TWI777637B

TWI777637B - 頭戴式顯示裝置

Info

Publication number: TWI777637B
Application number: TW110123762A
Authority: TW
Inventors: 蔡孟哲; 劉奎均
Original assignee: 宏達國際電子股份有限公司
Priority date: 2021-06-29
Filing date: 2021-06-29
Publication date: 2022-09-11
Also published as: TW202300990A

Abstract

虛擬實境的頭戴式顯示裝置包括第一顯示器、第一透鏡、第二透鏡、分光鍍膜以及第二顯示器。第一顯示器的主動面產生第一顯示影像光束。第一透鏡具有朝向第一顯示器的主動面的第一表面，以及與第一表面相對的第二表面。第二透鏡具有相對的第三表面以及第四表面。分光鍍膜設置在第一透鏡的第二表面與第二透鏡的第三表面間。其中，第二透鏡的第三表面與第一透鏡的第二表面透過分光鍍膜相互貼合。第二顯示器具有主動面朝向第二透鏡的第四表面。第二顯示器的主動面產生第二顯示影像光束。

Description

頭戴式顯示裝置

本發明是有關於一種虛擬實境的頭戴式顯示裝置，且特別是有關於一種可擴大視野的虛擬實境的頭戴式顯示裝置。

大視野（field of view, FOV）與體積小型化是現今虛擬實境效果的頭戴式顯示裝置中非常重要的指標。此外，對於多深度顯示效果的設計討論也是不勝枚舉。例如以多個像平面來解決視覺輻輳調節衝突（Vergence-accommodation conflict）的問題，能夠有效幫助緩解穿戴頭戴顯示器的視覺不舒適感。然而多深度顯示的架構往往需要在頭戴式顯示裝置中增加許多元件、體積，使得追求視覺防暈眩的舒適與追求穿戴的輕巧舒適難以兼顧。

本發明提供一種虛擬實境的頭戴式顯示裝置，在兼顧輕量化的條件下，可同時滿足大視角、小體積以及支援同時多深度顯示的需求。

本發明的虛擬實境的頭戴式顯示裝置包括第一顯示器、第一透鏡、第二透鏡、分光鍍膜以及第二顯示器。第一顯示器具有主動面。第一顯示器為穿透式顯示器，其主動面產生第一顯示影像光束。第一透鏡具有朝向第一顯示器的主動面的第一表面，以及與第一表面相對的第二表面。第二透鏡具有相對的第三表面以及第四表面。分光鍍膜設置在第一透鏡的第二表面與第二透鏡的第三表面間。其中，第二透鏡的第三表面與第一透鏡的第二表面透過分光鍍膜相互貼合，第一透鏡為凸透鏡，第二透鏡為凹透鏡或凸透鏡。第二顯示器具有主動面朝向第二透鏡的該第四表面。第二顯示器的主動面產生第二顯示影像光束。

基於上述，本發明透過設置相互貼合的第一透鏡、分光鍍膜以及第二透鏡。並藉以透過反射第一顯示器所產生的第一顯示影像光束，並可同時透射第二顯示器所產生的第二顯示影像光束。如此一來，在沒有增大頭戴式顯示裝置的尺寸下，有效提供多層示顯示現果，且擴大頭戴式顯示裝置的視野。在輕薄設計的前提下，可有效提升顯示品質。

請參照圖1，圖1繪示本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的示意圖。頭戴式顯示裝置100包括第一顯示器110、第一透鏡120、第二透鏡130、分光鍍膜140以及第二顯示器150。第一顯示器110可以為穿透式顯示器。第一顯示器110具有主動面AF1。第一顯示器110用以在主動面AF1上產生第一顯示影像光束。第一透鏡120具有第一表面SF1及第二表面SF2。第一透鏡120的第一表面SF1朝向第一顯示器110的主動面。第一透鏡120的第二表面SF2則與第一透鏡120的第一表面SF1相對。第二透鏡130具有相對的第三表面SF3及第四表面SF4。分光鍍膜140則設置在第一透鏡120的第二表面SF2以及第二透鏡130的第三表面SF3間。在本實施例中，第二透鏡130的第三表面SF3透過分光鍍膜140以與第一透鏡120的第二表面SF2相互貼合。

在本實施例中，第一透鏡120為一凸透鏡，第二透鏡130則為一凹透鏡。而第一顯示器110的主動面AF1上所產生的第一顯示影像光束可被投射至第一透鏡120的第一表面SF1，第一顯示影像光束並可進一步被傳送至第一透鏡120的第二表面SF2上的分光鍍膜140。分光鍍膜140可反射針對所接收到的第一顯示影像光束以產生反射顯示影像光束，並使反射顯示影像光束透射第一顯示器110，並被投射至一目標區TG。其中，目標區TG為頭戴式顯示裝置100的出瞳（Exit Pupil）位置，對應於頭戴式顯示裝置100的使用者的眼球的位置。頭戴式顯示裝置100的使用者的眼球則朝向第一顯示器110的非主動面NAF1。

另外，第二顯示器150具有主動面AF2，其中第二顯示器150的主動面AF2朝向第二透鏡130的第四表面SF4。第二顯示器150的主動面AF2可用以產生第二顯示影像光束，並使所產生的第二影像光束向第二透鏡130的第四表面SF4進行投射。在本實施例中，透過第二透鏡130以及第一透鏡120所產生的聚焦作用，可依據第二顯示影像光束來產生聚焦後影像光束。聚焦後影像光束可被傳送以透過第一顯示器110，並被傳送至目標區TG。

在此請注意，在本實施例中，第一透鏡120的第一表面SF1可具有第一曲率CR1，第一透鏡120的第二表面SF2具有第二曲率CR2，其中，第一曲率CR1的絕對值小於第二曲率CR2的絕對值。第二透鏡130的第三表面SF3可具有第三曲率CR3，第二透鏡130的第四表面SF4具有第四曲率CR4。此外，第一曲率CR1與第四曲率CR4可以是相同的，且第二曲率CR2與第三曲率CR3相加可以等於0。

具體來說，第一透鏡120的第二表面SF2可以是一凸面，第二透鏡130的第三表面SF3可以是一凹面。另外，第一透鏡120的第一表面SF1以及第二透鏡130的第四表面SF4可以為具有相同曲率的平面，或具有相同曲率的曲面。

附帶一提的，在本實施例中，第一顯示器110、第一透鏡120、分光鍍膜140以及第二透鏡130可以被設置在頭戴式顯示裝置100的管體（tube）中。

以下請參照圖2，圖2繪示本發明實施例的頭戴式顯示裝置中，第一透鏡、第二透鏡以及分光鍍膜所產生的光路走向的示意圖。在圖2中，第一透鏡210具有相對的第一表面SF1以及第二表面SF2。第二透鏡220具有相對的第三表面SF3以及第四表面SF4。第一透鏡210的第二表面SF2與第二透鏡220的第三表面SF3間則具有相互膠合的分光鍍膜230。此外，第一透鏡210的第二表面SF2為一凸面，第二透鏡220的第三表面SF3則可以為一凹面。

在圖2中，光束LB11被投射至第一透鏡210的第一表面SF1。第一透鏡210並偏折光束LB11以產生光束LB12，其中LB12在第一透鏡210中行進，並被傳送至第一透鏡210的第二表面SF2上的分光鍍膜230。分光鍍膜230使光束LB12發生反射，並產生反射光束RLB11。反射光束RLB11由第一透鏡210的第二表面SF2往第一透鏡210的第一表面SF1的方向行進，並在第一透鏡210的第一表面SF1上產生偏折以產生反射光束RLB12。反射光束RLB12則可被投射至目標區。

在另一方面，另一光束LB21可由第二透鏡220的第四表面SF4的外側，傳送至第二透鏡220的第四表面SF4上。第二透鏡220可偏折光束LB21以產生光束LB22，並使光束LB22在第二透鏡220中行進，並傳送至第二透鏡220的第三表面SF3上的分光鍍膜230。分光鍍膜230可使光束LB22穿透，並傳送至第一透鏡210中。在當光束LB22傳送至第一透鏡210的第一表面SF1上時，可發生再一次的光路偏折，並產生光束LB23以傳出第一透鏡210。光束LB23並可被傳送至目標區。

在本實施例中，光束LB11可以為圖1實施例中的第一顯示器110所產生的第一顯示影像光束。光束LB21則可以為圖1實施例中的第二顯示器150所產生的第二顯示影像光束。光束RLB12可以為圖1實施例中所提及的反射顯示影像光束，光束LB23則可以為圖1實施例中所提及的聚焦後影像光束。

以下請參照圖3A至圖3C，圖3A至圖3C繪示本發明實施例的影像光束的傳遞動作的示意圖。在圖3A中，第一顯示器310透過主動面以產生第一顯示影像光束IMB1。第一顯示影像光束IMB1被投射至第一透鏡320，並經由第一透鏡320的第一表面SF1以傳送至第二表面SF2上的分光鍍膜340。

分光鍍膜340則用以反射第一顯示影像光束IMB1以產生反射顯示影像光束RIMB1。反射顯示影像光束RIMB1則穿過第一透鏡320的第一表面SF1而被傳送至穿透式顯示器310後的目標區TG。

在本實施例中，第一顯示影像光束IMB1可以具有第一層次的虛擬實境影像的影像光束，透過傳送至目標區TG的反射顯示影像光束RIMB1，可讓使用者順利觀察到虛擬實境影像的第一層次的影像。

在圖3B中，第二顯示影像光束IMB2可由第二顯示器350所產生，並由第二透鏡330的第四表面SF4的外側，傳送至第二透鏡330的第四表面SF4上。第二顯示影像光束IMB2可依序穿過第二透鏡330的第四表面SF4、分光鍍膜340以及第一透鏡320的第一表面SF1，並透過第二透鏡330以及第一透鏡320所產生的聚焦效果，產生聚焦後影像光束FIMB2。聚焦後影像光束FIMB2可被投射至目標區TG。如此一來，大範圍的第二顯示影像光束IMB2可被聚焦並投射至目標區TG，以讓使用者可觀察虛擬實境影像的第二層次影像。

圖3C則為圖3A以及圖3B的合併。其中，透過第一透鏡320、分光鍍膜340以及第二透鏡330的設置，第一顯示器310所產生的第一顯示影像光束以及第二顯示器350所產生的第二顯示影像光束，可以分別透過反射顯示影像光束以及聚焦後影像光束以同時或分時投射至目標區TG中。如此一來，可讓使用者觀察到多層次的虛擬實境的顯示影像。

以下請參照圖3D至圖3F，圖3D至圖3F繪示本發明另一實施例的影像光束的傳遞動作的示意圖。與圖3A至圖3C不相同的，本實施例透過為凸透鏡的第一透鏡320’、分光鍍膜340’以及為凸透鏡的第二透鏡330’，來針對第一顯示器310以及第二顯示器350所產生的影像光束，來進行反射以及折射的動作，並使對應產生的反射影像光束以及折射影像光束可以被傳送至目標區TG。

在圖3E中，第一顯示器310將第一顯示影像光束IMB1投射至第一透鏡320’，並經由第一透鏡320’的第一表面SF1’以傳送至第二表面SF2’上的分光鍍膜340’。分光鍍膜340’則用以反射第一顯示影像光束IMB1以產生反射顯示影像光束RIMB1。反射顯示影像光束RIMB1則穿過第一透鏡320’的第一表面SF1’而被傳送至穿透式顯示器310後的目標區TG。

在圖3F中，第二顯示影像光束IMB2可由第二顯示器350所產生，並由第二透鏡330’的第四表面SF4’的外側，傳送至第二透鏡330’的第四表面SF4’上。第二顯示影像光束IMB2可依序穿過第二透鏡330’的第四表面SF4’、分光鍍膜340’以及第一透鏡320’的第一表面SF1’，並透過第二透鏡330’以及第一透鏡320’所產生的聚焦效果，產生聚焦後影像光束FIMB2。聚焦後影像光束FIMB2可被投射至目標區TG。

接著請參照圖4A以及圖4B，圖4A以及圖4B分別繪示本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的不同實施方式的示意圖。在圖4A中，頭戴式顯示裝置401包括第一顯示器410、第一透鏡420、第二透鏡430、分光鍍膜440、第二顯示器450、第三透鏡460以及致動器470。其中，第一顯示器410具有主動面AF1。第一顯示器410用以在主動面AF1上產生第一顯示影像光束。第一透鏡420具有第一表面SF1及第二表面SF2。第一透鏡420的第一表面SF1朝向第一顯示器410的主動面。第一透鏡420的第二表面SF2則與第一透鏡420的第一表面SF1相對。第二透鏡430具有相對的第三表面SF3及第四表面SF4。分光鍍膜440則設置在第一透鏡420的第二表面SF2以及第二透鏡430的第三表面SF3間。在本實施例中，第二透鏡430的第三表面SF3透過分光鍍膜440以與第一透鏡420的第二表面SF2相互貼合。

在本實施例中，第一透鏡420為一凸透鏡，第二透鏡430則為一凹透鏡。而第一顯示器410的主動面AF1上所產生的第一顯示影像光束可被投射至第一透鏡420的第一表面SF1，第一顯示影像光束並可進一步被傳送至第一透鏡420的第二表面SF2上的分光鍍膜440。分光鍍膜440可反射針對所接收到的第一顯示影像光束以產生反射顯示影像光束，並使反射顯示影像光束透射第一顯示器410，並被投射至一目標區TG。其中，目標區TG為頭戴式顯示裝置401的出瞳（Exit Pupil）位置，對應於頭戴式顯示裝置401的使用者的眼球的位置。頭戴式顯示裝置401的使用者的眼球則朝向第一顯示器410的非主動面NAF1。

值得一提的，與前述實施例不相同的，頭戴式顯示裝置401在第二透鏡430以及第二顯示器450間並設置第三透鏡460以及耦接至第三透鏡460的致動器470。致動器470可用以控制第三透鏡460進行水平方向的移動，例如沿方向HD1移動以接近第二透鏡430（遠離第二顯示器450），或沿方向HD2移動以遠離第二透鏡430（接近第二顯示器450）。

第三透鏡460可以為凸透鏡。透過第三透鏡460的設置，可以調整第二顯示器450所產生的第二顯示影像光束的聚焦狀態。在第二透鏡430與第二顯示器450間有限的距離上，擴大第二顯示影像光束所可以提供的視野範圍。

本實施例中，致動器470可以為任意形式的馬達或機械結構，可依據電氣信號或使用者手動調整，來進行第三透鏡460的位置的調整動作。

在圖4B中，與圖4A實施方式不相同的，頭戴式顯示裝置402中的第二透鏡430與第二顯示器450間設置第三透鏡470。第三透鏡470可以為一液晶透鏡。在本實施方式中，第三透鏡470依據一電氣信號CS以進行其曲率的調整動作，並達到焦距調整的目的。

綜上所述，本發明透過在頭戴式顯示裝置的管體中設置透鏡組，並利用透鏡組中的分光鍍膜以反射第一顯示器所產生的第一顯示影像光束並透射第二顯示器所產生的第二顯示影像光束，並藉此獲得擴大視野的效果。如此一來，本發明的在頭戴式顯示裝置可基於輕薄短小的設計下，並達到擴大視野的效果，有效提升頭戴式顯示裝置的產品競爭力。

100、401、402:頭戴式顯示裝置 110、310、410:第一顯示器 120、210、320、320’:第一透鏡 130、220、330、330’:第二透鏡 150、350、450:第二顯示器 460、470:第三透鏡 140、230、340、340’:分光鍍膜 470:致動器 AF1、AF2:主動面 CS:電氣信號 HD1、HD2:水平方向 NAF:非主動面 SF1~SF4、SF1’、SF2’、SF3’:表面 TG:目標區 LB11、LB12、LB21~LB23:光束 RLB11、RLB12:反射光束 IMB1、IMB2:顯示影像光束 RIMB1:反射顯示影像光束 FIMB2:聚焦後影像光束

圖1繪示本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的示意圖。圖2繪示本發明實施例的頭戴式顯示裝置中，第一透鏡、第二透鏡以及分光鍍膜所產生的光路走向的示意圖。圖3A至圖3C繪示本發明實施例的影像光束的傳遞動作的示意圖。圖3D至圖3F繪示本發明另一實施例的影像光束的傳遞動作的示意圖。圖4A以及圖4B分別繪示本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的不同實施方式的示意圖。

100:頭戴式顯示裝置

110:第一顯示器

120:第一透鏡

130:第二透鏡

140:分光鍍膜

150:第二顯示器

AF1、AF2:主動面

NAF:非主動面

SF1~SF4:表面

TG:目標區

Claims

一種虛擬實境的頭戴式顯示裝置，包括：一第一顯示器，具有主動面，該第一顯示器為穿透式顯示器，該第一顯示器的主動面產生一第一顯示影像光束；一第一透鏡，具有朝向該第一顯示器的主動面的一第一表面，以及與該第一表面相對的一第二表面；一第二透鏡，具有相對的一第三表面以及一第四表面；一分光鍍膜，設置在該第一透鏡的該第二表面與該第二透鏡的該第三表面間，其中，該第二透鏡的該第三表面與該第一透鏡的該第二表面透過該分光鍍膜相互貼合，該第一透鏡為凸透鏡，該第二透鏡為凸透鏡或凹透鏡；以及一第二顯示器，具有主動面朝向該第二透鏡的該第四表面，該第二顯示器的主動面產生一第二顯示影像光束。
如請求項1所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一顯示器的非主動面相對於該第一顯示器的主動面，該第一顯示器的非主動面朝向使用者。
如請求項1所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一透鏡的該第一表面具有一第一曲率，該第一透鏡的該第二表面具有一第二曲率，該第一曲率的絕對值小於該第二曲率的絕對值；以及該第二透鏡的該第三表面具有一第三曲率。
如請求項3所述的頭戴式顯示裝置，其中該第二曲率與該第三曲率相加等於0。
如請求項1所述的頭戴式顯示裝置，其中該分光鍍膜反射該第一顯示影像光束，並傳送一反射顯示影像光束至一目標區。
如請求項5所述的頭戴式顯示裝置，其中該第二透鏡的該第四表面接收該第二顯示影像光束，該分光鍍膜透射該第二顯示影像光束，該第二透鏡以及該第一透鏡並聚焦該第二顯示影像光束並使一聚焦後影像光束被傳送至該目標區。
如請求項1所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一透鏡的該第二表面、該分光鍍膜以及該第二透鏡的該第三表面相互膠合。
如請求項1所述的頭戴式顯示裝置，其中該目標區為該頭戴式顯示裝置的出瞳位置。
如請求項1所述的頭戴式顯示裝置，更包括：一第三透鏡，設置在該第二透鏡與該第二顯示器間，用以調整該第二顯示影像光束的聚焦狀態。
如請求項9所述的頭戴式顯示裝置，其中該第三透鏡耦接至一致動器，該致動器用以使該第三透鏡在該第二透鏡與該第二顯示器間水平移動。
如請求項9所述的頭戴式顯示裝置，其中該第三透鏡為液晶透鏡，該第三透鏡依據一電氣信號以進行曲率的調整動作。