本发明涉及一种显示装置，且特别涉及一种头戴式显示装置。
背景技术：
近眼显示装置(neareyedisplay，ned)或头戴式显示装置(head-mounteddisplay，hmd)是目前极具潜力的穿戴式显示装置。近眼显示装置在应用上以是否能够同时观看到环境影像，而可分为扩增实境(augmentedreality，ar)与虚拟实境(virtualreality，vr)两类。对于虚拟实境而言，讲究的是沉浸在虚拟世界的真实感，亦即超越眼睛极限的广视角。扩增实境的需求则是如何在体积轻量化的前提下，提供最佳的影像品质。目前扩增实境的头戴式显示装置，其光学技术发展的关键在于如何同时兼顾视角(fieldofview，fov)、体积、重量与外观性这四项关键需求。
“背景技术”段落只是用来帮助了解本
技术实现要素：
，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成所属技术领域中普通技术人员所知道的公知技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被所属技术领域中普通技术人员所知晓或认知。
发明内容
本发明提供一种头戴式显示装置，让使用者的可视角(fieldofview，fov)扩大、将头戴式显示装置的体积缩小以及重量减轻。
本发明提供一种头戴式显示装置，其外观时尚，且可提供良好的配戴舒适性。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提 出一种头戴式显示装置，其包括装置本体以及影像显示装置。装置本体包括第一部分以及与第一部分连接的第二部分。影像显示装置设置于装置本体。影像显示装置用于将影像画面投射至投影目标。影像显示装置包括影像输出元件、多个透镜元件以及成像元件。影像输出元件输出影像光束经由透镜元件传递至成像元件。成像元件将影像光束以虚像投影方式投射至投影目标，以显示影像画面。影像输出元件以及透镜元件设置在装置本体的第一部分。投影目标位于参考面，影像输出元件在参考面上的投影位在投影目标的上方。
基于上述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。本发明实施例的影像显示装置，其中各光学元件至少在装置本体的第一部分分散配置，因此头戴式显示装置的外观时尚，且可提供良好的配戴舒适性，也可让使用者的可视角(fieldofview，fov)扩大、将头戴式显示装置的体积缩小以及重量的减轻。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是示出本发明一实施例的头戴式显示装置的概要示意图。
图2是示出本发明另一实施例的头戴式显示装置的概要示意图。
图3是示出本发明另一实施例的头戴式显示装置的概要示意图。
图4是示出本发明一实施例的影像显示装置的光学概要示意图。
图5是示出本发明一实施例的光源模组的光学概要示意图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
图1是示出本发明一实施例的头戴式显示装置的概要示意图。请参考图1，本实施例的头戴式显示装置100包括装置本体110以及影像显示装置 120。装置本体110包括第一部分112以及与第一部分112连接的第二部分114。在本实施例中，装置本体110例如包括眼镜，但眼镜的型态并不用以限定本发明。第一部分112包括镜框、镜架以及鼻垫三者中的至少其中之一。在本实施例中，镜框、镜架以及鼻垫例如是分别制作后再以螺丝等类似的固定元件(fixer)加以组装。在一实施例中，镜框、镜架以及鼻垫三者也可一体成型。本发明对装置本体110的型态并不加以限制。第二部分114包括镜片，其数量例如是一个或两个以上，并且组装在镜框上。在其他实施例中，第一部分112与第二部分114为一体成型，例如护目镜(goggle)架构。
在本实施例中，影像显示装置120设置于装置本体110。影像显示装置120用于将影像画面，以虚像投影方式投射至投影目标。投影目标例如使用者的眼睛(图4的投影目标800)。在本实施例中，影像显示装置120包括光源模组122、影像输出元件126、成像元件128、多个透镜元件121_1、121_2、121_3以及面镜元件123。在本实施例中，透镜元件121_1、121_2、121_3设置在影像光束l2的传递路径上，且透镜元件121_1、121_2、121_3设置在影像输出元件126以及成像元件128之间。面镜元件123设置在影像光束l2的传递路径上，且面镜元件123设置在透镜元件121_2、121_3之间。在本实施例中，光源模组122、影像输出元件126、多个透镜元件121_1、121_2、121_3以及面镜元件123分散设置在装置本体110的第一部分112。举例而言，光源模组122可设置在镜架。影像输出元件126可设置在镜框。透镜元件121_1、121_2、121_3分散设置在装置本体110的第一部分112中。在本实施例中，成像元件128设置在装置本体110的第一部分112与第二部分114两者中的其中之一。举例而言，成像元件128例如可以整合在眼镜的镜片上，或者是位于镜片内侧紧贴于镜片处，成像元件128例如是半穿透半反射镜片或是分光镜，例如以涂布方式形成于镜片上，但不限于此。
在本实施例中，光源模组122用于输出照明光束l1至影像输出元件126。影像输出元件126调变照明光束l1，并输出影像光束l2至透镜元件121_1、121_2、121_3以及面镜元件123。影像光束l2经由透镜元件121_1、121_2、121_3以及面镜元件123传递给成像元件128。成像元件128再将 影像光束l2以虚像投影方式投射至投影目标，以显示影像画面。在本实施例中，面镜元件123用于改变影像光束l2的传递路径。举例而言，面镜元件123包括反射镜，其用于将影像光束l2从透镜元件121_2反射至透镜元件121_3。本实施例的面镜元件123的数量是以一个为例，但依据不同光路的设计方式，面镜元件123的数量也可以是多个。本发明对面镜元件123的数量并不加以限制。
在本实施例中，环境光束l3例如穿透装置本体110的第二部分114并且投射至投影目标，从而头戴式显示装置100可提供扩增实境的功能。但本发明实施例将影像显示装置120中各元件分散设置的方式也可应用在虚拟实境或混合实境(mixedreality，mr)的头戴式显示装置，本发明对影像显示装置120的应用层面并不加以限制。
在本实施例中，影像输出元件126、透镜元件121_1、121_2、121_3以及面镜元件123沿着第一部分112与第二部分114分布。举例而言，在本实施例中，影像输出元件126、透镜元件121_1、121_2、121_3以及面镜元件123的分布区域例如是在第一部分112与第二部分114连接之处的邻近区域。在本实施例中，经过调制过后符合影像输出元件126需求的照明光束l1从光源模组122发出。照明光束l1经过影像输出元件126后，成为带有影像资讯的光束(即影像光束l2)。之后，影像光束l2再经过透镜元件121_1、121_2、121_3以及面镜元件123与成像元件128后入射使用者的眼睛，并经由其水晶体将影像光束l2聚焦在视网膜上成像(例如为虚像)。
本发明的实施例对装置本体(例如眼镜)的型态并不加以限制。图2是示出本发明另一实施例的头戴式显示装置的概要示意图。请参考图1及图2，本实施例的头戴式显示装置200类似于图1实施例的头戴式显示装置100，但两者之间的差异主要例如在于装置本体210的型态以及透镜元件的数量。举例而言，在本实施例中，装置本体210的第一部分212例如没有将第二部分214的边缘完全包覆。在本实施例中，透镜元件的数量为2，且分别设置在影像光束l2的传递路径上影像输出元件226与面镜元件223之间以及面镜元件223与成像元件228之间。
在本实施例中，投影目标位于参考面，且影像输出元件226在参考面上的投影位在投影目标的上方。举例而言，投影目标例如是使用者900的 眼睛，参考面例如是使用者900的脸面。在本实施例中，影像输出元件226在使用者900的脸面上的投影位于眼睛上方靠近眉毛处。也就是说，影像输出元件226在参考面上的投影位在投影目标的上方。在本实施例中，透镜元件221_1、221_2位于眼睛内侧，靠近鼻梁、远离耳朵之处。
在本实施例中，以使用者900为基准，光源模组222设置于使用者900的左侧。光路的行进方向为由左至右再偏回左。亦即影像光束l2从使用者900的眉毛传递到鼻梁，再从鼻梁传递到眼睛。此外，在本实施例中，成像元件228可以整合在镜片上与镜片结合成为一体，或是如图1所示，位在镜片内侧紧贴镜片之处。在本实施例中，光源模组310例如如图1至图3所示设置在眼镜的镜架之处。但本发明对光源模组310的设置位置并不加以限制。在一实施例中，依据实际设需求，光源模组310也可以设置在镜框或其他适合之处。
另外，本实施例的头戴式显示装置200，其各部分元件的设置位置及操作方式可以由图1实施例的叙述中获致足够的教示、建议与实施说明，因此不再赘述。
图3是示出本发明另一实施例的头戴式显示装置的概要示意图。请参考图3，请参考图1及图3，本实施例的头戴式显示装置400类似于图1实施例的头戴式显示装置100，但两者之间的差异主要例如在于装置本体410的型态、透镜元件的数量以及面镜元件的数量。此外，为简要说明起见，图3并未示出光源模组。
具体而言，在本实施例中，透镜元件的数量为4，分别是透镜元件421_1、421_2、421_3、421_4。透镜元件421_1、421_2、421_3设置在影像光束l2的传递路径上，位于影像输出元件426以及面镜元件423_1之间。透镜元件421_4设置在影像光束l2的传递路径上，位于面镜元件423_2与成像元件428之间。成像元件428例如设置于第一部分412邻近鼻垫。在本实施例中，面镜元件的数量为2，分别是面镜元件423_1、423_2。面镜元件423_1、423_2设置在影像光束l2的传递路径上透镜元件421_3与透镜元件421_4之间。
在本实施例中，透镜元件421_1与面镜元件423_1在光轴a上的距离是d1，面镜元件423_1与面镜元件423_2在光轴a上的距离是d2，面镜元 件423_2与透镜元件421_4在光轴a上的距离是d3，以及成像元件428与投影目标700的距离为d4。在本实施例中，距离d1、d2、d3的总和与距离d4的比值介于2至2.5之间，可提升影像显示装置420的成像品质。举例而言，在一实施例中，距离d1、d2、d3的总和例如是38.33毫米，距离d4例如是16.5毫米，两者的比值约为2.3。上述距离的比值及其大小仅用以例示说明，本发明并不限于此。
另外，本实施例的头戴式显示装置400，其各部分元件的设置位置及操作方式可以由图1及图2实施例的叙述中获致足够的教示、建议与实施说明，因此不再赘述。
图4是示出本发明一实施例的影像显示装置的光学概要示意图。图5是示出本发明一实施例的光源模组的光学概要示意图。请参考图4及图5，本实施例的影像显示装置300包括光源模组310、影像输出元件326、镜片模组330以及成像元件328。在本实施例中，镜片模组330设置在影像光束l2的传递路径上的影像输出元件326以及成像元件328之间。镜片模组330例如包括一个或多个透镜元件，一个或多个面镜元件及其组合。本发明对镜片模组330所包括的光学元件种类并不加以限制。
在本实施例中，光源模组310包括发光元件322、透镜元件312、光传递元件324以及光准直元件314。在本实施例中，透镜元件312设置在照明光束l1的传递路径上的发光元件322以及光传递元件324之间。光准直元件314设置在照明光束l1的传递路径上的光传递元件324以及影像输出元件326之间。
具体而言，在本实施例中，发光元件322提供影像输出元件326需求的照明光束l1，并且输出照明光束l1至透镜元件312。透镜元件312将照明光束l1聚焦至光传递元件324。光传递元件324将照明光束l1从透镜元件312传递至光准直元件314。接着，光准直元件314将照明光束准直化，并且传递准直化的照明光束l1至影像输出元件326。
影像输出元件326依据照明光束l1输出影像光束l2至镜片模组330。镜片模组330再将影像光束l2聚焦至成像元件328。成像元件328将影像光束l1投射至投影目标800，以显示影像画面。投影目标800例如是使用者的眼睛。
在本实施例中，透镜元件312及镜片模组330包括的透镜元件例如是透镜(lens)、面镜(mirror)、曲面镜(curvemirror)、棱镜(prism)、面棱镜(mirror-prism)、面透镜(mirror-lens)或者棱透镜(pirsm-lens)等等各种不同型态的透镜元件的组合。本发明对透镜元件312及镜片模组330的种类并不加以限制。
在本实施例中，光传递元件324例如是波导管(waveguide)、光纤元件(opticalfiber)、积分柱(integralrod)或光纤管(lightpipe)等类似的元件，本发明对光传递元件324的种类并不加以限制。在本实施例中，至少为了让从光传递元件324输出的照明光束l1的光形分布符合影像输出元件326的需求，在光纤元件324与影像输出元件326之间会设置光准直元件314，以调整照明光束l1进入影像输出元件326的光形分布。光准直元件314可以例如是菲涅耳透镜(fresnellens)、液晶透镜(liquidcrystallens)或是梯度折射率透镜(gradientreflectiveindexlens，grinlens)。本发明对光准直元件314的种类并不加以限制，其中光准直元件314提供的准直的照明光束l1照射于影像输出元件326的面积大于影像输出元件326的有效出光面积。而所谓影像输出元件326的有效出光面积为影像输出元件326调变照明光束l1的面积，例如液晶面板中液晶可调变的区域面积，影像输出元件326可为微反射镜dmd等光调变装置
在本实施例中，成像元件328用于改变从镜片模组330接收到影像光束l2的行进方向，以将影像光束l2传导至投影目标800，并且不会完全环境光束l3，让使用者可透视看到环境的影像。在本实施例中，成像元件328例如是半穿透半反射的光学元件、曲面半反射镜(curvehalf-mirror)、液晶透镜(liquidcrystallens)、衍色元件(diffractioncomponent)、全像素元件(holographycomponent)、菲涅耳透镜(fresnellens)等类似的光学元件。本发明对成像元件328的种类并不加以限制。
在本实施例中，影像显示装置300在其对应的装置本体上的设置方式例如是如图1、图2或图3的头戴式显示装置100、200或400。另外，本实施例的影像显示装置300，其各部分元件的设置位置及操作方式可以由图1、图2及图3实施例的叙述中获致足够的教示、建议与实施说明，因此不再赘述。
综上所述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。本发明实施例的影像显示装置，其中的各光学元件在装置本体上分散配置。此种配置方式可改善装置本体上各光学元件集中配置所造成的空间拥挤的情形，其重量也分别由使用者的不同部位来承受。因此，头戴式显示装置的重量分配平均，可提供良好的配戴舒适性。另外，由于成像元件整合在眼镜的镜片上，或者是位在镜片内侧紧贴镜片，因此，头戴式显示装置的外观时尚，可大幅降低突兀感与违和感。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求及发明内容所作的简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要和标题仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。
【符号说明】
100、200、400：头戴式显示装置
110、210、410：装置本体
112、212、412：第一部分
114、214、414：第二部分
120、220、300、420：影像显示装置
121_1、121_2、121_3、221_1、221_2：透镜元件
122、222、310：光源模组
123、223：面镜元件
126、226、326、426：影像输出元件
128、228、328、428：成像元件
312：透镜元件
314：光准直元件
322：发光元件
324：光传递元件
330：镜片模组
700、800：投影目标
900：使用者
l1：照明光束
l2：影像光束
l3：环境光束
d1、d2、d3、d4：距离
a：光轴