TWI681210B - 頭戴式顯示裝置 - Google Patents

Abstract

一種頭戴式顯示裝置。頭戴式顯示裝置包括第一成像裝置以及第一影像光束投射裝置。第一影像光束投射裝置用來投射第一影像光束。第一成像裝置具有第一影像顯示面，用來接收第一影像光束。第一影像顯示面為第一曲面。第一曲面沿著至少一個第一彎曲軸以及至少一個第二彎曲軸產生彎曲，且至少一個第一彎曲軸與至少一個第二彎曲軸相互正交。

Description

頭戴式顯示裝置

本發明是關於一種頭戴式顯示裝置，特別是關於一種可提升觀看視野的頭戴式顯示裝置。

一般而言，頭戴式顯示器(head mounted display，HMD)會在使用者眼睛前方設置光學鏡片及顯示螢幕，使用者可經由光學鏡片來放大顯示螢幕呈現的影像，以提供較佳的觀看體驗。為了提供較廣的觀看視野(field of view，FOV)，傳統的頭戴式顯示器通常配置有高曲率的光學鏡片。然而，光學鏡片的曲率越高，光學鏡片所造成的場曲像差(field curvature aberration)或畸變像差(distortion aberration)也越嚴重。為了降低光學鏡片的像差，光學鏡片的曲率將有所限制，因而造成使用者的觀看視野不佳。

習知技術並提出一種具有彎曲度的顯示面板，來克服上述的問題。然而，這種具有彎曲度的顯示面板的製造較為困難，且需要較高的生產成本，造成頭戴式顯示器的產品競爭度的降低。

本發明提供一種頭戴式顯示裝置，可提升使用者的觀看視野，並節省頭戴式顯示裝置的製作成本。

本發明的實施例提供一種頭戴式顯示裝置。頭戴式顯示裝置包括第一成像裝置以及第一影像光束投射裝置。第一影像光束投射裝置用來投射第一影像光束至第一影像顯示面。第一成像裝置具有第一影像顯示面，用來接收第一影像光束。第一影像顯示面為第一曲面。第一曲面沿著至少一個第一彎曲軸以及至少一個第二彎曲軸產生彎曲，且至少一個第一彎曲軸與至少一個第二彎曲軸相互正交。

在本發明的一實施例中，第一影像光束投射裝置包括光源以及反射鏡。光源用來產生第一影像光束，而反射鏡則用來將第一影像光束反射至第一影像顯示面。

在本發明的一實施例中，第一影像光束投射裝置更包括微機電裝置以及控制器。微機電裝置用來改變反射鏡的旋轉角度，而控制器則用來驅動微機電裝置，以便使第一影像光束在第一影像顯示面進行掃描。

在本發明的一實施例中，第一成像裝置包括多個子成像裝置，各個子成像裝置具有子影像顯示面，且各個子影像顯示面沿著相互正交的第一子彎曲軸以及第二子彎曲軸產生彎曲。

在本發明的一實施例中，頭戴式顯示裝置更包括第一透鏡。第一透鏡用來從第一成像裝置接收第一影像光束。

基於上述，在本發明的實施例中，頭戴式顯示裝置的第 一成像裝置具有第一影像顯示面，且第一影像顯示面呈現雙軸彎曲的曲面狀態。因此，所述頭戴式顯示裝置可提供使用者較廣的觀看視野。此外，由於第一成像裝置不須採用複雜的電路設計來顯示影像，故能有效降低頭戴式顯示裝置的製作成本。

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。

100、400‧‧‧頭戴式顯示裝置

110‧‧‧第一成像裝置

111B、112B、111C~119C‧‧‧子成像裝置

120‧‧‧第一影像光束投射裝置

121‧‧‧光源

122‧‧‧反射鏡

123‧‧‧微機電裝置

124‧‧‧控制器

130‧‧‧第一透鏡

410‧‧‧第二成像裝置

420‧‧‧第二影像光束投射裝置

430‧‧‧第二透鏡

1101‧‧‧透光基板

1102‧‧‧成像介質

A1‧‧‧第一彎曲軸

A2‧‧‧第二彎曲軸

A3‧‧‧第三彎曲軸

A4‧‧‧第四彎曲軸

b1~b3、c1~c3‧‧‧彎曲軸

a1~a4‧‧‧子彎曲軸

D1‧‧‧第一方向

D2‧‧‧第二方向

DS1‧‧‧第一影像顯示面

DS2‧‧‧第二影像顯示面

dsL、dsR、ds1~ds9‧‧‧子影像顯示面

E‧‧‧眼睛

E1‧‧‧左眼

E2‧‧‧右眼

FS‧‧‧自由曲面

L1‧‧‧第一影像光束

L2‧‧‧第二影像光束

圖1是依照本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的示意圖。

圖2A至圖2D是依照本發明不同實施例說明圖1的第一成像裝置110的示意圖。

圖3A至圖3B是依照本發明不同實施例說明圖1的第一成像裝置110的細部結構的示意圖。

圖4是依照本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的示意圖。

圖5是依照本發明一實施例說明圖4的第一成像裝置與第二成像裝置的示意圖。

在本案圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件代表相同或類似部分。不同實施例中使用相同標號或使用相同用語的元件/構件可以相互參照相關說明。

圖1是依照本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的示意圖。如圖1所示，頭戴式顯示裝置100包括第一成像裝置110、第一影像光束投射裝置120與第一透鏡130。第一成像裝置110具有第一影像顯示面DS1，且第一影像顯示面DS1為曲面。舉例來說，第一影像顯示面DS1可沿著相互正交的2個彎曲軸產生彎曲而呈現雙軸彎曲的曲面狀態，或是第一影像顯示面DS1可沿著多組相互正交的彎曲軸產生彎曲而呈現多個雙軸彎曲的曲面狀態。如此一來，頭戴式顯示裝置100便可提供使用者較廣的觀看視野。

第一影像光束投射裝置120可投射第一影像光束L1至第一影像顯示面DS1，以便在第一影像顯示面DS1產生顯示影像。使用者可藉由第一透鏡130從第一成像裝置110接收第一影像光束L1，進而觀看到上述的顯示影像。舉例來說，第一成像裝置110為一可透光裝置，如此一來，透過第一透鏡130，使用者便可觀看在第一成像裝置110所形成的顯示影像。

附帶一提，本實施例的頭戴式顯示裝置100可應用在虛擬實境系統(virtual reality system)、擴增實境系統(augmented reality system)及/或混合實境系統(mixed reality system)中。

請再參照圖1所示，第一影像光束投射裝置120包括光源121、反射鏡122、微機電裝置123與控制器124。依照設計需求，光源121可以是雷射光源或發光二極體光源。光源121可產生第一影像光束L1，而反射鏡122可將第一影像光束L1反射至第一影像顯示面DS1。微機電裝置123例如是採用微機電系統 (Micro Electro Mechanical System，MEMS)製程所製作的微致動器，可帶動反射鏡122旋轉，以改變反射鏡122的旋轉角度。控制器124則用來驅動微機電裝置123。由於反射鏡122、微機電裝置123與控制器124可形成一個微機電掃描裝置，故光源121所投射出的第一影像光束L1可在第一影像顯示面DS1上進行掃描，並在第一影像顯示面DS1產生顯示影像。

圖2A至圖2D是依照本發明不同實施例說明圖1的第一成像裝置110的示意圖。如圖2A所示，第一成像裝置110的第一影像顯示面DS1可同時沿著相互正交的第一彎曲軸A1(例如是水平軸)與第二彎曲軸A2(例如是垂直軸)產生彎曲，而形成雙軸彎曲的曲面。因此，第一影像顯示面DS1可同時具有沿第一彎曲軸A1形成的橫向曲面與沿第二彎曲軸A2形成的縱向曲面。第一透鏡130可設置於使用者的眼睛E(例如左眼或右眼)與第一影像顯示面DS1之間，以供放大第一影像顯示面DS1上的顯示影像。於圖2A的實施例中，頭戴式顯示裝置100的第一成像裝置110具有雙軸彎曲的第一影像顯示面DS1，故相較於平面形狀的影像顯示面而言，本實施例的頭戴式顯示裝置100可提供使用者較寬廣的視野範圍。

於另一實施例中，第一成像裝置110可包括多個子成像裝置。舉例來說，於圖2B中，第一成像裝置110包括2個子成像裝置111B、112B，且子成像裝置111B、112B分別具有彎曲的子影像顯示面dsL、dsR，其中子影像顯示面dsL是沿著相互正交的 子彎曲軸a1與子彎曲軸a2產生彎曲，而子影像顯示面dsR是沿著相互正交的子彎曲軸a3與子彎曲軸a4產生彎曲。由於子影像顯示面dsL、dsR共同組成第一影像顯示面DS1，因此圖2B的第一影像顯示面DS1形成2個雙軸彎曲曲面。

於圖2B的實施例中，子彎曲軸a1與子彎曲軸a3可以是不相同的軸，且子彎曲軸a2與子彎曲軸a4也可以是不相同的軸。舉例來說，子彎曲軸a1與子彎曲軸a3可以是相互平行的軸或不平行的軸。子彎曲軸a1與子彎曲軸a3可沿圖2A繪示的第一彎曲軸A1方向來配置，但不需與第一彎曲軸A1相互平行。子彎曲軸a2與子彎曲軸a4可以是相互平行的軸或不平行的軸。子彎曲軸a2與子彎曲軸a4可沿圖2A的第二彎曲軸A2方向來配置，但不需與第一彎曲軸A2相互平行。

於圖2C中，第一成像裝置110包括多個子成像裝置111C~119C(例如9個)，且子成像裝置111C~119C可呈陣列狀排列。如圖2C所示，子成像裝置111C~119C分別具有彎曲的子影像顯示面ds1~ds9，且子影像顯示面ds1~ds9是分別沿著相互正交的2個子彎曲軸產生彎曲(如虛線所示)。由於子影像顯示面ds1~ds9共同組成第一影像顯示面DS1，因此圖2C的第一影像顯示面DS1形成9個雙軸彎曲曲面。此外，於圖2C的實施例中，第一成像裝置110還可包括鄰接於第一影像顯示面DS1的自由曲面(free-form surface)FS。例如：第一成像裝置110的輪廓形狀可設計成自由曲面(free-form surface)FS，以滿足不同的應用需 求。

當然，在本發明其他實施例中，子成像裝置的數量可以依據需求進行調整，並非固定為9個。另外，子成像裝置的排列方式也非必要為整齊排列的矩陣形狀，設計者可以依據頭戴式顯示裝置100的形狀、尺寸來設置子成像裝置的排列方式，沒有特定的限制。

圖2D是依照本發明再一實施例說明圖1的第一成像裝置110的示意圖。如圖2D所示，第一成像裝置110的第一影像顯示面DS1可依序沿著多個彎曲軸b1~b3產生彎曲，且彎曲軸b1~b3的延伸方向可為第二方向D2(例如是垂直方向)，同時第一影像顯示面DS1還可依序沿著多個彎曲軸c1~c3產生彎曲，且彎曲軸c1~c3的延伸方向可為第一方向D1(例如是水平方向)，其中第一方向D1與第二方向D2相互正交。

值得一提的，第一影像顯示面DS1依據各彎曲軸c1~c3、彎曲軸b1~b3可產生不同彎曲度或相同彎曲度的彎曲，使第一影像顯示面DS1具有更高的可調式性。

於圖2D的實施例中，配置於同一方向且相鄰的2個彎曲軸之間可以具有相同或不相同的間距。舉例來說，彎曲軸b1與彎曲軸b2之間的間距可不同於彎曲軸b2與彎曲軸b3之間的間距。同樣的，彎曲軸c1與彎曲軸c2之間的間距可不同於彎曲軸c2與彎曲軸c3之間的間距。因此，圖2D的第一影像顯示面DS1所形成的雙軸彎曲曲面，可依據對應的不同的彎曲軸而有不同的彎曲 度。如此一來，使用者透過第一透鏡130來觀看第一影像顯示面DS1上的顯示影像時，可感受到更寬廣的視野範圍。

圖3A至圖3B是依照本發明不同實施例說明圖1的第一成像裝置110的細部結構的示意圖。如圖3A至圖3B所示，第一成像裝置110包括透光基板1101與成像介質1102，且透光基板1101呈彎曲狀態。透光基板1101的內部或透光基板1101的表面上可設置成像介質1102，使得透光基板1101的內部或表面上形成可供成像的第一影像顯示面DS1。由於第一成像裝置110具有透光性，因此第一影像光束L1在第一影像顯示面DS1形成顯示影像後，第一影像光束L1會再穿透第一成像裝置110而被圖1的第一透鏡130接收。

成像介質1102可以是多個擴散粒子、微透鏡陣列、高分子分散型液晶(PDLC)、多個粗糙化(texture)結構、多個全像光柵(holographic grating)結構或是鍍膜層。舉例來說，如圖3A所示，當成像介質1102為設置於透光基板1101內部的擴散粒子時，第一成像裝置110可做為光擴散片使用。如圖3B所示，當成像介質1102為設置於透光基板1101表面上的全像光柵結構時，第一成像裝置110可做為全像片使用。此外，透光基板1101的材質可以是玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)，本發明實施例沒有特定的限制。

圖4是依照本發明另一實施例的頭戴式顯示裝置的示意圖。請參照圖4所示，圖4的頭戴式顯示裝置400與圖1的頭戴 式顯示裝置100的差異在於，頭戴式顯示裝置400還包括第二成像裝置410、第二影像光束投射裝置420與第二透鏡430。第二成像裝置410具有第二影像顯示面DS2，且第二影像顯示面DS2為曲面。第二影像光束投射裝置420可投射第二影像光束L2至第二影像顯示面DS2，以便在第二影像顯示面DS2產生顯示影像。使用者可藉由第二透鏡430從第二成像裝置410接收第二影像光束L2，進而觀看到顯示影像。

於圖4的實施例中，第一成像裝置110與第二成像裝置410具有相同的結構(例如皆由透光材質構成)，且第一影像光束投射裝置120與第二影像光束投射裝置420亦具有相同的結構(例如皆設置有微機電掃描裝置)，故第二成像裝置410與第二影像光束投射裝置420的實施細節可參照第一成像裝置110與第一影像光束投射裝置120的相關實施例，在此不再贅述。

此外，圖4中的第一成像裝置110與第二成像裝置410可以是獨立的2個成像裝置或是整合為一體的成像裝置。舉例來說，圖5是依照本發明一實施例說明圖4的第一成像裝置110與第二成像裝置410的示意圖。如圖5所示，第一成像裝置110與第二成像裝置410可呈物理性接觸，且第一成像裝置110與第二成像裝置410的輪廓形狀可設計成自由曲面(free-form surface)FS。第一成像裝置110具有彎曲的第一影像顯示面DS1，且第一影像顯示面DS1沿著相互正交的第一彎曲軸A1與第二彎曲軸A2產生彎曲。第二成像裝置410具有彎曲的第二影像顯示面DS2， 且第二影像顯示面DS2沿著相互正交的第三彎曲軸A3與第四彎曲軸A4產生彎曲。第一彎曲軸A1與第三彎曲軸A3可以是相互平行的軸或不平行的軸，而第二彎曲軸A2與第四彎曲軸A4也可以是相互平行的軸或不平行的軸。

此外，於圖5中，第一透鏡130與第二透鏡430的設置位置可分別對應於使用者的雙眼位置，例如當第一透鏡130設置於左眼E1前方時，則第二透鏡430將設置於右眼E2前方，以供使用者體驗立體的影像效果。於本實施例中，第一透鏡130與第二透鏡430可採用菲涅耳透鏡(Fresnel lens)，以縮小頭戴式顯示裝置400的體積與重量，但本發明不限於此。於其他實施例中，第一透鏡130與第二透鏡430也可為其他光學透鏡。例如：第一透鏡130與第二透鏡430可以是高斯透鏡(Gauss lens)、非球面透鏡、自由曲面透鏡(free-form lens)、液體透鏡、液晶透鏡或全像透鏡。

綜上所述，在本發明的諸實施例中，頭戴式顯示裝置的第一成像裝置與第二成像裝置分別具有第一影像顯示面與第二顯示面，且第一影像顯示面與第二顯示面皆呈現雙軸彎曲的曲面狀態。因此，所述頭戴式顯示裝置可提供使用者較廣的觀看視野。此外，由於第一成像裝置與第二成像裝置不須採用複雜的電路設計來顯示影像，故能有效降低頭戴式顯示裝置的製作成本。再者，由於第一透鏡與第二透鏡不須採用高曲率設計，因而可改善傳統高曲率透鏡所造成的像差問題。

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。

100‧‧‧頭戴式顯示裝置

110‧‧‧第一成像裝置

120‧‧‧第一影像光束投射裝置

121‧‧‧光源

122‧‧‧反射鏡

123‧‧‧微機電裝置

124‧‧‧控制器

130‧‧‧第一透鏡

DS1‧‧‧第一影像顯示面

L1‧‧‧第一影像光束

Claims (13)

1. 一種頭戴式顯示裝置，包括：一第一成像裝置，具有一第一影像顯示面，該第一影像顯示面用以接收一第一影像光束，其中該第一影像顯示面為一第一曲面，該第一曲面沿著多個第一彎曲軸以及多個第二彎曲軸產生彎曲，其中該些第一彎曲軸具有一第一延伸方向，該些第二彎曲軸具有一第二延伸方向，且該第一延伸方向與該第二延伸方向相互正交；以及一第一影像光束投射裝置，用以投射該第一影像光束至該第一影像顯示面。
2. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一影像光束投射裝置包括：一光源，用以產生該第一影像光束；以及一反射鏡，用以反射該第一影像光束至該第一影像顯示面。
3. 如申請專利範圍第2項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一影像光束投射裝置更包括：一微機電裝置，用以改變該反射鏡的旋轉角度；以及一控制器，用以驅動該微機電裝置，使得該第一影像光束在該第一影像顯示面進行掃描。
4. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一成像裝置還具有一自由曲面，該自由曲面鄰接該第一影像顯示面。
5. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一成像裝置包括多個子成像裝置，各該子成像裝置具有一子影像顯示面，各該子影像顯示面沿著相互正交的一第一子彎曲軸以及一第二子彎曲軸產生彎曲。
6. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一成像裝置包括：一透光基板，具有該第一影像顯示面；以及一成像介質，設置於該第一影像顯示面上，其中該第一影像顯示面設置於該透光基板的內部或該透光基板的表面上。
7. 如申請專利範圍第6項所述的頭戴式顯示裝置，其中該透光基板包括玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯。
8. 如申請專利範圍第6項所述的頭戴式顯示裝置，其中該成像介質包括多個擴散粒子、微透鏡陣列、高分子分散型液晶、多個粗糙化結構、多個全像光柵結構或鍍膜層。
9. 如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該頭戴式顯示裝置更包括：一第一透鏡，用以從該第一成像裝置接收該第一影像光束。
10. 如申請專利範圍第9項所述的頭戴式顯示裝置，其中該頭戴式顯示裝置更包括：一第二成像裝置，具有一第二影像顯示面，該第二影像顯示面用以接收一第二影像光束，其中該第二影像顯示面為一第二曲 面，且該第二曲面沿著相互正交的該些第一彎曲軸以及該些第二彎曲軸產生彎曲；以及一第二影像光束投射裝置，用以投射該第二影像光束至該第二影像顯示面。
11. 如申請專利範圍第10項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一成像裝置與該第二成像裝置呈物理性接觸。
12. 如申請專利範圍第10項所述的頭戴式顯示裝置，其中該頭戴式顯示裝置更包括：一第二透鏡，用以從該第二成像裝置接收該第二影像光束。
13. 如申請專利範圍第12項所述的頭戴式顯示裝置，其中該第一透鏡與該第二透鏡包括菲涅爾透鏡、高斯透鏡、非球面透鏡、自由曲面透鏡、液體透鏡、液晶透鏡或全像透鏡。

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