TWI481901B - 頭戴式顯示裝置 - Google Patents

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(Head-Mounted Display，HMD)。

近年來隨著顯示科技以及相關技術日新月異的進步，顯示器有著逐漸輕薄化的趨勢以滿足使用者對可攜式的需求，頭戴式顯示器即是其中一種應用。一般而言，頭戴式顯示器已被設計成可供使用者經由眼鏡式、護目鏡式或頭盔式可戴式裝置來觀看視訊信號。由於人眼水晶體與睫狀肌的限制，因此人眼的最近可視範圍有一極限。當物件的距離小於人眼的最近可視範圍時，亦即物件與人眼太過接近的時候，物件的影像無法清晰地成像於人眼的視網膜上，因而人眼無法清楚地觀察物件。因此，一般的頭戴式顯示器系統通常會將顯示器配置在與人眼保持一定距離的位置上，以避免由於距離過近而使得人眼無法清楚觀察頭戴式顯示器所顯示的資訊。然而，此設計會使得頭戴式顯示器體積龐大而不易配戴。若是為了縮小頭戴式顯示器的體積而拉近頭戴式顯示器與人眼的距離時，除了可能會造成人眼難以觀看到清晰影像之外，亦可能會因過近距離而使得睫狀肌長時間的收縮，造成眼睛疲勞或是視力模糊的情形。因此，如何有效縮小頭戴式顯示器的體積並同時能夠維持顯示器影像的清晰度是目前產業界亟待解決的問 題之一。

本發明提供一種具有焦距調整透鏡以及補償透鏡之頭戴式顯示裝置。

本發明提出一種頭戴式顯示裝置，適於配置於至少一人眼前方，頭戴式顯示裝置包括一穿透式顯示器(transmissivetype display)、一焦距調整透鏡以及一補償透鏡。焦距調整透鏡配置於穿透式顯示器與人眼之間，焦距調整透鏡折射穿透式顯示器所顯示之一影像，以使影像成像於人眼之視網膜上。其中穿透式顯示器配置於補償透鏡與焦距調整透鏡之間。

在本發明之一實施例中，上述之穿透式顯示器與人眼的距離小於人眼的一最短可視距離。

在本發明之一實施例中，上述之人眼透過焦距調整透鏡觀察到對應於穿透式顯示器之一第一虛像，其中穿透式顯示器位於第一虛像與焦距調整透鏡之間。

在本發明之一實施例中，上述之一環境影像依序穿透補償透鏡、穿透式顯示器以及焦距調整透鏡成像於人眼之視網膜上，當環境影像穿透補償透鏡時會形成一第二虛像，第二虛像與環境影像位於補償透鏡同側，而人眼透過焦距調整透鏡觀察到對應於第二虛像的一第三虛像，且第二虛像與第三虛像位於焦距調整透鏡同側。

在本發明之一實施例中，上述之補償透鏡之焦距為 f₂ ，焦距調整透鏡之焦距為f₁ ，焦距調整透鏡與補償透鏡之距離為d，環境影像與補償透鏡在沿著人眼之光軸上之距離為p₂ ，第二虛像與補償透鏡在沿著人眼之光軸上之距離為q₂ ，其中補償透鏡與焦距調整透鏡之關係滿足下式： 其中α為誤差參數，並且0.9≦α≦1.1

在本發明之一實施例中，上述之補償透鏡以及焦距調整透鏡的直徑大於人眼之瞳孔大小。

在本發明之一實施例中，上述之焦距調整透鏡為一平凸透鏡，且補償透鏡為一平凹透鏡，焦距調整透鏡中相對於一凸面之一平面與穿透式顯示器膠合，且補償透鏡中相對於一凹面之一平面與穿透式顯示器膠合，補償透鏡、穿透式顯示器及焦距調整透鏡形成一整體。

在本發明之一實施例中，頭戴式顯示裝置更包括至少一個插槽，調整透鏡、穿透式顯示器及焦距調整透鏡之至少其一可拆卸地依序插置入這些插槽中，以維持彼此之固定距離。

在本發明之一實施例中，上述之焦距調整透鏡為一凸透鏡，且補償透鏡為一凹透鏡。

在本發明之一實施例中，上述之焦距調整透鏡為一雙凸透鏡，且補償透鏡為一雙凹透鏡。

在本發明之一實施例中，上述之焦距調整透鏡為一平凸透鏡，且補償透鏡為一平凹透鏡。

在本發明之一實施例中，上述之穿透式顯示器更包括一通信單元，通信單元用以與外界裝置溝通信息，其中通信單元可為有線通信或無線通信。

在本發明之一實施例中，上述之穿透式顯示器更包括一控制單元，控制單元用以控制穿透式顯示單元的顯示內容。

基於上述，本發明之一實施例藉由焦距調整透鏡將穿透式顯示器所顯示的資訊成像於人眼的視網膜上，可使得穿透式顯示器與人眼的距離得以縮小，並且頭戴式顯示裝置仍可提供人眼清晰的影像。

為讓本發明之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。

圖1是本發明之一實施例中的頭戴式顯示裝置的示意圖。請參照圖1，在本實施例中，頭戴式顯示裝置100適於配置於至少一人眼HE前方，頭戴式顯示裝置100包括一穿透式顯示器110、一焦距調整透鏡120以及一補償透鏡130。焦距調整透鏡120配置於穿透式顯示器110與人眼HE之間，焦距調整透鏡120折射穿透式顯示器110所顯示之一影像IM，以使影像IM成像於人眼HE之視網膜R上。其中，焦距調整透鏡120為一凸透鏡，且在本實施例中焦距調整透鏡120以雙凸透鏡為例，然本發明不以此為限，在其他實施例中，焦距調整透鏡120亦可以是平凸 透鏡。並且，補償透鏡130為一凹透鏡，且在本實施例中補償透鏡130以雙凹透鏡為例，然本發明不以此為限，在其他實施例中，補償透鏡130亦可以是平凹透鏡。如圖1所示，穿透式顯示器110配置於補償透鏡130與焦距調整透鏡120之間。人眼HE可透過焦距調整透鏡120觀察穿透式顯示器110所顯示之一影像IM，並且亦可依序透過焦距調整透鏡120、穿透式顯示器110以及補償透鏡130觀察到外界的環境，如圖1中所繪示之環境影像EM。換言之，人眼HE可藉由頭戴式顯示裝置100同時地觀看環境影像EM以及穿透式顯示器110所顯示的影像IM，而能夠在不影響使用者日常活動的情形之下，利用頭戴式顯示裝置100所提供的資訊(例如交通資訊、氣象預報、提示行程、來電訊息、地圖導航以及時間提示等資訊，本發明不以此為限)，以便利使用者的生活。

此外，在本實施例中，頭戴式顯示裝置100可更包括一頭戴件FH，穿透式顯示器110、焦距調整透鏡120以及補償透鏡130皆可配置於其上。在圖1之實施例中，頭戴件FH為例如為一眼鏡架，然而在其他實施例中，頭戴件FH亦可以是任何適於配戴於眼睛附近之部件，本發明並不以此為限。穿透式顯示器110可更包括一通信單元CM與控制單元CN。其中，通信單元CM與控制單元CN可配置在頭戴式顯示裝置100中不致於阻礙人眼HE觀看環境影像EM以及穿透式顯示器110所顯示的顯示訊息之處，例如圖1中的眼鏡架與透鏡之連接處附近等。控制單元CN 可包括一中央處理器(central processing unit，CPU)或微控制處理器(microcontroller)等，可用以控制穿透式顯示單元110所顯示之資訊內容，或是處理相關資訊等。通信單元CM可用以與外界裝置(如網路伺服器、無線訊號收發站等)溝通信息，其中通信單元CM可為有線通信或無線通信。藉此，穿透式顯示器110可藉由通信單元CM而取得資訊，例如在駕駛汽車時，頭戴式顯示裝置100可接收地圖導航的資訊並隨時更新提供給使用者，或是當使用者欲搭乘大眾交通工具如地鐵時，頭戴式顯示裝置100可接收目前的發車時刻表，可更進一步地增加頭戴式顯示裝置100之使用便利性。

詳細而言，在本實施例中，穿透式顯示器110與人眼HE的距離dh可小於人眼HE的一最短可視距離。換言之，穿透式顯示器110可配置在很靠近人眼HE的位置，透過焦距調整透鏡120的調整，可以使原本無法清晰成像在人眼HE視網膜R上的穿透式顯示器110之影像IM，清晰地在人眼HE視網膜R上成像。在本實施例中，焦距調整透鏡120可為一雙凸透鏡，然而在其他實施例中，焦距調整透鏡120亦可為平凸透鏡或是任何具有聚焦能力之透鏡者，本發明不以此為限。藉此，可避免人眼HE在最短可視距離之內無法看清物體的限制，亦可避免人眼HE為了觀察過近物體而過度收縮睫狀肌與增厚水晶體而有疲勞，甚至造成假性近視的情形。其中，最短可視距離代表人眼HE在一般情況下所可以清楚觀察物體的最短距離，通常 與人眼HE的水晶體調節能力有關且因人而異，在本實施例中，人眼HE的最短可視距離例如小於7.5公分，然本發明不以此為限。此外，在本實施例中，透過焦距調整透鏡120的調整，可使得穿透式顯示器110可配置在與人眼HE很接近的位置(例如在人眼HE未配戴眼鏡時的最短可視距離之內)而仍可清晰成像。因此，頭戴式顯示裝置100的體積可進一步地縮小，並仍可維持良好的影像品質，亦有利於使用者舒適的使用。

然而，焦距調整透鏡120的配置會影響原本可以清晰成像在人眼HE視網膜R上的環境影像EM，可能會使得環境影像EM提前匯聚而成像於視網膜R的前方而使人眼HE觀察到模糊的影像EM(如圖1中所繪示之影像光束EMB₀ ，是在未配置補償透鏡130的情形下環境影像EM匯聚於視網膜R前方一位置Z₀ 的焦平面Z上而無法清晰成像在視網膜R上)。補償透鏡130的配置可補償此一效應，使得來自外界的環境影像EM先通過補償透鏡130再傳遞至穿透式顯示器110以及焦距調整透鏡120，進而使人眼HE清楚觀察到環境影像EM(如影像光束EMB透過補償透鏡130的補償後可清楚成像於視網膜R上)。如此一來，人眼HE可在清楚的觀察穿透式顯示器110的影像IM的同時，而仍可清晰地觀察到來自週遭環境的環境影像，進而可增加使用者與環境的互動，以及提升擴增實境(augmented reality，AR)的真實感以及影像品質。在本實施例中，補償透鏡130可為一雙凹透鏡，然而在其他實施例 中，補償透鏡130亦可為平凹透鏡或是任何具有發散能力之透鏡者，本發明不以此為限。

圖2A是依照圖1之實施例中的焦距調整透鏡的第一虛像之成像示意圖。請參照圖2A，詳細而言，人眼HE可透過焦距調整透鏡120觀察到對應於穿透式顯示器110之一第一虛像V1，其中穿透式顯示器110位於第一虛像V1與焦距調整透鏡120之間。舉例而言，在本實施例中，焦距調整透鏡120的焦距為f₁ ，穿透式顯示器110與焦距調整透鏡120的距離為ds，此時人眼HE可透過焦距調整透鏡120觀察到穿透式顯示器110的正立放大的第一虛像V1，詳細而言，第一虛像V1與焦距調整透鏡120的透鏡中心距離為像距q₁ =(ds+q)，且物距P₁ 為ds，又因物距P₁ 小於焦距f₁ ，所得成像為第一虛像V1，故令像距q₁ 為負值，因此物距P₁ 與像距q₁ 滿足下式：

在本實施例中，為了使人眼HE可透過焦距調整透鏡120而能觀察到穿透式顯示器110所顯示的影像之第一虛像V1，因此穿透式顯示器110可配置得很靠近焦距調整透鏡120的焦距f₁ 之內。而另一方面，穿透式顯示器110與人眼HE的距離dh可小於人眼HE的一最短可視距離，人眼HE仍可藉由焦距調整透鏡120觀察到穿透式顯示器110正立放大的第一虛像V1，其中第一虛像V1與人眼HE位於穿透式顯示器110的相異兩側。

圖2B是依照圖1之實施例中的補償透鏡的第二虛像之成像示意圖。圖2C是依照圖1之實施例中的補償透鏡的第三虛像之成像示意圖。請先參照圖2B，在本實施例中，環境影像EM可依序穿透補償透鏡130、穿透式顯示器110以及焦距調整透鏡120成像於視網膜R上，當環境影像EM穿透補償透鏡130時會形成一第二虛像V2，第二虛像V2與環境影像EM位於補償透鏡130同側，亦即如圖2B所繪示，第二虛像V2與環境影像EM皆位於補償透鏡130距離人眼HE較遠之一側，以使人眼HE觀察到環境影像EM正立縮小的第二虛像V2。其中，補償透鏡130的焦距為f₂ ，環境影像EM與補償透鏡130透鏡中心的距離為物距P₂ ，第二虛像V2與補償透鏡130透鏡中心的距離為像距q₂ ，又因物距P₂ 小於焦距f₂ ，所得成像為第二虛像V2，故令像距q₂ 為負值，因此物距P₂ 、像距q₂ 滿足下式：

接著請參照圖2C，當同時考慮焦距調整透鏡120與補償透鏡130的效應時，此時人眼HE可透過焦距調整透鏡120觀察到對應於第二虛像V2的一第三虛像V3，且第二虛像V2與第三虛像V3位於焦距調整透鏡120同側，亦即如圖2C所繪示，第二虛像V2與第三虛像V3皆位於補償透鏡130距離人眼HE較遠之一側。其中，為了使得人眼HE在觀看穿透式顯示器110之第一虛像V1的同時， 亦仍可保持與週遭環境的相對距離感覺，換言之，使用者在使用頭戴式顯示裝置100時，仍可透過一焦距調整透鏡120、穿透式顯示器110以及一補償透鏡130而觀看到大小距離與未佩帶頭戴式顯示裝置100之前相差不多的環境影像EM。亦即，第三虛像V3的成像位置與實際上環境影像EM在空間中所存在的位置對於人眼HE而言很相近，在本實施例中，第三虛像V3與人眼HE的距離以及與實際上環境影像EM與人眼HE的距離可介於一範圍內，以使得人眼HE能夠在不影響對週遭環境的距離感的情況下，利用焦距調整透鏡120觀看穿透式顯示器110所顯示的資訊畫面，並且頭戴式顯示裝置100的體積可以藉此降低，並仍可具有良好的影像顯示品質並可不必犧牲使用者對週遭的距離感。舉例而言，在本實施例中，以10%的影像大小誤差範圍為例，當環境影像EM與人眼的距離範圍為90至110公分時，第三虛像V3與人眼HE的距離範圍為90至110公分；換言之，在此一範圍內，人眼HE所觀察到的環境影像EM的影像大小的誤差在10%內，並可同時觀察到穿透式顯示器110所顯示的資訊畫面。

更詳細而言，為了達到此一目的，焦距調整透鏡120與補償透鏡130的焦距關係可如下式設計： 其中α為誤差參數，並且0.9≦α≦1.1。若環境影像EM距離人眼HE不遠(在本實施例中，例如距離小於250mm) 時，補償透鏡130的焦距f₂ 與焦距調整透鏡120的焦距f₁ 之比值的絕對值小於1，亦即補償透鏡130的焦距f₂ 略小於焦距調整透鏡120的焦距f₁ 。藉此，人眼HE可在例如室內等周遭環境較近的地區使用頭戴式顯示裝置100觀看到良好的穿透式顯示器110所顯示的影像以及環境影像EM的影像。然而，若環境影像EM距離人眼HE很遠(在本實施例中，例如距離大於或等於250mm)時，補償透鏡130與焦距調整透鏡120之間的距離d相對於第二虛像V2的物距P₂ 及像距q₂ 很小而可忽略，此時補償透鏡130的焦距f₂ 與焦距調整透鏡120的焦距f₁ 之比值的絕對值很接近1，在實際應用上可簡化設計而將補償透鏡130的焦距f₂ 設計與焦距調整透鏡120的焦距f₁ 相同。藉此，人眼HE可在例如室外等周遭環境較廣的地區使用頭戴式顯示裝置100觀看到良好的穿透式顯示器110所顯示的影像以及環境影像EM的影像。更進一步而言，在本實施例中，焦距調整透鏡120的焦距f₁ 以及曲率半徑r₁ 及r₂ ，與補償透鏡130的焦距f₂ 以及曲率半徑R₁ 及R₂ 的詳細數值可舉例如下表1： 表1

其中，表1中物距q₂ 小於250毫米時的數據是以焦距調整透鏡120與補償透鏡130之間的距離d為10毫米以及物距P₂ 等於像距q₂ 等於250毫米所計算而出。值得注意的是，表1中之數據僅用於舉例說明本實施例，在其他實施例中可因應實際設計上之需求而有所不同，本發明不以此為限。值得注意的是，表1中的曲率半徑r₁ 、r₂ 、R₁ 與R₂ 的正負值代表透鏡表面彎曲的方向。換言之，在本實施例中，曲率半徑為正值代表曲率中心在透鏡表面的右方，而曲率半徑為負值則代表曲率中心在透鏡表面的左方。舉例而言，請參考圖1，焦距調整透鏡120的表面1201的曲率中心在表面1201的左方，因此表面1201的曲率半徑r1記為負值，而焦距調整透鏡120的表面1202的曲率中心在表面1202的右方，因此表面1202的曲率半徑r2記為正值。另一方面，補償透鏡130的表面1301的曲率中心在表面1301的左方，因此表面1301的曲率半徑R1記為負值，而補償透鏡130的表面1302的曲率中心在表面1302的右方，因此表面1302的曲率半徑R2記為正值。

圖2D繪示出第一虛像、第二虛像以及第三虛像的成像示意圖。請參照圖2D，在本實施例中，圖2A繪示出人眼HE所觀察到的第一虛像V1(亦即穿透式顯示器110所顯示之影像IM的虛像)的成像位置，而圖2C則繪示出人眼HE所觀察到的第三虛像V3(亦即環境影像EM的第二虛像V2的虛像)的成像位置。在圖2D中，人眼HE透過 頭戴式顯示裝置100可觀察到的影像為第一虛像V1(來自穿透式顯示器110)及第三虛像V3(來自環境影像EM)，其中第三虛像V3的成像位置與實際上環境影像EM在空間中所存在的位置對於人眼HE而言很相近，所以第三虛像V3相對於人眼HE的距離與真實的環境影像EM相對於人眼HE的距離很接近，如此可避免人眼HE產生大小距離上的錯覺而造成使用上的不便。此外，人眼HE亦可同時觀看穿透式顯示器110所顯示的影像內容，而能夠以便利使用者的生活及添增樂趣。

圖3A是依照圖1之實施例中焦距調整透鏡的一種設計的示意圖。圖3B是依照圖1之實施例中焦距調整透鏡的另一種設計的示意圖。請參照圖1、圖3A及圖3B，在本實施例中，補償透鏡130以及焦距調整透鏡120的直徑可大於人眼HE之瞳孔大小。詳細而言，由於頭戴式顯示裝置100配置在很靠近人眼HE的位置上(在本實施例中例如為15至20毫米)，因此為了使得人眼HE可以舒適地觀看穿透式顯示裝置110的影像內容，因此可透過焦距調整透鏡120將穿透式顯示裝置110的影像IM延至距離人眼HE較遠處(在本實施例中例如為80毫米)以利於人眼HE觀看。並且，在本實施例中，焦距調整透鏡120與穿透式顯示器110之距離ds約為5毫米，透過下式：

其中n₁₂ 是透鏡材質對空氣的折射率(refraction index)，在本實施例中以聚碳酸酯(polycarbonate，PC)為例，其折射率約為1.584至1.586，並且在焦距調整透鏡120與穿透式顯示器110之距離ds為5毫米(亦即物距P)，並且欲使人眼HE所感受到的穿透式顯示裝置110與人眼HE的距離為80毫米的條件之下，可計算出焦距調整透鏡120的焦距f₁ 約為5.333毫米。在本實施例中，焦距調整透鏡120例如為雙凸透鏡，並且焦距調整透鏡120的雙凸表面的曲率半徑r₁ 與r₂ 相同(並簡稱為曲率半徑r)，並可由上述關係計算出r約為6.4994毫米(如圖3A中所繪示)。然而，除了考慮焦距調整透鏡120之焦距以及曲率半徑r之外，人眼HE的瞳孔大小亦是考慮之因素之一。一般而言，人眼HE瞳孔的直徑大小範圍可介於1.5毫米至8毫米之間，而日常視物時的人眼HE瞳孔大小可約為2毫米至3毫米。為了能夠符合廣泛的使用者及使用場合，因此在本實施例中，焦距調整透鏡120的直徑至少要大於或等於人眼HE的瞳孔直徑大小(以8毫米為例)。請繼續參考圖3A，焦距調整透鏡120的曲率半徑r約為6.4994毫米，而焦距調整透鏡120之直徑DN為10毫米，因此可推算得出rsin θ=5(毫米)。而焦距調整透鏡120之厚度TH可藉由下式推算而得出：θ=arc(sin(5/r))，TH=2．r(1-cos θ)

代入上述相關之數值，可計算出厚度TH約為4.694毫米，亦即焦距調整透鏡120的厚度TH足以使得焦距調整透鏡120的透鏡中心與穿透式顯示器110之距離維持5 毫米，同時亦可達成圖1到圖2D中所述之焦距調整透鏡120的功效。

然而，請參照圖3B，當焦距調整透鏡如圖3B中所繪示之平凸透鏡的焦距調整透鏡120’時，由於曲率半徑r₁ ’為無限大，因此r₂ 之數值可透過上述關係算出約為3.2496毫米，因此，若焦距調整透鏡120’之直徑DN’維持10毫米，此時的rsin θ=5(毫米)，但由於圖3B中的r=3.2496毫米，並且sin θ≦1，亦即在這樣的平凹透鏡的設計由於曲率半徑r需要設計得較雙凸透鏡更小，因此可能會使得焦距調整透鏡120’的透鏡直徑大小會過小而無法完全對應人眼HE的瞳孔大小。然而，若設定瞳孔之大小為6毫米的直徑DN”，則TH’可根據下式：θ=arc (sin(3/r ))，TH '=2．r (1-cos θ)

經計算後，TH’約為1.2489毫米，亦即在人眼HE瞳孔的大小為6毫米的情況下，焦距調整透鏡120的厚度TH足以使得焦距調整透鏡120的透鏡中心與穿透式顯示器110之距離維持5毫米，如此即可在稍為減少人眼HE可視範圍大小的情形之下達到與雙凸透鏡形狀的焦距調整透鏡120相似之功效。

圖4A是本發明之另一實施例中的頭戴式顯示裝置的示意圖。圖4B是本發明之又一實施例中的頭戴式顯示裝置的示意圖。請先參照圖4A，在本實施例中，焦距調整透鏡120a可為一平凸透鏡，且補償透鏡130a為一平凹透鏡，焦距調整透鏡120a中相對於一凸面SA之一平面SF與穿 透式顯示器110膠合，且補償透鏡130a中相對於一凹面SU之一平面SP與穿透式顯示器110膠合，補償透鏡130a、穿透式顯示器110及焦距調整透鏡120a形成一整體。藉此，可進一步地降低頭戴式顯示裝置100a的厚度及重量，以增加使用上之便利性以及長時間使用之舒適性。其中，補償透鏡130a、穿透式顯示器110及焦距調整透鏡120a的膠合方式可以透過全平面貼合(direct bond)或是口字形貼合(air bond)的方式結合。亦或是，可藉由在補償透鏡130a的平面SP上利用有機發光二極體(organic light emitting diode，OLED)或是薄膜電晶體層液晶顯示器(thin film transistor liquid crystal display，TFT-LCD)的製造技術製作穿透式顯示器110，再於穿透式顯示器110與焦距調整透鏡120a膠合。並且，在其他實施例中，雙凸透鏡形狀的焦距調整透鏡120以及雙凹透鏡形狀的補償透鏡130亦可用上述之方式結合為一整體，本發明不以此為限。

接著請再參照圖4B，頭戴式顯示器100b可更包括複數個插槽ST，調整透鏡130b、穿透式顯示器110及焦距調整透鏡120b可拆卸地依序插置入這些插槽ST中，以維持彼此之固定距離。此外，亦可依據需求而更換具有不同功能的透鏡，例如具有紫外線濾光膜之調整透鏡130b，或是依照使用者的個人視力狀態(近、遠視)而設計的焦距調整透鏡120b等。然而，在其他實施例中，調整透鏡130b、穿透式顯示器110及焦距調整透鏡120b三者中亦可有其中一或二者固定配置在頭戴式顯示裝置100b內，本發明不以 此為限。並且，圖4B中所繪示的插槽ST的方向與數量僅用於說明本實施例，本發明不以此為限。

綜上所述，本發明之實施例藉著將焦距調整透鏡配置於人眼與穿透式顯示器之間，當穿透式顯示器位於人眼最小可視距離時，人眼仍可清楚地觀看穿透式顯示器所顯示的資訊。並且，本發明之實施例利用補償透鏡補償配置焦距調整透鏡對週遭環境影像的改變，可使得當人眼能夠清楚觀看穿透式顯示器的同時，仍可同時觀察到與實際環境大致相同的影像而可維持距離感。

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，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、100a、100b‧‧‧頭戴式顯示裝置

110‧‧‧穿透式顯示器

120、120a、120b‧‧‧焦距調整透鏡

1201、1202、1301、1302‧‧‧表面

130、130a、130b‧‧‧補償透鏡

CM‧‧‧通信單元

CN‧‧‧控制單元

DN、DN’、DN”‧‧‧直徑

d、dh、ds、q‧‧‧距離

EMB、EMB₀ ‧‧‧影像光束

EM、IM‧‧‧影像

f、f₁ 、f₂ ‧‧‧焦距

FH‧‧‧頭戴件

HE‧‧‧人眼

IM‧‧‧影像

P₁ 、P₂ ‧‧‧物距

q₁ 、q₂ ‧‧‧像距

R‧‧‧視網膜

r、r₁ 、r₁ ’、r₂ 、R₁ 、R₂ ‧‧‧曲率半徑

SF、SP‧‧‧平面

SA‧‧‧凸面

ST‧‧‧插槽

SU‧‧‧凹面

TH、TH’‧‧‧厚度

V1‧‧‧第一虛像

V2‧‧‧第二虛像

V3‧‧‧第三虛像

Z‧‧‧焦平面

Z₀ ‧‧‧位置

圖1是本發明之一實施例中的頭戴式顯示裝置的示意圖。

圖2A是依照圖1之實施例中的焦距調整透鏡的第一虛像之成像示意圖。

圖2B是依照圖1之實施例中的補償透鏡的第二虛像之成像示意圖。

圖2C是依照圖1之實施例中的補償透鏡的第三虛像之成像示意圖。

圖2D繪示出第一虛像、第二虛像以及第三虛像的成 像示意圖。

圖3A是依照圖1之實施例中焦距調整透鏡的一種設計的示意圖。

圖3B是依照圖1之實施例中焦距調整透鏡的另一種設計的示意圖。

圖4A是本發明之另一實施例中的頭戴式顯示裝置的示意圖。

圖4B是本發明之又一實施例中的頭戴式顯示裝置的示意圖。

100‧‧‧頭戴式顯示裝置

110‧‧‧穿透式顯示器

120‧‧‧焦距調整透鏡

1201、1202、1301、1302‧‧‧表面

130‧‧‧補償透鏡

CM‧‧‧通信單元

CN‧‧‧控制單元

d、dh‧‧‧距離

EMB、EMB₀ ‧‧‧影像光束

EM、IM‧‧‧影像

FH‧‧‧頭戴件

HE‧‧‧人眼

IM‧‧‧影像

R‧‧‧視網膜

Z‧‧‧焦平面

Z₀ ‧‧‧位置

Claims (12)

1. 一種頭戴式顯示裝置，適於配置於至少一人眼前方，該頭戴式顯示裝置包括：一穿透式顯示器；一焦距調整透鏡，其中該焦距調整透鏡為一凸透鏡並配置於該穿透式顯示器與該人眼之間，該焦距調整透鏡折射該穿透式顯示器所顯示之一影像，以使該影像成像於該人眼之視網膜上；以及一補償透鏡，其中該補償透鏡為一凹透鏡且其中該穿透式顯示器配置於該補償透鏡與該焦距調整透鏡之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之頭戴式顯示裝置，其中該穿透式顯示器與該人眼的距離小於該人眼的一最短可視距離。
3. 如申請專利範圍第2項所述之頭戴式顯示裝置，其中該人眼透過該焦距調整透鏡觀察到對應於該穿透式顯示器之一第一虛像，其中該穿透式顯示器位於該第一虛像與該焦距調整透鏡之間。
4. 如申請專利範圍第3項所述之頭戴式顯示裝置，其中一環境影像依序穿透該補償透鏡、該穿透式顯示器以及該焦距調整透鏡成像於該人眼之視網膜上，當該環境影像穿透該補償透鏡時會形成一第二虛像，該第二虛像與該環境影像位於該補償透鏡同側，而該人眼透過該焦距調整透鏡觀察到對應於該第二虛像的一第三虛像，且該第二虛像與該第三虛像位於該焦距調整透鏡同側。
5. 如申請專利範圍第4項所述之頭戴式顯示裝置，其中該補償透鏡之焦距為f₂ ，該焦距調整透鏡之焦距為f₁ ，該焦距調整透鏡與該補償透鏡之距離為d，該環境影像與該補償透鏡在沿著該人眼之光軸上之距離為p₂ ，該第二虛像與該補償透鏡在沿著該人眼之光軸上之距離為q₂ ，其中該補償透鏡與該焦距調整透鏡之關係滿足下式： 其中α為誤差參數，並且0.9≦α≦1.1。
6. 如申請專利範圍第1項所述之頭戴式顯示裝置，其中該補償透鏡以及該焦距調整透鏡的直徑大於該人眼之瞳孔大小。
7. 如申請專利範圍第1項所述之頭戴式顯示裝置，其中該焦距調整透鏡為一平凸透鏡，且該補償透鏡為一平凹透鏡，該焦距調整透鏡中相對於一凸面之一平面與該穿透式顯示器膠合，且該補償透鏡中相對於一凹面之一平面與該穿透式顯示器膠合，該補償透鏡、該穿透式顯示器及該焦距調整透鏡形成一整體。
8. 如申請專利範圍第1項所述之頭戴式顯示裝置，更包括至少一個插槽，該調整透鏡、該穿透式顯示器及該焦距調整透鏡之至少其一可拆卸地依序插置入該插槽中，以維持彼此之固定距離。
9. 如申請專利範圍第1項所述之頭戴式顯示裝置，其 中該焦距調整透鏡為一雙凸透鏡，且該補償透鏡為一雙凹透鏡。
10. 如申請專利範圍第1項所述之頭戴式顯示裝置，其中該焦距調整透鏡為一平凸透鏡，且該補償透鏡為一平凹透鏡。
11. 如申請專利範圍第2項所述之頭戴式顯示裝置，其中該穿透式顯示器更包括一通信單元，該通信單元用以與外界裝置溝通信息，其中該通信單元可為有線通信或無線通信。
12. 如申請專利範圍第2項所述之頭戴式顯示裝置，其中該穿透式顯示器更包括一控制單元，該控制單元用以控制該穿透式顯示單元的顯示內容。