头戴型显示装置的制作方法

本发明是有关于一种头戴型显示装置，尤其是有关于一种具有宽视角的头戴型显示装置。

背景技术：

现行的头戴式显示装置应用于虚拟实境(Virtual Reality)时，其主要是将显示面板的影像画面通过光学系统投射光线至使用者的眼睛，在使用者的眼睛内形成一个虚像。随着科技的蓬勃发展，头戴式显示装置除了休闲娱乐的用途外，还扩大至行车、医疗等应用范畴。弱视患者以及配戴人工视网膜的人通过配戴此种影像显示装置来观看影像画面。

头戴型显示装置的重要规格为：头戴型显示装置允许使用者眼睛看到的视角(Field Of View，FOV)范围以及头戴型显示装置与使用者眼睛之间的适眼距(Eye relief)。然而，以目前一般的头戴型显示装置的设计架构来看，仅能做到100至110度的视角，其主要原因在于当视角加大时，光学系统中的透镜尺寸就会相对的变大，如此会导致整体头戴型显示装置的重量与体积增加。此外，在视角加大的情况下，光学系统中的透镜与使用者眼睛之间的适眼距也会变大，如此同样会迫使透镜尺寸相对变大，增加整体头戴型显示装置的重量与体积。因此，如何针对上述的问题进行改善，实为本领域相关人员所关注的焦点。

“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本领域技术人员所知道的已知技术。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，也不代表在本发明申请前已被本领域技术人员所知晓或认知。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种头戴型显示装置，用以增加使用者的视角，且头戴型显示装置的重量以及体积可有效降低。

为达上述之一部分或全部目的或是其它目的，本发明提供一种头戴型显示装置，用于发出影像光束，并于影像光束的传递路径上形成聚焦区域，头戴型显示装置包括至少一个显示面板、两个第一透镜、两个第二透镜以及多个微结构。显示面板用于提供影像光束。这些第一透镜用于让影像光束通过，并位于显示面板与聚焦区域之间。每一第一透镜包括相对的第一表面与第二表面。每一第一表面为面向聚焦区域的凹面。这些第二透镜用于让影像光束通过，每一第一透镜位于每一第二透镜与聚焦区域之间。这些微结构配置于第一表面与第二表面至少其中之一上。每一第一透镜具有轴心。这些微结构包括靠近轴心的第一群微结构以及远离轴心的第二群微结构。第一群微结构中任两个相邻的微结构之间具有第一夹角。第二群微结构中任两个相邻的微结构之间具有第二夹角，且第一夹角的角度大于第二夹角的角度。

本发明实施例的头戴型显示装置，其主要是将靠近影像光束所形成的聚焦区域的第一透镜设计为曲面，且第一透镜的凹面朝向聚焦区域，并在第一透镜的曲面上配置多个微结构，在这样的结构设计下，无需增加透镜的尺寸，便可有效地加大头戴型显示装置的视角大于110度，并在视角加大的同时，维持适眼距大于100毫米，除此之外，可进一步有效减轻头戴型显示装置的重量及缩小头戴型显示装置的体积，且在这样的结构设计下，可有效修正光学的色差与像差。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明的一实施例的头戴型显示装置的示意图。

图2A为位于参考平面上的多个微结构的示意图。

图2B为多个微结构配置于曲面透镜的示意图。

图3为本发明的另一实施例的头戴型显示装置的示意图。

图4为本发明的另一实施例的头戴型显示装置的示意图。

图5为本发明的又一实施例的头戴型显示装置的示意图。

图6为本发明的再一实施例的头戴型显示装置的示意图。

图7为本发明的另一实施例的头戴型显示装置的示意图。

图8为本发明的又一实施例的头戴型显示装置的示意图。

图9为本发明的再一实施例的头戴型显示装置的示意图。

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，将可清楚地呈现。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。

请参照图1，本发明的一实施例的头戴型显示装置的示意图。本实施例的头戴型显示装置1包括至少一个显示面板11、两个第一透镜12、13、两个第二透镜14、15以及多个微结构16。显示面板11用于提供影像光束IB，并于此影像光束IB的传递路径上形成聚焦区域FA。这些第一透镜12、13用于让影像光束IB通过，且每一第一透镜12、13位于显示面板11与聚焦区域FA之间。这些第一透镜12、13分别包括相对的第一表面121、131与第二表面122、132，在本实施例中，这些第一表面121、131为面向聚焦区域FA的凹面，而这些第二表面122、132为面向显示面板11的凸面。这些第二透镜14、15用于让影像光束IB通过，且每一第一透镜12、13位于每一第二透镜14、15与聚焦区域FA之间。这些第二透镜14、15分别包括相对的第三表面141、151与第四表面142、152。每一第二透镜14、15的第三表面141、151例如是凸面，每一第二透镜14、15的第四表面142、152例如是凹面，也就是说，本实施例的每一第二透镜14、15例如是凸凹透镜，且每一第二透镜14、15的凸面例如是面向聚焦区域FA，每一第二透镜14、15的凹面例如是面向显示面板11，但本发明并不限于此，在其它的实施例中，每一第二透镜14、15的凸面例如是朝向显示面板11，每一第二透镜14、15的凹面例如是朝向聚焦区域FA。

承上述，如图1所示，这些微结构16配置于每一第一透镜12、13的第一表面121、131与第二表面122、132的至少其中之一上，在本实施例中，这些微结构16例如是配置于每一第一透镜12、13的第一表面121、131与第二表面122、132上，以减少第一透镜12、13的厚度。但本发明并不限于此，在一实施例中，这些微结构16例如是仅配置于每一第一透镜12、13的第一表面121、131(即凹面)上，在一实施例中，这些微结构16例如是仅配置于每一第一透镜12、13的第二表面122、132(即凸面)上。

承上述，如图1所示，以配置在第一透镜12的第一表面121上的这些微结构16为例进行说明。本实施例中，这些微结构16包括第一群微结构16’与第二群微结构16”，其中第一群微结构16’靠近第一透镜12的轴心A，第二群微结构16”远离第一透镜12的轴心A，也就是说，第一群微结构16’设置于第一透镜12的轴心A与第二群微结构16”之间。第一群微结构16’中任两个相邻的微结构16之间具有第一夹角θ1，第二群微结构16”中任两个相邻的微结构16之间具有第二夹角θ2，其中第一夹角θ1的角度大于第二夹角θ2的角度，相较于现有技术，这样的设计可大幅增加第一镜片12边缘的曲光能力并维持良好的成像品质，以令使用者的视角大于110度。具体而言，第一群微结构16’中任两个相邻的微结构16分别具有彼此邻接的表面161与表面162，且表面161与表面162之间夹有第一夹角θ1。第二群微结构16”中任两个相邻的微结构16分别具有彼此邻接的表面163与表面164，且表面163与表面164之间夹有第二夹角θ2。此外，配置在另一第一透镜13的第一表面131上的这些微结构16也同样具有与上述相同的结构设计。

值得一提的是，图1所示的多个微结构16例如是符合图2A至图2B所示的多个微结构之间的角度关系，具体说明如下。

请参照图2A至图2B，图2A为位于参考平面上的多个微结构的示意图。图2B为图2A所示的多个微结构配置于曲面透镜的示意图。如图2A所示，参考平面100例如是水平面，位于参考平面100上的这些微结构16中任两个相邻微结构16之间具有夹角θa。如图2B所示，当这些微结构16配置于曲面透镜20的凸面201上后，相同位置上的两个相邻微结构16之间的夹角会由夹角θa转变成夹角θb，而此夹角θb的角度大于夹角θa的角度。再如图2B所示，曲面透镜20的凸面201与另一参考平面200之间具有夹角θc，此参考平面200与参考平面100彼此平行，而夹角θa、θb与θc之间的关系为夹角θc的角度大致等于夹角θa与夹角θb的角度总和。

承上述，请再次参照图1，在本实施例中，头戴型显示装置1的第一透镜12、13具有正屈光度，也就是第一透镜12、13为正透镜，而第二透镜14、15具有负屈光度，也就是第二透镜14、15为负透镜。此外，在本实施例中，这些微结构16例如是具有正屈光度，但本发明并不限于此，在其它的实施例中，这些微结构16可具有负屈光度。但需特别说明的是，在这些微结构16具有负屈光度的实施例中，虽然这些微结构16的屈光度为负屈光度，但这些具有负屈光度的微结构16与具有正屈光度的第一透镜12、13结合后，第一透镜12、13的整体仍为具有正屈光度的透镜。此外，本实施例的这些微结构16例如是菲涅尔透镜(Fresnel lens)结构，但本发明并不限于此，在其它的实施例中，这些微结构16例如是绕射结构。

承上述，请继续参照图1，在本实施例中，头戴型显示装置1的第一透镜12、13例如是球面透镜，然而第一透镜12、13也可以是非球面透镜，本发明并不加以限定第一透镜12、13的类型，可视实际情况的需求而选用不同类型的透镜。此外，在本实施例中，第二透镜14、15例如是球面透镜，然而第二透镜14、15也可以是非球面透镜的其中之一，而第二透镜14、15的其中之一也可以是非球面透镜，本发明并不加以限定第二透镜14、15的类型，可视实际情况的需求而选用不同类型的透镜。此外，在本实施例中，这些微结构16的表面例如是球面，然而微结构16的表面也可以是非球面，本发明并不加以限定这些微结构16的类型，可视实际情况的需求而选用不同类型的微结构16。

需特别说明的是，当本实施例的头戴型显示装置1配戴于使用者的头部上时，显示面板11提供的影像光束IB于传递路径上所形成的聚焦区域FA例如是使用者的眼部位置，但本发明并不将聚焦区域FA限定为使用者的眼部位置。以光学系统架构的角度而言，影像光束IB于传递路径上所形成的聚焦区域FA例如是光瞳(pupil)的配置位置，也就是对通过光学系统的光束有限制作用并进一步限制成像大小或成像空间范围的光学元件─孔径光阑。此外，本实施例的头戴型显示装置1的显示面板11、这些第一透镜12、13以及这些第二透镜14、15例如都配置于框架(在图1中未绘示出)上。

请参照图3，其为本发明的另一实施例的头戴型显示装置的示意图。本实施例的头戴型显示装置1a与图1所示的头戴型显示装置1类似，不同点在于，本实施例的头戴型显示装置1a的这些第二透镜14、15上也配置有多个微结构16a。具体而言，这些微结构16a配置于第二透镜14、15的第三表面141、151与第四表面142、152的至少其中之一，以减少第二透镜14、15的厚度。在本实施例中，这些微结构16a例如是配置于每一第二透镜14、15的第一表面141、151与第二表面142、152上，但本发明并不限于此，在一实施例中，这些微结构16例如是仅配置于每一第二透镜14、15的第三表面141、151(即凸面)上，在一实施例中，这些微结构16a例如是仅配置于每一第二透镜14、15的第二表面142、152(即凹面)上。

请参照图4，其为本发明的另一实施例的头戴型显示装置的示意图。本实施例的头戴型显示装置1b与图3所示的头戴型显示装置1a类似，不同点在于，本实施例的头戴型显示装置1b的每一第二透镜14b、15b的第三表面141b、151b为第一凹面，每一第二透镜14b、15b的第四表面142b、152b为第二凹面，也就是说，本实施例的每一第二透镜14b、15b例如是负屈光度的双凹透镜，且每一第二透镜14b、15b的第一凹面例如是朝向聚焦区域FA，每一第二透镜14b、15b的第二凹面例如是朝向显示面板11，但本发明并不限于此，在其它的实施例中，每一第二透镜14b、15b的第一凹面例如是面向显示面板11，每一第二透镜14b、15b的第二凹面例如是面向聚焦区域FA。此外，微结构16a可选择性地配置于每一第二透镜14b、15b的第三表面141b、151b或第四表面142b、152b至少其中之一上，本发明并不限于此。

请参照图5，其为本发明的另一实施例的头戴型显示装置的示意图。本实施例的头戴型显示装置1c与图3所示的头戴型显示装置1a类似，不同点在于，本实施例的头戴型显示装置1c的每一第二透镜14c、15c的第三表面141c、151c例如是平面，每一第二透镜14c、15c的第四表面142c、152c例如是凹面，也就是说，本实施例的每一第二透镜14c、15c例如是负屈光度的平凹透镜，且每一第二透镜14c、15c的凹面例如是面向显示面板11，每一第二透镜14c、15c的平面例如是面向聚焦区域FA，但本发明并不限于此，在其它的实施例中，每一第二透镜14c、15c的凹面例如是面向聚焦区域FA，每一第二透镜14c、15c的平面例如是面向显示面板11。此外，微结构16a可选择性地配置于每一第二透镜14c、15c的第三表面141c、151c或第四表面142c、152c至少其中之一上，本发明并不限于此。

请参照图6，其为本发明的另一实施例的头戴型显示装置的示意图。本实施例的头戴型显示装置1d与图3所示的头戴型显示装置1a类似，不同点在于，本实施例的头戴型显示装置1d的每一第二透镜14d、15d的第三表面141d、151d例如是第一平面，每一第二透镜14d、15d的第四表面142d、152d例如是第二平面，也就是说，本实施例的每一第二透镜14d、15d例如是负屈光度的双平面透镜，且每一第二透镜14d、15d的第一平面例如是面向聚焦区域FA，每一第二透镜14d、15d的第二平面例如是面向显示面板11，但本发明并不限于此，在其它的实施例中，每一第二透镜14d、15d的第一平面例如是面向显示面板11，每一第二透镜14d、15d的第二平面例如是面向聚焦区域FA。此外，微结构16a可选择性地配置于每一第二透镜14d、15d的第三表面141d、151d或第四表面142d、152d至少其中之一上，本发明并不限于此。需特别说明的是，由于这些微结构16a具有负屈光度，故第二透镜14d、15d可不具有屈光度，以降低第二透镜14d、15d的制造难度。

需特别说明的是，图1、图4至图6所示的第二透镜的种类，例如凸凹透镜、双凹透镜、平凹透镜以及双平面透镜，彼此之间可以相互搭配使用，本发明并不加以限定第二透镜仅能使用单一种类的透镜。举例而言，以图1所示的头戴型显示装置1为例，第二透镜14例如是凸凹透镜，而第二透镜15例如是双凹透镜。

请参照图7，其为本发明的另一实施例的头戴型显示装置的示意图。本实施例的头戴型显示装置1e与图3所示的头戴型显示装置1a类似，不同点在于，本实施例的头戴型显示装置1e还包括两个光学补偿透镜17、19。这些光学补偿透镜17、19用于让显示面板11所发出的影像光束IB通过，且这些光学补偿透镜17、19分别位于显示面板11与这些第二透镜14、15之间。本实施例的光学补偿透镜17、19的功效在于，影像光束IB通过这些光学补偿透镜17、19的补偿后可有助于提高成像的品质。需特别说明的是，本发明并不加以限定光学补偿透镜的数量为两个，在其它的实施例中，光学补偿透镜的数量例如是一个或三个以上，且可依照实际情况的需求而配置在第二透镜14与显示面板11之间或是配置在第二透镜15与显示面板11之间。此外，在本实施例中，这些光学补偿透镜17、19例如是凸凹透镜，但本发明并不限于此，在其它实施例中，这些光学补偿透镜17、19例如是双凹透镜、平凹透镜以及双平面透镜的其中之一。此外，微结构16a可选择性地配置于每一第二透镜14、15的第三表面141、151或第四表面142、152至少其中之一上，本发明并不限于此。

请参照图8，其为本发明的另一实施例的头戴型显示装置的示意图。本实施例的头戴型显示装置1f与图1所示的头戴型显示装置1类似，不同点在于，本实施例的头戴型显示装置1f的显示面板数量例如是两个。这些显示面板11、18用于分别提供第一影像光束IB1与第二影像光束IB2。第一影像光束IB1通过第一透镜12、第二透镜14而于第一影像光束IB1的传递路径上形成第一聚焦区域FA1。第二影像光束IB2通过第一透镜13、第二透镜15而第二影像光束IB2的传递路径上形成第二聚焦区域FA2。此外，微结构16a(未绘示于图8)也可选择性地配置于每一第二透镜14、15的第三表面141、151或第四表面142、152至少其中之一上，本发明并不限于此。

请参照图9，其为本发明的另一实施例的头戴型显示装置的示意图。本实施例的头戴型显示装置1g与图8所示的头戴型显示装置1f类似，不同点在于，本实施例的头戴型显示装置1g的这些显示面板11、18分别由参考平面300朝靠近第一聚焦区域FA1与第二聚焦区域FA2的方向倾斜。以显示面板11为例子进行说明，显示面板11与参考平面300之间具有夹角θ3，举例而言，参考平面300例如是水平面，当显示面板11、18置于参考平面300时，显示面板11、18会分别与参考平面300之间具有夹角，其中参考平面300定义为与重力方向平行。再以第一透镜12以及第一聚焦区域FA1为例子进行说明，第一透镜12包括相对的第一侧面123与第二侧面124，第一侧面123与第二侧面124邻接于第一表面121与第二表面122之间。本实施例的头戴型显示装置1g还包括第一基准线L1以及第二基准线L2。第一基准线L1通过第一透镜12的轴心A以及第一聚焦区域FA1的中心点C1，第二基准线L2通过第二侧面124以及第一聚焦区域FA1的中心点C1。第一基准线L1与第二基准线L2之间具夹角θ4，其中夹角θ4的角度大于夹角θ3的角度，这样的设计可有效地修正光学系统的色差与像差。需特别说明的是，显示面板11、18相对于参考平面300的倾斜角度可不相同，以对使用者的双眼个别进行不同程度的色差或像差修正。此外，微结构16a(未绘示于图9)也可选择性地配置于每一第二透镜14、15的第三表面141、151或第四表面142、152至少其中之一上，本发明并不限于此。

综上所述，本发明实施例的头戴型显示装置，其主要是将靠近影像光束所形成的聚焦区域的第一透镜设计为曲面，且第一透镜的凹面朝向聚焦区域，并在第一透镜的曲面上配置多个微结构，在这样的结构设计下，无需增加透镜的尺寸，便可有效地增加头戴型显示装置的视角大于110度，并在视角加大的同时，维持适眼距大于100毫米，除此之外，可进一步有效减轻头戴型显示装置的重量及缩小头戴型显示装置的体积，且在这样的结构设计下，可有效修正光学的色差与像差。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即所有依本发明权利要求书及说明书所作的简单的等效变化与修改，都仍属本发明专利覆盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须实现本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要和发明名称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书中提及的“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。

附图标记说明

1、1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g：头戴型显示装置

11、18：显示面板

12、13：第一透镜

14、15、14b、15b、14c、15c、14d、15d：第二透镜

16、16a：微结构

16’：第一群微结构

16”：第二群微结构

17、19：光学补偿透镜

100、200、300：参考平面

121、131：第一表面

122、132：第二表面

123：第一侧面

124：第二侧面

141、151、141b、151b、141c、151c、141d、151d：第三表面

142、152、142b、152b、142c、152c、142d、152d：第四表面

161、162、163、164：表面

20：曲面透镜

201：凸面

A：轴心

FA：聚焦区域

FA1：第一聚焦区域

FA2：第二聚焦区域

IB：影像光束

IB1：第一影像光束

IB2：第二影像光束

L1：第一基准线

L2：第二基准线

θ1：第一夹角

θ2：第二夹角

θa、θb、θc、θ3、θ4：夹角