明以此為限制。

成像系統200包括凹面鏡210。凹面鏡210配置在來自顯示模組100的第一影像光束IB1及第二影像光束IB2的傳遞路徑上。在本實施例中，成像系統200還可選擇性地包括分光元件220，分光元件220配置在來自光學鏡頭140的第一影像光束IB1及第二影像光束IB2的傳遞路徑上，且凹面鏡210配置在來自分光元件220的第一影像光束IB1及第二影像光束IB2的傳遞路徑上，但本發明並不以此為限。

分光元件220可選自於半反射半穿透式平面鏡、稜鏡或分光鏡。舉例而言，頭戴式顯示裝置10的分光元件220例如是半反射半穿透式平面鏡，且來自光學鏡頭140的第一影像光束IB1及第二影像光束IB2經由分光元件220反射至凹面鏡210，但本發明並不以此為限。另一方面，凹面鏡210在朝向使用者（或眼睛UE）的一側具有凹面210s，且來自分光元件220的第一影像光束IB1及第二影像光束IB2經由凹面鏡210的凹面210s反射，並再一次通過分光元件220後傳遞至使用者的眼睛UE中，讓使用者看到對應於第一影像光束IB1的第一虛像110Im以及對應於第二影像光束IB2的第二虛像120Im。

詳細而言，對應於第一實像110Re的第一影像光束IB1在通過凹面鏡210後，可在凹面鏡210相對於凹面210s的一側形成對應於第一實像110Re的放大虛像，即第一虛像110Im，而對應於第二實像120Re的第二影像光束IB2在通過凹面鏡210後，可在凹面鏡210相對於凹面210s的一側形成對應於第二實像120Re的放大虛像，即第二虛像120Im，且第一虛像110Im及第二虛像120Im分別成像在凹面鏡210的光軸上的不同位置。

如此一來，使用者可對應地調整眼睛UE的焦距來凝視位於不同深度的第一虛像110Im及第二虛像120Im，從而可有效避免使用者在操作時產生輻輳調節衝突，有助於提升長時間操作下的舒適度。

凹面鏡210可以是半反射半穿透式凹面鏡。在此架構下，使用者的眼睛UE除了可觀賞到第一虛像110Im及第二虛像120Im之外，還可接收到位於凹面鏡210及分光元件220後方的背景影像光束IB0。也就是說，使用者所觀賞到的第一虛像110Im及第二虛像120Im可與使用者所處環境的景物融合在一起而產生擴增實境的沉浸感，可提供使用者多元的視覺體驗。然而，本發明並不以此為限，根據其他的實施例，凹面鏡210也可以是反射式凹面鏡，換言之，頭戴式顯示裝置也可僅作為虛擬實境（Virtual Reality，VR）的視覺體驗之用。

圖2為本發明之第二實施例的頭戴式顯示裝置20的示意圖。請參照圖2，本實施例的頭戴式顯示裝置20與圖1中的頭戴式顯示裝置10的差異在於：頭戴式顯示裝置20的第一顯示器110與合光元件130的第一側面130a之間的距離d1等於第二顯示器120與合光元件130的第二側面130b之間的距離d2，且顯示模組100A還包括透鏡150。

在本實施例中，透鏡150配置在合光元件130與第一顯示器110之間，但本發明不限於此。在其他的實施例中，透鏡150可配置在合光元件130與第二顯示器120之間。或者，顯示模組100A可包括具有不同焦距的兩個透鏡，且這兩個透鏡分別配置在合光元件130與第一顯示器110之間及合光元件130與第二顯示器120之間。

藉由透鏡150的設置，即使第一顯示器110與合光元件130之間的距離d1等於第二顯示器120與合光元件130之間的距離d2，仍可在光學鏡頭140的光軸上的不同位置分別形成第一實像110Re及第二實像120Re。

在本實施例中，透鏡150例如是定焦透鏡，但本發明並不以此為限。在其他的實施例中，透鏡150也可以是變焦透鏡，而變焦透鏡例如是液晶透鏡（LC Lens），但不以此為限。

圖3為本發明之第三實施例的頭戴式顯示裝置30的示意圖。請參照圖3，本實施例的頭戴式顯示裝置30與圖1中的頭戴式顯示裝置10的差異在於：頭戴式顯示裝置30的顯示模組100B除了第一顯示器110及第二顯示器120之外，還包括第三顯示器160、第四顯示器170、第五顯示器180及第六顯示器190。

在本實施例中，第三顯示器160以及第一顯示器110依序配置在來自第五顯示器180的三影像光束IB3的傳遞路徑上。為避免遮蔽來自第五顯示器180的三影像光束IB3，第三顯示器160以及第一顯示器110皆為透明顯示器。類似地，第四顯示器170以及第二顯示器120依序配置在來自第六顯示器190的第四影像光束IB4的傳遞路徑上。為避免遮蔽來自第六顯示器190的第四影像光束IB4，第四顯示器170以及第二顯示器120皆為透明顯示器。如此一來，來自第五顯示器180的第三影像光束IB3依序穿透第三顯示器160及第一顯示器110後傳遞至合光元件130，且來自第六顯示器190的第四影像光束IB4依序穿透第四顯示器170及第二顯示器120後傳遞至合光元件130。

由於顯示模組100B的多個顯示器（即第一顯示器110至第六顯示器190）各自與合光元件130之間的距離都不相同，因此來自不同顯示器的不同影像光束分別在光學鏡頭140的光軸上的不同位置形成多個實像，例如第一實像110Re、第二實像120Re、第三實像160Re、第四實像170Re、第五實像180Re及第六實像190Re。

承接上述，這些實像所對應的影像光束在通過成像系統200後可在凹面鏡210的光軸上的不同位置形成多個放大虛像（未繪示）。也就是說，本實施例的頭戴式顯示裝置30可形成更多位在不同深度的虛擬影像，有助於提供使用者更為逼真的（立體）視覺體驗。應說明的是，位於合光元件130的不同側旁的顯示器的數量可依需求改變，而不以圖3所顯示的為限。此外，當合光元件130與至少一顯示器之間設置有透鏡時，距離d1可等於距離d2。

圖4為本發明之第四實施例的頭戴式顯示裝置40的示意圖。請參照圖4，本實施例的頭戴式顯示裝置40與圖1中的頭戴式顯示裝置10的差異在於：頭戴式顯示裝置40的成像系統200A以凹面鏡210A取代分光元件220及凹面鏡210。

詳細而言，凹面鏡210A係配置在來自光學鏡頭140的第一影像光束IB1及第二影像光束IB2的傳遞路徑上，且第一影像光束IB1及第二影像光束IB2經由凹面鏡210A的凹面210s反射後直接傳遞至使用者的眼睛中。

綜上所述，在本發明之實施例的頭戴式顯示裝置中，來自第一顯示器的第一影像光束及來自第二顯示器的第二影像光束分別在光學鏡頭之光軸上的不同位置形成第一實像及第二實像，並透過成像系統傳遞至使用者的眼中，以形成位在不同深度的虛擬影像，如此可避免使用者在操作時產生輻輳調節衝突，有助於提升長時間操作的舒適度。在一實施例中，合光元件與至少一顯示器之間可設置有透鏡。在另一實施例中，顯示模組可包括兩個以上的顯示器，以提供更多深度的虛擬影像。在又一實施例中，可以一個凹面鏡取代凹面鏡與分光元件的組合。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10、20、30、40:頭戴式顯示裝置 100、100A、100B:顯示模組 110:第一顯示器 110Im:第一虛像 110Re:第一實像 120:第二顯示器 120Im:第二虛像 120Re:第二實像 130:合光元件 130a:第一側面 130b:第二側面 131:合光面 140:光學鏡頭 150:透鏡 160:第三顯示器 160Re:第三實像 170:第四顯示器 170Re:第四實像 180:第五顯示器 180Re:第五實像 190:第六顯示器 190Re:第六實像 200、200A:成像系統 210、210A:凹面鏡 210s:凹面 220:分光元件 d1、d2、d3、d4:距離 IB0:背景影像光束 IB1:第一影像光束 IB2:第二影像光束 IB3:第三影像光束 IB4:第四影像光束 PL1:第一成像平面 PL2:第二成像平面 UE:眼睛

圖1為本發明之第一實施例的頭戴式顯示裝置的示意圖。圖2為本發明之第二實施例的頭戴式顯示裝置的示意圖。圖3為本發明之第三實施例的頭戴式顯示裝置的示意圖。圖4為本發明之第四實施例的頭戴式顯示裝置的示意圖。

10:頭戴式顯示裝置

100:顯示模組

110:第一顯示器

110Im:第一虛像

110Re:第一實像

120:第二顯示器

120Im:第二虛像

120Re:第二實像

130:合光元件

130a:第一側面

130b:第二側面

131:合光面

140:光學鏡頭

200:成像系統

210:凹面鏡

210s:凹面

220:分光元件

d1、d2、d3、d4:距離

IB0:背景影像光束

IB1:第一影像光束

IB2:第二影像光束

PL1:第一成像平面

PL2:第二成像平面

UE:眼睛

Claims

一種頭戴式顯示裝置，包括：一顯示模組，包括：一第一顯示器，適於提供一第一影像光束；一第二顯示器，適於提供一第二影像光束；一合光元件，配置在該第一影像光束及該第二影像光束的傳遞路徑上，其中該第一顯示器與該第二顯示器的其中一者是透明顯示器，該顯示模組更包括一第三顯示器，該第三顯示器設置在該透明顯示器的後方且適於提供一第三影像光束，該第三影像光束穿透該透明顯示器後傳遞至該合光元件；以及一光學鏡頭，配置在來自該合光元件的該第一影像光束及該第二影像光束的傳遞路徑上，以產生對應於該第一影像光束的第一實像以及對應於該第二影像光束的第二實像，其中該第一實像所在的第一成像平面與該光學鏡頭之間的距離不同於該第二實像所在的第二成像平面與該光學鏡頭之間的距離；以及一成像系統，配置在來自該光學鏡頭的該第一影像光束及該第二影像光束的傳遞路徑上，以將該第一影像光束及該第二影像光束傳遞至一使用者的眼中。
如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一顯示器與該第二顯示器選自於矽基液晶顯示器、數位微顯示器、有機發光二極體顯示器、液晶顯示器、微型發光二極體顯示器或上述兩個的組合。
如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一顯示器與該合光元件之間的距離不同於該第二顯示器與該合光元件之間的距離。
如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一顯示器與該合光元件之間的距離等於該第二顯示器與該合光元件之間的距離，且該顯示模組更包括一透鏡，該透鏡配置在該合光元件與該第一顯示器之間或該合光元件與該第二顯示器之間。
如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一顯示器與該合光元件之間的距離等於該第二顯示器與該合光元件之間的距離，且該顯示模組更包括焦距不同的多個透鏡，該些透鏡分別配置在該合光元件與該第一顯示器之間以及該合光元件與該第二顯示器之間。
如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該成像系統包括一凹面鏡。
如申請專利範圍第6項所述的頭戴式顯示裝置，其中該凹面鏡為半反射半穿透式凹面鏡。
如申請專利範圍第6項所述的頭戴式顯示裝置，其中該成像系統更包括一分光元件，其中該分光元件配置在來自該光學鏡頭的該第一影像光束及該第二影像光束的傳遞路徑上，且該凹面鏡配置在來自該分光元件的該第一影像光束及該第二影像光束的傳遞路徑上。
如申請專利範圍第8項所述的頭戴式顯示裝置，其中該分光元件為半反射半穿透式平面鏡、稜鏡或分光鏡。