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：
近眼显示器(neareyedisplay,ned)以及头戴式显示器(head-mounteddisplay,hmd)是当前公认的下一代革命性创新产品。在近眼显示技术的相关应用上，目前分为扩增实境(augmentedreality,ar)技术以及虚拟现实(virtualreality,vr)技术，相关开发人员目前致力于如何在轻薄的前提下提供最佳的影像质量。
在以头戴式显示器实现扩增/虚拟现实的基本光学架构中，用以显示的影像光束由投影装置发出后，经由具半反射半穿透的合光元件反射而进入用户的眼睛。同时，来自外界的环境光束也通过合光元件而进入用户的眼睛，进而达到扩增/虚拟现实的显示效果。一般而言，离开合光元件的影像光束的传递路径上会定义一个特定的可观看区。当使用者的眼睛位于可观看区时，影像光束会进入用户的眼睛，且影像光束经由眼睛的水晶体聚焦在视网膜上成像。
可观看区的大小通常和合光元件的大小有关。在一种公知的头戴式显示器架构中，为了使头戴式显示器具有较大的可观看区，合光元件不能设计得太小，这使得头戴式显示器较为厚重且不利于外观造型的设计。然而，倘若在轻薄的设计前提下将合光元件设计得较小，则可观看区也会随之变小。为了使不同使用者的瞳孔皆能在使用的过程中对位于可观看区，头戴式显示器通常要额外搭配调整装置以将瞳孔对位于可观看区，而造成使用上的不便利。
为了扩大可观看区，在一些公知的头戴式显示器架构中，光扩散片被用以设置在光学系统中以使影像光束扩张后再传递至合光元件。然而，扩张的影像光束需搭配具有相应尺寸的光学元件。因此，此种头戴式显示器的光学系统需设置具较大外径的光学元件以及搭配其他相关光学元件，使得光学系统整体设计难度较高。
“先前技术”段落只是用来说明了解本
技术实现要素：
，因此在“先前技术”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具有通常知识者所知道的公知技术。在“先前技术”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具有通常知识者所知晓或认知。
发明内容
本发明提供一种头戴式显示装置，其兼具使用便利性及轻薄设计的优点。
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。
为达上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提供一种头戴式显示装置，其包括显示器以及合光元件。显示器用于发出影像光束。合光元件包括叠置的多个分光层，且这些分光层包括第一分光层以及第二分光层。影像光束用于经由第一分光层进入合光元件以及离开合光元件。第一分光层位于第二分光层与显示器之间，且第二分光层最靠近第一分光层。合光元件满足：0.7≤r1/(t1×r2×t1)≤1.3。r1为第一分光层的光反射率，t1为第一分光层的光穿透率，且r2为第二分光层的光反射率。
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。在本发明的上述实施例中，头戴式显示装置的合光元件包括叠置的多个分光层，且这些分光层包括第一分光层以及最靠近第一分光层的第二分光层。显示器发出的影像光束用于经由第一分光层进入合光元件以及离开合光元件。在本发明的实施例中，经由这些分光层适当的光反射率以及光穿透率设计，离开合光元件的影像光束会发生扩张而使得头戴式显示装置具有较大的可观看区。在本发明的实施例中，使用者的瞳孔可以轻易地位于可观看区的范围内，使得使用者可以不经由其他调整装置来使其瞳孔对位于可观看区。因此，头戴式显示装置兼具使用便利性以及轻薄设计的优点。另外，由于本发明的实施例的头戴式显示装置可以不经由光扩散片来扩张影像光束，因此头戴式显示装置的设计难度较低而有利于量产。
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，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1a绘示本发明一实施例的头戴式显示装置的概要示意图以及一部分的影像光束的光路示意图。
图1b绘示在图1a实施例的头戴式显示装置中的影像光束的光路示意图。
图2绘示影像光束在图1a实施例的合光元件中传递的光路示意图。
图3绘示本发明另一实施例的合光元件的概要示意图。
图4绘示在本发明又一实施例的头戴式显示装置的概要示意图。
具体实施方式
有关本发明之前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式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，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
图1a绘示本发明一实施例的头戴式显示装置的概要示意图以及一部分的影像光束的光路示意图，且图1b绘示在图1a实施例的头戴式显示装置中的影像光束的光路示意图。然而，图1a绘示影像光束il的几个部分il1、il2与il3，并绘示影像光束il1的一部分、影像光束il2的一部分以及影像光束il3的一部分，从而经由细线状的光束来清楚表示光线的光路径。另外，图1b则绘示影像光束il1、影像光束il2以及影像光束il3行进所涵盖的区域，以例如呈现影像光束扩张的效果。请参考图1a以及图1b。在本实施例中，头戴式显示装置100包括显示器110以及合光元件120。合光元件120包括叠置的多个分光层122，例如沿同一方向平行地堆栈设置，且这些分光层122包括第一分光层122a以及第二分光层122b。第一分光层122a位于第二分光层122b与显示器110之间，且第二分光层122b为这些分光层122之中最靠近第一分光层122a的分光层122。在本实施例中，这些分光层122还包括第三分光层122c，且这些分光层122平行设置。在其他未绘示的实施例中，合光元件120也可仅具有第一分光层122a与第二分光层122b，不以此为限。
在本实施例中，显示器110用于发出影像光束il，且影像光束il用于经由第一分光层122a进入合光元件120以及经由第一分光层122a离开合光元件120。在本实施例中，显示器110例如是包括光源模块112、反射镜114以及光学调整模块116。详细而言，在本实施例中，光源模块112例如是发光二极管(lightemittingdiode,led)或是激光二极管(laserdiode)，也可是背光源(backlightmodule)等，不以此为限。光源模块112用于提供照明光束iw。在本实施例中，反射镜114位于光源模块112与光学调整模块116之间，且反射镜114位于来自于光源模块112的照明光束iw的传递路径上。在本实施例中，反射镜114用于将照明光束iw转换为影像光束il以及将影像光束il提供至光学调整模块116。具体而言，在本实施例中，反射镜114可以是光扫描镜，例如是微机电扫描镜(memsscanningmirror)或数字微镜装置(digitalmicromirrordevice,dmd)，但不以此为限。在本实施例中，反射镜114可以借由电压的驱动而在一个轴或两个轴上进行摆动以反射照明光束iw，以使照明光束iw转换为带有影像信息的影像光束il。
在本实施例中，光学调整模块116位于光源模块112与合光元件120之间且位于反射镜114与合光元件120之间，且合光元件120位于来自于光学调整模块116的影像光束il的传递路径上。具体而言，在本实施例中，光学调整模块116包括第一透镜组117以及第二透镜组118，且第一透镜组117位于第二透镜组118与反射镜114之间。在本实施例中，第一透镜组117位于来自于反射镜114的影像光束il的传递路径上，第一透镜组117将影像光束il收敛成中间像im。详细而言，在本实施例中，中间像im位于第一透镜组117以及第二透镜组118之间。在本实施例中，第二透镜组118位于来自于第一透镜组117的影像光束il的传递路径上，且合光元件120位于来自于第二透镜组118的影像光束il的传递路径上。具体而言，在本实施例中，收敛的影像光束il在通过中间像im所在的位置后，影像光束il产生发散的现象。借由第二透镜组118再次收敛通过第二透镜组118的影像光束il并传递至合光元件120。在本实施例中，第一透镜组117示例性地绘示三个透镜，而第二透镜组118示例性地绘示一个透镜。然而在其他实施例中，光学调整模块116可以依据实际上对于影像光束il进行光学调整的需求而设置其他数量的透镜或其他类型的光学元件，本发明并不以此为限。
在本实施例中，合光元件120包括多个透光结构124，且这些透光结构124叠置，这些分光层122的一部分夹设于相邻的两个这些透光结构124之间并连接于相邻的两个这些透光结构124。详细而言，在本实施例中，这些透光结构124包括第一透光结构124a以及第二透光结构124b。在本实施例中，第一分光层122a以及第二分光层122b分别位于第一透光结构124a的相对两侧，且第二分光层122b以及第三分光层122c分别位于第二透光结构124b的相对两侧。也就是说，在本实施例中，这些分光层122的一部分(如第二分光层122b)夹设于相邻的两个透光结构124之间(如第一透光结构124a与第二透光结构124b)并连接于相邻的两个透光结构124(如第一透光结构124a与第二透光结构124b)。
在本实施例中，这些透光结构124的形状例如是平板状，且这些透光结构124的材质例如是玻璃、压克力、塑料或是其他的透光材质。另外，在本实施例中，这些分光层122例如是对于光线具有半穿透半反射的特性。在本实施例中，当影像光束il传递至各个分光层122时，影像光束il的一部分会在分光层122发生反射，而影像光束il的另一部分可以穿透分光层122。具体而言，在本实施例中，这些分光层122可以例如是镀制(coating)/贴附在这些透光结构124上的膜层，本发明并不以此为限。在其他实施例中，分光层122与透光结构124也可以是分别独立设置的分光片与透光片，本发明并不以此为限。另外，在本实施例中，这些分光层122以及这些透光结构124是交替排列设置的，亦即相邻的两个分光层122之间夹设有一个透光结构124。举例来说，相邻的第一分光层122a与第二分光层122b之间夹设有第一透光结构124a，且相邻的第二分光层122b与第三分光层122c之间夹设有第二透光结构124b。然而，在一些实施例中，相邻的两个分光层122之间可以不夹设透光结构124，本发明不以此为限。或者，在部分实施例中，相邻的两个分光层122之间可以夹设有多个透光结构124，本发明不以此为限。
在本实施例中，进入合光元件120的影像光束il用于依序入射这些分光层122，且这些分光层122分别用于反射部分的影像光束il以形成相互平行的多个反射光束(容后详述)。具体而言，在本实施例中，影像光束il以自第一分光层122a至第二分光层122b的方向进入合光元件120并依序入射这些分光层122，且影像光束il以自第二分光层122b至第一分光层122a的方向依序出射这些分光层122以离开合光元件120。在本实施例中，当使用者配戴头戴式显示装置100时，使用者的眼睛例如是位于可观看区oa的位置。在本实施例中，可观看区oa位于离开合光元件120的影像光束il的传递路径上。在本实施例中，传递至可观看区oa的影像光束il可进入用户的眼睛，且影像光束il可经由眼睛的水晶体聚焦在视网膜上成像，以令用户观看到影像光束il所对应的影像画面，但在其他实施例中，头戴式显示装置100使得影像光束il成像于可观看区oa，设计者可于可观看区oa设置影像捕获装置，例如摄像机(camera)等撷取影像，但不以此为限。
图2绘示影像光束在图1a实施例的合光元件中传递的光路示意图，请参考图1a、图1b以及图2。具体而言，合光元件120例如是相对于影像光束il的入射方向为倾斜，使得影像光束il入射第一分光层122a的入射角θ大于0度且小于90度。请参考图2，在本实施例中，在第一分光层122a发生反射现象的影像光束il形成出射光束ex1。在本实施例中，穿透第一分光层122a的部分影像光束il被第二分光层122b反射之后再次穿透第一分光层122a以形成出射光束ex2。在本实施例中，依序穿透第一分光层122a以及第二分光层122b的部分影像光束il被第三分光层122c反射之后再依序穿透第二分光层122b以及第一分光层122a以形成出射光束ex3。因此，在本实施例中，入射第一分光层122a的影像光束il离开合光元件120之后，形成相互平行的出射光束ex1、出射光束ex2以及出射光束ex3。在本实施例中，被多个分光层122所反射的出射光束ex1、出射光束ex2与出射光束ex3构成影像光束(反射光束)rl。由上述可知，在本实施例中，相较于进入合光元件120之前的影像光束il，离开合光元件120之后的影像光束rl较为扩张。因此，本实施例可有效扩张可观看区oa的长度。
请继续参考图2，在本实施例中，当第一透光结构124a具有厚度t1且第二透光结构124b具有厚度t2时，影像光束rl的扩张(expanded)长度e可经由以下公式进行计算：
在本实施例中，nd1为第一透光结构124a的折射率，且nd2为第二透光结构124b的折射率。
另外，在本实施例中，这些分光层122的光反射率(reflectivity)以及光穿透率(transmittance)会进行适当的设计，以使出射光束ex1、出射光束ex2以及出射光束ex3的光强度大致保持一致。因此，当用户观看到影像光束rl对应的影像画面(未绘示)时，用户观看到的影像画面的光强度分布平均，而不会有某一侧亮度较低或较高的情形。在本实施例中，光强度例如是光能量或亮度。具体而言，出射光束ex1、出射光束ex2以及出射光束ex3的光强度可表示为以下公式：
i1＝r1-----------(2)
i2＝t1×r2×t1-----------(3)
i3＝t1×t2×r3×t2×t1-----------(4)
在本实施例中，i1为出射光束ex1的光强度，i2为出射光束ex2的光强度，且i3为出射光束ex3的光强度。在本实施例中，r1为第一分光层122a的光反射率，且t1为第一分光层122a的光穿透率。在本实施例中，r2为第二分光层122b的光反射率，且t2为第二分光层122b的光穿透率。在本实施例中，r3为第三分光层122c的光反射率。在本实施例中，i1＝r1，i2＝t1×r2×t1，i3＝t1×t2×r3×t2×t1。
在本实施例中，合光元件120满足以下公式：
t1＞t2＞t3-----------(5)
r1＜r2＜r3-----------(6)
在本实施例中，t3为第三分光层122c的光穿透率。
在本实施例中，这些分光层122的光穿透率以及光反射率可借由镀膜的材料或参数调整而实现。在本实施例中，为了至少使出射光束ex1的光强度i1以及出射光束ex2的光强度i2大致保持一致，出射光束ex1的光强度i1以及出射光束ex2的光强度i2的比值落在0.7至1.3的范围内。也就是说，本实施例的合光元件120满足以下公式：
0.7≤r1/(t1×r2×t1)≤1.3-----------(7)
在本实施例中，r1(即第一分光层122a的光反射率)例如是落在3％至17％的范围内，但本发明并不以此为限。另外，在本实施例中，当合光元件120可以满足以下公式时，影像画面的光强度分布可更为平均，以实现较佳的显示效果：
0.8≤r1/(t1×r2×t1)≤1.2-----------(8)
此外，在本实施例中，当出射光束ex1的光强度i1以及出射光束ex2的光强度i2的比值等于1或近似于1时，影像画面的光强度分布可趋近于十分理想的状态。类似地，在本实施例中，当出射光束ex1的光强度i1以及出射光束ex3的光强度i3的比值等于1或近似于1时，影像画面的光强度分布可趋近于十分理想的状态。类似地，在本实施例中，当出射光束ex2的光强度i2以及出射光束ex3的光强度i3的比值等于1或近似于1时，影像画面的光强度分布可趋近于十分理想的状态。
详细而言，在本实施例中，影像光束il可以是极化光(polarizedlight)或非极化光(non-polarizedlight)，而这些分光层122的穿透特性(如上述t1至t3)或反射特性(如上述r1至r3)可以是针对极化光或是针对非极化光，本发明并不以此为限。
在其他实施例中，当透光结构124有n个时，合光组件120满足t1＞t2＞t3＞...＞tn以及r1＜r2＜r3＜...＜rn；此外，当
请再参考图1a以及图1b，在本实施例中，来自外界的环境光束al用于通过这些分光层122。在本实施例中，环境光束al例如是以自第二分光层122b至第一分光层122a的方向依序通过这些分光层122，且通过这些分光层122的环境光束al可以进入使用者的眼睛。也就是说，在本实施例中，合光元件120可用以合并影像光束il以及环境光束al，并将影像光束rl以及环境光束al提供至使用者的眼睛。在本实施例中，当头戴式显示装置100放置于用户的眼睛前方且影像光束rl以及环境光束al进入使用者的眼睛时，用户可以观看到影像光束rl对应的影像画面(未绘示)，也就是说，使用者可同时观看到环境光束al对应的外界影像(未绘示)以及影像光束rl对应的影像画面(未绘示)，从而实现扩增实境(augmentedreality,ar)/虚拟现实(virtualreality,vr)/混合实境(mixedreality,mr)的显示效果。
在本实施例中，离开合光元件122的影像光束rl会发生扩张而使得头戴式显示装置100具有较大的可观看区oa。例如，可观看区oa的面积可增加至大于9.4平方毫米(mm2)。因此，在正常的使用情境下，使用者的瞳孔可以轻易地位于可观看区oa的范围内，使得使用者可以不经由其他调整装置来使其瞳孔对位于可观看区oa。因此，头戴式显示装置100可以省略设置调整装置，进而节省体积与减轻重量，且使用者也可以节省操作调整装置的时间，使得头戴式显示装置100兼具使用便利性以及轻薄设计的优点。另外，传统的头戴式显示装置需在中间像im所在的位置设置光扩散片以扩张影像光束，然而，在本实施例中，头戴式显示装置100可以借由合光元件120扩张影像光束il，因而可以不用设置光扩散片来扩张影像光束il。也就是说，在本实施例中，影像光束il发生扩张效果的时机是在行经合光元件120之后。因此，头戴式显示装置100可以具有简洁的设计，并可以省略设置配合光扩散片的相关光学元件，使得头戴式显示装置100的设计难度较低而有利于量产。
详细而言，在本实施例中，合光元件120具有的这些分光层122的数量为三。然而，在一些实施例中，合光元件120也可以具有其他数量的分光层122，本发明并不以此为限。具体而言，在一些实施例中，当这些分光层122的数量大于二，且这些分光层122的数量小于或等于五时，则可以保持影像光束il较佳的均匀性，且这些分光层122的制作难度与复杂度不致过高。因此，头戴式显示装置100不但具有前述的技术效果，且头戴式显示装置100符合良好的成本效益。
图3绘示本发明另一实施例的合光元件的概要示意图，请参考图3。在本实施例中，合光元件320类似于图1a至图2实施例的合光元件120。合光元件320的构件以及相关叙述可以参考图1a至图2实施例的合光元件120的构件以及相关叙述，在此不再赘述。合光元件320与合光元件120的差异如下所述。在本实施例中，合光元件320包括多个分光层322以及多个透光结构324。在本实施例中，这些分光层322的一部分夹设于相邻的两个这些透光结构324之间，且这些分光层322的一部分连接于相邻的两个这些透光结构324的其中一个且分离于相邻的两个这些透光结构324的另一个。详细而言，在本实施例中，这些分光层322包括第一分光层322a、第二分光层322b以及第三分光层322c，且这些透光结构324包括第一透光结构324a、第二透光结构324b以及第三透光结构324c。在本实施例中，第二分光层322b夹设于相邻的第一透光结构324a与第二透光结构324b之间，第三分光层322c夹设于相邻的第二透光结构324b与第三透光结构324c之间。在本实施例中，第二分光层322b连接于第二透光结构324b且分离于第一透光结构324a。在本实施例中，第三分光层322c连接于第三透光结构324c且分离于第二透光结构324b。具体而言，采用本实施例的合光元件320的头戴式显示装置至少可以获致如图1a至图2实施例的头戴式显示装置100所述的功效。采用本实施例的合光元件320的头戴式显示装置兼具使用便利性及轻薄设计的优点，且头戴式显示装置的设计难度较低而有利于量产。
详细而言，在一些未绘示的实施例中，可以在相邻的两个透光结构之间设置多个分光层，或者，也可以在相邻的两个透光结构之间不设置任何分光层。分光层的设置位置以及透光结构的设置位置并不加以限制，且分光层的数量以及透光结构的数量也不加以限制。此外，在部分未绘示的实施例中，第一透光结构324a的相对两个表面可分别设置两个分光层，即其中一个表面设置第一分光层322a，另一个表面设置另一分光层。类似地，在部分未绘示的实施例中，第二透光结构324b的相对两个表面可分别设置两个分光层，即其中一个表面设置第二分光层322b，另一个表面设置另一分光层。类似地，在部分未绘示的实施例中，第三透光结构324c的相对两个表面可分别设置两个分光层，即其中一个表面设置第三分光层322c，另一个表面设置另一分光层。然而，本发明不以上述实施例为限。
图4绘示在本发明又一实施例的头戴式显示装置的概要示意图，请参考图4。具体而言，本发明的实施例的头戴式显示装置400的构件相关叙述可以由图1a至图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。在本实施例中，头戴式显示装置400包括显示器410以及合光元件420。显示器410用于发出影像光束il。合光元件420包括叠置的多个分光层422，且这些分光层422包括第一分光层422a以及第二分光层422b。影像光束il用于经由第一分光层422a进入合光元件420以离开合光元件420。第一分光层422a位于第二分光层422b与显示器410之间，且第二分光层422b最靠近第一分光层422a。另外，合光元件420满足：0.7≤r1/(t1×r2×t1)≤1.3；其中，r1为第一分光层422a的光反射率，t1为第一分光层422a的光穿透率，且r2为第二分光层422b的光反射率。在本实施例中，第一分光层422a以及第二分光层422b例如分别位于一个透光结构的相对两侧，本发明不以此为限。在其他未绘示的实施例中，第一分光层422a与第二分光层422b之间也可以不夹设透光结构，本发明不以此为限。
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。在本发明的上述实施例中，头戴式显示装置的合光元件包括叠置的多个分光层，且这些分光层包括第一分光层以及最靠近第一分光层的第二分光层。显示器发出的影像光束用于经由第一分光层进入合光元件以及离开合光元件。在本发明的实施例中，经由这些分光层适当的光反射率以及光穿透率设计，离开合光元件的影像光束会发生扩张而使得头戴式显示装置具有较大的可观看区。在本发明的实施例中，使用者的瞳孔可以轻易地位于可观看区的范围内，使得使用者可以不经由其他调整装置来使其瞳孔对位于可观看区。因此，头戴式显示装置具有使用便利性以及轻薄设计的优点。另外，由于本发明的实施例的头戴式显示装置可以不经由光扩散片来扩张影像光束，因此头戴式显示装置的设计难度较低而有利于量产。
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，即大凡依本发明权利要求及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，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申请专利范围不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利档搜寻之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或申请专利范围中提及的“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。