TWI587004B - 顯示裝置 - Google Patents

Description

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具有光波導元件的顯示裝置。

隨著顯示技術的進步及人們對於高科技的渴望，虛擬實境(virtual reality)與擴充實境(augmented reality)的技術已漸趨成熟，其中頭戴式顯示器(head mounted display,HMD)則是用以實現此技術的顯示器。頭戴式顯示器的發展歷史可以追溯到1970年代的美國軍方，其利用一個光學投影系統，將顯示器元件上的影像或文字訊息投影到使用者的眼中。近年來，隨著微型顯示器中的解析度越來越高，尺寸功耗越來越小，頭戴式顯示器亦發展成為一種攜帶式(portable)顯示裝置。除了在軍事領域外，其他諸如工業生產、模擬訓練、立體顯示、醫療、運動、導航和電子遊戲等相關領域，頭戴式顯示器的顯示技術亦皆有所成長而佔據了重要的地位。

一般而言，由於頭戴式顯示器需穿戴在頭上，因此如何於頭戴式顯示器的重量即是進行設計上的必要考量。另一方面， 由於頭戴式顯示器的光學系統設置於眼睛的附近，如果遇到強烈撞擊時，其光學架構將可能會碎裂而造成安全上的問題。為了解決這些問題，部份頭戴式顯示器的光學系統會被設置在原本眼鏡放置鏡片的位置之處，但此結構設計會造成近視人士使用上的不方便。因此，如何兼顧頭戴式顯示器的安全性與便利性，已成為相關領域技術發展的重要課題之一。

“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先前技術。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，也不代表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。

本發明提供一種顯示裝置，其能兼顧安全性與便利性的需求。

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顯示裝置。顯示裝置適於配置於一使用者的至少一眼睛前方，包括一鏡架、一投影光學系統、至少一光波導元件以及至少一鏡片。投影光學系統用以提供一影像光束，配置 於鏡架上。光波導元件位於影像光束的傳遞路徑上，其中光波導元件具有一側面，且側面具有一第一曲率。鏡片位於影像光束的傳遞路徑上，其中光波導元件配置於至少一鏡片的一表面上。表面具有一第二曲率，側面的第一曲率與至少一鏡片的表面的第二曲率相同，以使側面與表面相互貼合。影像光束經由至少一光波導元件傳遞至鏡片後，再經由鏡片傳遞至使用者的眼睛，以顯示一虛像。

在本發明的一實施例中，上述的至少一光波導元件嵌入至少一鏡片中。

在本發明的一實施例中，上述的光波導元件的材質為玻璃或塑膠至少其中之一者。

在本發明的一實施例中，上述的至少一光波導元件的數量為兩個以上。

在本發明的一實施例中，上述的光波導元件為散射式波導元件(diffractive waveguide)、全像式波導元件(holographic waveguide)、偏光式波導元件(polarized waveguide)或是反射式波導元件(reflective waveguide)至少其中之一者。

在本發明的一實施例中，上述的至少一光波導元件的數量與至少一鏡片的數量相對應。

在本發明的一實施例中，上述的至少一鏡片為處方鏡片。

在本發明的一實施例中，上述的鏡片的材質為玻璃或塑膠至少其中之一者。

在本發明的一實施例中，上述的顯示裝置更包括一透明膠體。透明膠體設置在至少一光波導元件與至少一鏡片之間，其中透明光學膠體鄰近至少一鏡片的邊緣。

在本發明的一實施例中，上述的顯示裝置更包括一透明支撐件。透明支撐件設置在至少一鏡片上並鄰接至少一光波導元件，其中透明支撐件鄰近至少一鏡片的邊緣。

在本發明的一實施例中，上述的光波導元件更包括一第一反射元件、一第二反射元件以及一偏振光分光器(Polarizing beam splitter，PBS)。影像光束進入光波導元件後，先經由第一反射元件反射影像光束並穿過偏振光分光器而傳遞至第二反射元件，再經由第二反射元件反射影像光束至偏振光分光器，並經由偏振光分光器傳遞影像光束至鏡片。

在本發明的一實施例中，上述的光波導元件更包括一第一全像片、一第二全像片以及一主體。影像光束進入光波導元件後，先經由第一全像片反射影像光束並穿過主體而傳遞至第二全像片，再經由第二全像片傳遞影像光束至鏡片。

在本發明的一實施例中，上述的光波導元件更包括一入光耦合區域、一出光耦合區域以及一中間區域。影像光束進入光波導元件後，先經由入光耦合區域傳遞影像光束至中間區域，並在中間區域行進而傳遞至出光耦合區域，再經由出光耦合區域傳遞影像光束至鏡片。

在本發明的一實施例中，上述的光波導元件更包括一反 射元件、一第一偏振光分光器以及一第二偏振光分光器。影像光束進入光波導元件後，先經由反射元件反射影像光束而傳遞至第一偏振光分光器以及第二偏振光分光器，再藉由第一偏振光分光器以及第二偏振光分光器分別將影像光束傳遞至使用者的雙眼。

基於上述，本發明的實施例可達到下列優點或功效的至少其中之一。本發明的實施例的顯示裝置藉由光波導元件的側面與鏡片的表面相互貼合，以加強結構強度，而避免遭受撞擊時可能導致投影光學系統碎裂的風險。此外，顯示裝置亦可藉由透明膠體以及透明支撐件的設置以加強結構強度，且由於透明膠體或透明支撐件設置在靠近鏡片邊緣處，因此可避免影響使用者的觀看視野。

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、200‧‧‧顯示裝置

110‧‧‧鏡架

120‧‧‧投影光學系統

130、130a、230、330、430‧‧‧光波導元件

131‧‧‧第一反射元件

132‧‧‧第二反射元件

133‧‧‧偏振光分光器

231‧‧‧第一全像片

232‧‧‧第二全像片

233‧‧‧主體

331‧‧‧入光耦合區域

332‧‧‧出光耦合區域

333‧‧‧中間區域

431‧‧‧反射元件

432‧‧‧第一偏振光分光器

433‧‧‧第二偏振光分光器

140、140a‧‧‧鏡片

150‧‧‧透明膠體

160‧‧‧透明支撐件

170‧‧‧凹槽

EY‧‧‧眼睛

IB‧‧‧影像光束

IS‧‧‧入光面

OS‧‧‧出光面

S130、S230、S330、S430‧‧‧側面

S140‧‧‧表面

圖1是本發明一實施例的一種顯示裝置的架構示意圖。

圖2A至圖2C是圖1應用不同的光波導元件的光路示意圖。

圖3是本發明另一實施例的一種顯示裝置的架構示意圖。

有關本發明的前述及其他技術內容、特點與功效，在以 下配合參考圖式的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是本發明一實施例的一種顯示裝置的架構示意圖。請參照圖1，在本實施例中，顯示裝置100適於配置於使用者的至少一眼睛EY前方。顯示裝置100包括鏡架110、投影光學系統120、至少一光波導元件130(圖1中繪示為1個)以及至少一鏡片140(圖1中繪示為2個)。投影光學系統120用以提供影像光束IB，配置於鏡架110上。舉例而言，在本實施例中，投影光學系統120可包括微型液晶顯示面板(Liquid Crystal Display panel,LCD panel)、矽基液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCOS)微型顯示器或其他種類的微型顯示器，但本發明不以此為限。另一方面，在本實施例中，光波導元件130與鏡片140的材質例如為玻璃或塑膠至少其中之一者，但本發明不以此為限，光波導元件130與鏡片140的材質也可以是其他適當的透明物質。此外，在本實施例中，鏡片140可為處方鏡片，亦即鏡片140可為有度數的鏡片，而可便於使有近視或遠視的使用者能夠清楚地觀察眼睛前方視野的同時亦可清楚地觀看顯示裝置100所顯示的畫面。

具體而言，如圖1所示，在本實施例中，光波導元件130位於影像光束IB的傳遞路徑上，其中光波導元件130具有一側面S130，且側面S130具有第一曲率。並且，光波導元件130配置於 鏡片140的一表面S140上。鏡片140的表面S140具有第二曲率，側面S130的第一曲率與鏡片140的表面S140的第二曲率實質相同，以使光波導元件130的側面S130與鏡片140的表面S140相互貼合。如此即可加強顯示裝置100的結構強度，而減少遭受撞擊時可能導致投影光學系統120碎裂的風險。

詳細而言，在本實施例中，光波導元件130具有入光面IS以及出光面OS，其中入光面IS位於投影光學系統120旁，出光面OS位於鏡片140旁，投影光學系統120提供影像光束IB經由入光面IS進入光波導元件130，並經由出光面OS傳遞至鏡片140。換言之，如圖1所示，在本實施例中，出光面OS為側面S130的一部份，且出光面OS的曲率亦為第一曲率，而可使影像光束IB經由出光面OS傳遞至鏡片140時，可清楚顯示一虛像。

更詳細而言，如圖1所示，本實施例的光波導元件130更包括第一反射元件131、第二反射元件132以及偏振光分光器133。影像光束IB經由光波導元件130的入光面IS進入光波導元件130後，先經由第一反射元件131反射影像光束IB並穿過偏振光分光器133而傳遞至第二反射元件132，再經由第二反射元件132反射影像光束IB至偏振光分光器133，最終由偏振光分光器133經出光面OS而傳遞影像光束IB至鏡片140。也就是說，本實施例中的光波導元件130為反射式波導元件，但本發明不以此為限，在其他的實施例中，光波導元件130亦可為散射式波導元件、全像式波導元件或是偏光式波導元件至少其中之一者。

另一方面，如圖1所示，在本實施例中，鏡片140位於影像光束IB的傳遞路徑上，當影像光束IB經由光波導元件130傳遞至鏡片140後，再經由鏡片140傳遞至使用者的眼睛EY，以顯示一虛像。

光波導元件130的第一反射元件131例如是黏合於投影光學系統120的入光面IS，以使來自投影光學系統120的影像光束IB可直接經由第一反射元件131進入光波導元件130。此外，如圖1所示，本實施例中顯示裝置100更可選擇性地設置透明膠體150或是透明支撐件160。透明膠體150的材質可採用光學膠，而透明支撐件160的材質可採用透光率高的塑膠或樹脂，較佳的是採用折射率與鏡片140相近的透明材質，本發明不以此為限。

具體而言，透明膠體150設置在光波導元件130與鏡片140之間。透明膠體150鄰近鏡片140的邊緣以黏合光波導元件130與鏡片140，而透明支撐件160設置在鏡片140的表面S140上並鄰接光波導元件130，其中透明支撐件160鄰近鏡片140的邊緣。顯示裝置100可藉由透明膠體150以及透明支撐件160的設置來加強結構強度，以減少遭受撞擊時可能導致投影光學系統120碎裂的風險。此外，由於透明膠體150或透明支撐件160設置在靠近鏡片140邊緣處(即鏡片140上遠離眼睛EY的位置)，因此可避免影響使用者的觀看視野。

本實施例的光波導元件130雖以反射式波導元件為例示，但本發明並不以此為限。在其他的實施例中，光波導元件130 亦可為其他不同形式的波導元件。以下將搭配圖2A至圖2C，針對圖1的光波導元件130的可能變化進行進一步解說。

圖2A至圖2C是圖1應用不同的光波導元件的光路示意圖。請參照圖2A至圖2C，在這些實施例中，光波導元件230、330、430分別為全像式波導元件、散射式波導元件或是偏光式波導元件。

具體而言，如圖2A所示，光波導元件230為全像式波導元件，包括第一全像片231、第二全像片232以及一主體233，其中側面S230的曲率與鏡片140(未繪示於圖2A)的側面S140的曲率相同，以使側面S230可貼合於側面S140。第一全像片231與第二全像片232例如是反射式全像片(reflection hologram)，其中第一全像片231可為入光耦合全像片(in-coupling hologram)，第二全像片232可為出光耦合全像片(out-coupling hologram)。影像光束IB經由光波導元件230的入光面IS進入光波導元件230後，第一全像片231適於反射影像光束IB並在主體233中以全反射行為行進而傳遞至第二全像片232，第二全像片232則適於將影像光束IB傳遞至光波導元件230的出光面OS。之後，影像光束IB再經由鏡片140傳遞至使用者的眼睛EY，以顯示一虛像。有關全像式波導元件的相關技術與原理應為本領域相關技術人員所熟知，本發明在此不加以贅述。

如圖2B所示，光波導元件330為散射式波導元件，包括一入光耦合區域331、一出光耦合區域332以及一中間區域333， 其中側面S330的曲率與鏡片140(未繪示於圖2B)的表面S140的曲率相同，以使側面S330可貼合於表面S140。影像光束IB經由光波導元件330的入光面IS進入光波導元件330後，先經由入光耦合區域331使影像光束IB在中間區域333中以全反射行為行進而被傳遞至出光耦合區域332，再經由出光耦合區域332將影像光束IB傳遞至光波導元件330的出光面OS。之後，影像光束IB再經由鏡片140傳遞至使用者的眼睛EY，以顯示一虛像。有關散射式波導元件的相關技術與原理應為本領域相關技術人員所熟知，本發明在此亦不加以贅述。

如圖2C所示，光波導元件430為偏光式波導元件，包括一反射元件431、一第一偏振光分光器432以及一第二偏振光分光器433，其中側面S430的曲率與鏡片140(未繪示於圖2C)的表面S140的曲率相同，以使側面S430可貼合於表面S140。影像光束IB經由光波導元件430的入光面IS進入光波導元件430後，先經由反射元件431反射影像光束IB而傳遞至第一偏振光分光器432以及第二偏振光分光器433，再藉由第一偏振光分光器432以及第二偏振光分光器433分別將影像光束IB經由出光面OS而傳遞至使用者的眼睛。有關偏光式波導元件的相關技術與原理應為本領域相關技術人員所熟知，本發明在此亦不加以贅述。

在上述的實施例中，光波導元件130、230、330、430的數量雖以一個為例示，但本發明並不以此為限。在其他的實施例中，光波導元件亦可為兩個以上，且光波導元件的數量與鏡片140 的數量相對應。

圖3是本發明另一實施例的一種顯示裝置的架構示意圖。請參照圖3，本實施例的顯示裝置200與圖1的顯示裝置100類似，相同的元件以相同的標號表示，而兩者的差異在於，顯示裝置200的至少一光波導元件130a係嵌入至少一鏡片140a中。舉例而言，本實施例的光波導元件130a嵌入鏡片140a的凹槽170，但本發明並不以此為限，光波導元件130a可以是嵌入鏡片140a的一通孔內，鏡片140a亦可以是由多個子鏡片疊合而成。此外，透明膠體150設置在光波導元件130a與鏡片140a之間且鄰近鏡片140a的邊緣以黏合光波導元件130a與鏡片140a，透明支撐件160位於凹槽170的底部且鄰近鏡片140a的邊緣以定位光波導元件130a，其中光波導元件130a的側面S130貼合於凹槽170的表面S140。由於本實施例的光波導元件130a嵌入鏡片140a中，因此除可適度地加強顯示裝置200的結構強度之外，還可減少顯示裝置200的所占空間。

綜上所述，本發明的實施例的顯示裝置藉由光波導元件的側面與鏡片的表面相互貼合，能加強結構強度，而避免遭受撞擊時可能導致投影光學系統碎裂的風險。此外，顯示裝置亦可藉由透明膠體以及透明支撐件的設置以加強結構強度，且由於透明膠體或透明支撐件設置在靠近鏡片邊緣處，因此可避免影響使用者的觀看視野。

惟以上所述者，僅為本發明的較佳實施例而已，當不能 以此限定本發明實施的範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作的簡單等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。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的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的權利範圍。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‧‧‧顯示裝置

110‧‧‧鏡架

120‧‧‧投影光學系統

130‧‧‧光波導元件

131‧‧‧第一反射元件

132‧‧‧第二反射元件

133‧‧‧偏振光分光器

140‧‧‧鏡片

150‧‧‧透明膠體

160‧‧‧透明支撐件

EY‧‧‧眼睛

IB‧‧‧影像光束

IS‧‧‧入光面

OS‧‧‧出光面

S130‧‧‧側面

S140‧‧‧表面

Claims (14)

1. 一種顯示裝置，適於配置在一使用者的至少一眼睛前方，包括：一鏡架；一投影光學系統，用以提供一影像光束，配置於該鏡架上；至少一光波導元件，位於該影像光束的傳遞路徑上，其中該至少一光波導元件具有一側面，且該側面具有一第一曲率；以及至少一鏡片，位於該影像光束的傳遞路徑上，其中該至少一光波導元件配置於該至少一鏡片的一表面上，該表面具有一第二曲率，該側面的該第一曲率與該至少一鏡片的該表面的該第二曲率實質相同，以使該側面與該表面相互貼合，且該影像光束經由該至少一光波導元件傳遞至該鏡片後，再經由該鏡片傳遞至該使用者的該眼睛，以顯示一虛像。
2. 如申請專利範圍第1項所述的顯示裝置，其中該至少一光波導元件嵌入該至少一鏡片中。
3. 如申請專利範圍第1項所述的顯示裝置，其中該光波導元件的材質為玻璃或塑膠至少其中之一者。
4. 如申請專利範圍第1項所述的顯示裝置，其中該至少一光波導元件的數量為兩個以上。
5. 如申請專利範圍第1項所述的顯示裝置，其中該光波導元件為散射式波導元件、全像式波導元件、偏光式波導元件或是反射式波導元件至少其中之一者。
6. 如申請專利範圍第1項所述的顯示裝置，其中該至少一光波導元件的數量與該至少一鏡片的數量相對應。
7. 如申請專利範圍第1項所述的顯示裝置，其中該至少一鏡片為處方鏡片。
8. 如申請專利範圍第1項所述的顯示裝置，其中該鏡片的材質為玻璃或塑膠至少其中之一者。
9. 如申請專利範圍第1項所述的顯示裝置，更包括：一透明膠體，設置在該至少一光波導元件與該至少一鏡片之間，其中該透明光學膠體鄰近該至少一鏡片的邊緣。
10. 如申請專利範圍第1項所述的顯示裝置，更包括：一透明支撐件，設置在該至少一鏡片上並鄰接該至少一光波導元件，其中該透明支撐件鄰近該至少一鏡片的邊緣。
11. 如申請專利範圍第1項所述的顯示裝置，其中該光波導元件更包括：一第一反射元件；一第二反射元件；以及一偏振光分光器，其中該影像光束進入該光波導元件後，先經由該第一反射元件反射該影像光束並穿過該偏振光分光器而傳遞至該第二反射元件，再經由該第二反射元件反射該影像光束至該偏振光分光器，並經由該偏振光分光器傳遞該影像光束至該鏡片。
12. 如申請專利範圍第1項所述的顯示裝置，其中該光波導 元件更包括：一第一全像片；一第二全像片；以及一主體，其中該影像光束進入該光波導元件後，先經由該第一全像片反射該影像光束並穿過該主體而傳遞至該第二全像片，再經由該第二全像片傳遞該影像光束至該鏡片。
13. 如申請專利範圍第1項所述的顯示裝置，其中該光波導元件更包括：一入光耦合區域；一出光耦合區域；以及一中間區域，其中該影像光束進入該光波導元件後，先經由該入光耦合區域傳遞該影像光束至該中間區域，並在該中間區域行進而傳遞至該出光耦合區域，再經由該出光耦合區域傳遞該影像光束至該鏡片。
14. 如申請專利範圍第1項所述的顯示裝置，其中該光波導元件更包括：一反射元件；一第一偏振光分光器；以及一第二偏振光分光器，其中該影像光束進入該光波導元件後，先經由該反射元件反射該影像光束而傳遞至該第一偏振光分光器以及該第二偏振光分光器，再藉由該第一偏振光分光器以及該第二偏振光分光器分別將該影像光束傳遞至該使用者的雙眼。