头戴式显示装置的制作方法

本发明涉及显示装置，尤其涉及头戴式显示装置。

背景技术：

头戴式图像显示装置通常是以眼镜、眼罩或头盔等形式，把微型显示器及光学元件固定在使用者眼睛的周围，以通过光学元件将来自微型显示器的图像光束导引至使用者的眼中。

为了避免头戴式显示装置遮蔽到使用者的视线以及提升头戴式显示装置使用上的便利性及安全性，目前头戴式显示装置发展出自由曲面式菱镜设计和导光板式设计。就导光板式设计而言，有技术提出在导光板内嵌入周期性的分光层，也有技术提出在导光板的表面上形成多个微结构，并在微结构上镀上反射膜，以达到将图像光束导引出导光板并传递至使用者眼中的目的。然而，上述技术的制作门槛高，而难以实施。

技术实现要素：

本发明提供一种头戴式显示装置，其制作门槛相对低。

本发明的一种头戴式显示装置，其具有第一入光区以及第一出光区。头戴式显示装置包括第一导光板、第一微型显示器、第一反射镜、第一准直透镜以及第一填充结构。第一导光板具有第一外表面以及与第一外表面相对的第一内表面。第一内表面具有位于第一出光区中的多个第一镂空微结构。第一微型显示器位于第一入光区中且朝向第一内表面。第一反射镜位于第一入光区中、斜向设置在第一导光板且朝向第一微型显示器。第一准直透镜位于第一入光区中且设置在第一反射镜与第一微型显示器之间。第一填充结构填入第一镂空微结构中，其中第一填充结构的折射率大于第一导光板的折射率。

基于上述，导光板对应使用者眼睛的位置具有可将图像光束导引出导光板的镂空微结构，且镂空微结构中填充有折射率相对高的填充结构。因此，图像光束进入第一填充结构后会在填充结构与镂空微结构的交界发生全反射 而传递至使用者的眼中。因此，本发明可以不用通过镀反射膜来达到导引图像光束的目的，从而提升头戴式显示装置在制作上的可行性。

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1A为本发明一实施例的头戴式显示装置的俯视示意图；

图1B为图1A的头戴式显示装置的局部侧视示意图；

图1C至图1F为图像光束在图1A的头戴式显示装置中的传递路径示意图；

图2为本发明另一实施例的头戴式显示装置的俯视示意图。

附图标记说明：

100、200：头戴式显示装置；

110：第一导光板；

112：第一镂空微结构；

120：第一微型显示器；

130：第一反射镜；

140：第一准直透镜；

150：第一填充结构；

152：第一填充微结构；

154：连接结构；

210：第二导光板；

212：第二镂空微结构；

220：第二微型显示器；

230：第二反射镜；

240：第二准直透镜；

250：第二填充结构；

A11：第一入光区；

A12：第一出光区；

A21：第二入光区；

A22：第二出光区

D、D112A：深度；

D1：第一方向；

D2：第二方向；

D3：第三方向；

D110A：厚度；

DMAX：最大厚度；

E1：第一眼；

E2：第二眼；

F：固定装置；

I：交界；

L、L0、L1、L2：图像光束；

S11：第一外表面；

S12：第一内表面；

S21：第二外表面；

S22：第二内表面；

W：宽度；

α、α’、α”、μ、μ’、μ”：入射角；

β、γ：底角；

φ：夹角；

θ：半视角；

θ’、θ”：出射角。

具体实施方式

请先参照图1A及图1B，头戴式显示装置100具有第一入光区A11以及第一出光区A12，其中第一出光区A12可位于第一入光区A11的一侧。然而，入光区与出光区的相对关系及距离可视实际设计需求改变，而不限于图1A所示。

头戴式显示装置100包括第一导光板110、第一微型显示器120、第一反射镜130、第一准直透镜140及第一填充结构150。第一导光板110的折射率 大于1，以通过全反射的方式将光束导引于其中。举例而言，第一导光板110的材质可以是树脂、玻璃、聚碳酸酯(PC)或亚克力(PMMA)等折射率大于1的材质。

第一导光板110的形状可为长方体，且第一导光板110可具有多个平行于由第一方向D1、第二方向D2以及第三方向D3的其中两者所构成的平面，其中第一方向D1、第二方向D2以及第三方向D3彼此垂直。如图1A所示，第一导光板110具有第一外表面S11以及与第一外表面S11相对的第一内表面S12。第一外表面S11以及第一内表面S12均平行于由第一方向D1以及第三方向D3所构成的平面。在实际操作时，第一内表面S12位于第一外表面S11与使用者的第一眼E1之间。

第一内表面S12具有多个第一镂空微结构112，位于第一出光区A12中且对应使用者的第一眼E1设置。第一镂空微结构112适于将传递于第一导光板110中的图像光束L导引出第一导光板110。举例而言，各第一镂空微结构112可为镂空的三角柱状微结构，其中第一镂空微结构112可沿第一方向D1排列，且各第一镂空微结构112可沿第三方向D3延伸。

请配合参阅图1B，在第三方向D3上，第一镂空微结构112的深度D112A可等于第一导光板110的厚度D110A。各第一镂空微结构112在第一方向D1上的宽度W例如落在10微米至100微米的范围内，较佳落在10微米至50微米的范围。此外，在第二方向D2上，各第一镂空微结构112的深度D可小于第一导光板110的最大厚度DMAX。然而，微结构的实际尺寸可依不同的设计需求改变，不限于上述。

第一微型显示器120位于第一入光区A11中且朝向第一内表面S12。在本实施例中，第一内表面S12位于第一微型显示器120与第一外表面S11之间，且来自第一微型显示器120的图像光束L自第一内表面S12进入第一导光板110中。依据不同的需求，第一微型显示器120可选自可见光微型显示器或红外线微型显示器，其中可见光微型显示器可以是微型的有机发光显示器、硅基液晶显示器(Liquiid Crystal on Silicon Display,LCOS Display)或其它能够提供可见光波段的微型显示器。

第一反射镜130位于第一入光区A11中、斜向设置在第一导光板110且朝向第一微型显示器120。具体地，第一反射镜130设置在自第一内表面S12 进入第一导光板110中的图像光束L的传递路径上，用以反射进入第一导光板110中的图像光束L，使图像光束L朝第一镂空微结构112传递。需说明的是，此处的第一反射镜130也可以涵盖到设置于第一导光板110表面上的反射层的实施方式，附图在此省略。

第一准直透镜140位于第一入光区A11中且设置在第一反射镜130与第一微型显示器120之间，以使第一微型显示器120所发出的图像光束L准直地传递至第一导光板110内。第一准直透镜140可以包括单一透镜或多个透镜，所述透镜可选自于球面透镜、非球面透镜、胶合透镜或其组合。第一准直透镜140可承靠在第一导光板110的第一内表面S12，以具有较佳的汇聚效果，但不以此为限。

第一填充结构150填入第一镂空微结构112中，且第一填充结构150的折射率大于第一导光板110的折射率，以使图像光束L进入第一填充结构150后且传递至第一填充结构150与第一镂空微结构112的交界I时通过全反射而传递至使用者的第一眼E1。如此，头戴式显示装置100可以省略反射膜的设置，从而提升头戴式显示装置100在制作上的可行性。

在实际制作上，第一导光板110的材质可选择折射率落在1.3至1.55的范围内的材质，而第一填充结构150的材质可选择折射率落在1.7至2.5的范围内的材质。依据材质的不同，第一导光板110与第一填充结构150各自的制作方法以及第一导光板110与第一填充结构150接合的方式可有所不同。举例而言，当第一导光板110的材质采用折射率约为1.46的聚甲基戊烯(polymethylpentene，TPX)，而第一填充结构150的材质采用折射率约为1.9的玻璃材料(如OHARA公司的S-NPH2)时，第一导光板110与第一填充结构150可以各自成型，然后再通过黏着剂彼此接合。此时，黏着剂的材质例如选用折射率与第一导光板110的折射率相同的材质。

此外，第一填充结构150可具有多个第一填充微结构152。各第一填充微结构152分别填入其中一第一镂空微结构112中，且各第一填充微结构152的形状与各第一镂空微结构112的形状互补。举例而言，各第一填充微结构152可为三角柱状微结构。

第一填充结构150还可选择性地具有连接第一填充微结构152的连接结构154。连接结构154位于第一填充微结构152的一侧，且第一填充微结构 152位于连接结构154与第一导光板110之间。在本实施例中，第一内表面S12仅具有可容纳第一填充微结构152的第一镂空微结构112，因此连接结构154凸出于第一导光板110之外，而第一填充微结构152与连接结构154连接的表面与第一内表面S12齐平，但本发明不限于此。在另一实施例中，第一内表面S12可具有用以容纳连接结构154的凹槽。如此，第一填充结构150可整个填入第一导光板110中。

在实际操作时，图像光束L自头戴式显示装置100射出的角度会与第一导光板110的折射率n1、第一填充结构150的折射率n2、第一反射镜130与第一内表面S12的夹角φ、来自第一准直透镜140的图像光束L的半视角θ等相关。请参照图1C及图1D，图像光束L包括正向入射进第一导光板110的图像光束L0。由图1C可推得图像光束L0在第一反射镜130的入射角恰等于夹角φ。此外，图像光束L0在第一内表面S12以及第一外表面S11的入射角α符合式(1)：

2φ＝α 式(1)。

根据司乃耳定律以及全反射条件，可推得式(2)。请参照图1D，若欲使图像光束L0正向入射进第一镂空微结构112，且在交界I以入射角μ进行全反射时，入射角μ须满足式(3)。另外，由图1D可推得式(4)。结合式(1)及式(4)可推得式(5)：

$\mathrm{\α}>{\sin }^{-1}\frac{1}{n1}$ 式(2)；

$\mathrm{\μ}\≥{\sin }^{-1}\frac{n1}{n2}$ 式(3)；

α+2μ＝180° 式(4)；

μ＝90°-φ 式(5)。

请再参照图1C，考量来自第一准直透镜140的图像光束L的半视角θ，图像光束L1在第一内表面S12以及第一外表面S11的入射角变为α’，而

图像光束L2在第一内表面S12以及第一外表面S11的入射角变为α”。由图1C可推得式(6)。此外，根据司乃耳定律以及全反射条件，入射角α’、α”须满足式(7)。由式(6)及式(7)可推得式(8)：

α'＝2φ-θ,α”＝2φ+θ 式(6)；

${\mathrm{\α}}^{\′}\≥{\sin }^{-1}\frac{1}{n1},{\mathrm{\α}}^{\′\′}\≥{\sin }^{-1}\frac{1}{n1}$ 式(7)；

$\mathrm{\φ}\≥\frac{1}{2}{\sin }^{-1}\frac{1}{n1}+\frac{\mathrm{\θ}}{2},\mathrm{\φ}\≥\frac{1}{2}{\sin }^{-1}\frac{1}{n1}-\frac{\mathrm{\θ}}{2}$ 式(8)。

请参照图1E及图1F，图像光束L1、L2进入第一填充结构150的入射角恰等于半视角θ，且图像光束L1的出射角为θ’，而图像光束L2的出射角为θ”。根据司乃耳定律，出射角θ’、θ”须满足式(9)。此外，图像光束L1在交界I的入射角为μ’，而图像光束L2在交界I的入射角为μ”。由图1E及图1F可推得式(10)。另外，入射角μ’、μ”须满足式(11)以实现全反射。由式(5)、式(9)至式(11)可推得式(12)。综合式(8)及式(12)可得出式(13)。另外，由图1D可推得，第一镂空微结构112靠近第一反射镜130的底角β加上2倍的入射角μ等于180度，又α+2μ＝180°，因此，底角β实质上等于入射角α，即底角β的角度实质上等于2φ。然而，底角β的实际角度可能因制程参数而有±10度的落差。此外，由图1D也可推得，第一镂空微结构112远离第一反射镜130的底角γ等于入射角μ，又μ＝90°-φ，因此，底角γ的角度实质上等于90°-φ。然而，底角γ的实际角度也可能因制程参数而有±10度的落差。

${\mathrm{\θ}}^{\′}={\sin }^{-1}\left(\frac{n1}{n2}\sin \mathrm{\θ}\right),{\mathrm{\θ}}^{\′\′}={\sin }^{-1}\left(\frac{n1}{n2}\sin \mathrm{\θ}\right)$ 式(9)；

μ'＝μ+θ',μ”＝μ-θ” 式(10)；

${\mathrm{\μ}}^{\′}\≥{\sin }^{-1}\left(\frac{n1}{n2}\right),{\mathrm{\μ}}^{\′\′}\≥{\sin }^{-1}\left(\frac{n1}{n2}\right)$ 式(11)；

式(12)；

式(13)。

图2为本发明另一实施例的头戴式显示装置200的俯视示意图，大致相似于图1A的头戴式显示装置100，相似的元件以相同的附图标记表示，不再赘述，主要差异在于，头戴式显示装置200还具有第二入光区A21以及第二出光区A22，且头戴式显示装置200进一步包括第二导光板210、第二微型显示器220、第二反射镜230、第二准直透镜240以及第二填充结构250。

第二导光板210具有第二外表面S21以及与第二外表面S21相对的第二内表面S22。第二内表面S22具有位于第二出光区A22中的多个第二镂空微结构212。第二微型显示器220位于第二入光区A21中且朝向第二内表面S22。第二反射镜230位于第二入光区A21中、斜向设置在第二导光板210且朝向第二微型显示器220。第二准直透镜240位于第二入光区A21中且设置在第二反射镜230与第二微型显示器220之间。第二填充结构250填入第二镂空 微结构212中，其中第二填充结构250的折射率大于第二导光板210的折射率。

第二导光板210、第二微型显示器220、第二反射镜230、第二准直透镜240以及第二填充结构250的相关内容可参见图1A中各相对应元件的描述，于此不再赘述。值得一提的是，当第一微型显示器120以及第二微型显示器220均为可见光微型显示器时，通过使第一微型显示器120所输出的图像光束与第二微型显示器220所输出的图像光束具有视差，则可让配戴头戴式显示装置200的使用者看见立体图像。换句话说，头戴式显示装置200可用于进行3D显示。在本实施例中，头戴式显示装置200还可进一步包括固定装置F，以将第一导光板110、第一微型显示器120、第一反射镜130、第一准直透镜140以及第一填充结构150邻近设置于使用者的第一眼E1，且将第二导光板210、第二微型显示器220、第二反射镜230、第二准直透镜240以及第二填充结构250邻近设置于使用者的第二眼E2。固定装置F可以是眼镜、眼罩、头盔或任何适于将上述构件固定于头上且适于自头上取下的物品，以具有较佳的灵活性及便利性。

综上，本发明上述实施例中的填充结构填入导光板的镂空微结构中，且填充结构的折射率大于导光板的折射率。因此，传递至填充结构的图像光束可通过全反射而传递至使用者的眼中。因此，本发明的头戴式显示装置可以不用通过镀反射膜来达到导引图像光束的目的，从而提升头戴式显示装置在制作上的可行性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。