技术领域
[0001] 本
发明是有关于一种光学模块以及显示装置，且特别是有关于一种光传递模块以及头戴式显示装置。
背景技术
[0002] 随着显示技术的进步及人们对于高科技的渴望，虚拟实境(virtual reality)与扩充实境(augmented reality)的技术已渐趋成熟，其中
头戴式显示器(head mounted display，HMD)则是用以实现此技术的显示器。头戴式显示器的发展历史可以追溯到1970年代的美国军方，其利用一个光学投影系统，将显示器元件上的影像或文字信息投影到使用者的眼中。近年来，随着微型显示器中的解析度越来越高，尺寸功耗越来越小，头戴式显示器亦发展成为一种携带式(portable)显示装置。除了在军事领域外，其他诸如工业生产、模拟训练、立体显示、医疗、运动、导航和
电子游戏等相关领域，头戴式显示器的显示技术亦皆有所成长而占据了重要的地位。
[0003] 现有一种利用
波导板(waveguide)作为光学组件(combiner)的头戴式显示装置。此种采用波导板的头戴式显示装置可具有较薄的厚度(约薄至1.5毫米左右)，且可利用复制输出瞳(output pupil)的机制放大眼箱(eye box)或是所谓的出射瞳(exit pupil)的范围，使得人眼在有较大位移量时仍可看到完整影像。
[0004] 然而，此种头戴式显示装置由于具有多个输出瞳，因此当同一个
角度的光或是相同的影像资讯从相邻两个以上的输出瞳投射至眼睛瞳孔里时，人眼即会看到叠影。因此，此种头戴式显示装置所显示的虚像的清楚成像处皆是预设于无穷远或者一个够远的距离之处，以使所显示的虚像远大于相同的影像资讯的错位而不易观察到叠影的现象。然而，若在有近距离(如：人眼的明视距离，即25厘米至3米的距离范围)的影像显示需求的环境下，比如说立体影像显示模式或者互动模式等，上述的叠影现象就易被人眼所观察到，而不利于使用。
[0005] “背景技术”部分只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”部分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，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
[0006] 本发明提供一种光传递模块，能消除人眼在观测近距离的影像时所生的叠影。
[0007] 本发明提供一种头戴式显示装置，能消除人眼在观测近距离的影像时所生的叠影。
[0008] 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。
[0009] 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光传递模块，用以传递一影像光束至一使用者的至少一眼睛。光传递模块包括一波导以及一第一透镜。波导位于影像光束的传递路径上。波导包括相对的一第一侧面及一第二侧面。波导包括多个分光片，多个分光片配置于第一侧面及第二侧面之间。各分光片用于使通过的影像光束形成为一第一影像光束与一第二影像光束。第一影像光束穿透分光片后传递至另一分光片。第二影像光束经由分光片反射后自波导的第一侧面出光，且第二影像光束被传递至使用者的至少一眼睛，以显示一虚像。第一透镜具有负屈光
力。第一透镜配置于波导的第一侧面及使用者的至少一眼睛之间且位于第二影像光束的传递路径上，用于使以相同角度自波导的不同分光片反射的多个第二影像光束所显示的多个虚像于第一透镜的一焦平面上重合。
[0010] 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。头戴式显示装置用于配置在一使用者的至少一眼睛前方，包括一显示模块以及一上述的光传递模块。显示模块用于提供一影像光束，且光传递模块用以传递影像光束至使用者的至少一眼睛。
[0011] 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。在本发明的实施例中，光传递模块与头戴式显示装置借由第一透镜的配置，而使得以相同角度自波导的不同分光片反射出波导的多个第二影像光束所显示的多个虚像能于第一透镜的一焦平面上重合。如此，能消除人眼在观测近距离的影像时所生的叠影现象，并能藉此提升头戴式显示装置的显示品质以及使用者的舒适性。
[0012] 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
[0013] 图1是本发明一实施例的一种头戴式显示装置的架构示意图。
[0014] 图2是本发明一比较例的一种头戴式显示装置所显示虚像的光路示意图。
[0015] 图3A是图1的光传递模块所显示虚像的光路示意图。
[0016] 图3B是图1的光传递模块所显示实像的光路示意图。
[0017] 图4A与图4B是本发明一实施例的各种光传递模块的架构示意图。
[0018] 图5是本发明一实施例的另一光传递模块的架构示意图。
[0019] 图6A至图6C是本发明一实施例的另一种头戴式显示装置于不同时刻中所显示的虚像的光路示意图。
[0020] 图7A为图2的头戴式显示装置所形成之具有叠影现象的虚像示意图。
[0021] 图7B为图3A的头戴式显示装置所形成之不具有叠影现象的虚像示意图。
具体实施方式
[0022] 有关本发明之前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图之一较佳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。
[0023] 图1是本发明一实施例的一种头戴式显示装置的架构示意图。请参照图1，在本实施例中，头戴式显示装置200适于配置在一使用者的至少一眼睛EY前方。头戴式显示装置200包括一显示模块210以及一光传递模块100。显示模块210适于提供一影像光束IB，且光传递模块100用以传递影像光束IB至一使用者的至少一眼睛EY。举例而言，在本实施例中，显示模块210可为光场显示器，且可为投影式的光场显示器，显示模块210可包括
准直光源、透镜、透镜阵列、显示元件等光学元件(未绘示)，其中准直光源所发出的光束会依序通过透镜、阵列透镜并入射至显示元件，显示元件用以将光束转换成具有深度资讯的影像光束IB，但本发明不局限于此。如此，显示模块210所提供的影像光束IB具有当下的光场资讯，能够达成事后对焦的效果，并能藉此提供有深度的影像资讯。
[0024] 具体而言，如图1所示，在本实施例中，光传递模块100包括一波导110、一第一透镜120以及一光学元件130。波导110位于影像光束IB的传递路径上。波导110包括相对的一第一侧面S110及一第二侧面S120。波导110包括多个分光片BS，多个分光片BS配置于第一侧面S110及第二侧面S120之间。举例而言，如图1所示，在本实施例中，各分光片BS与第一侧面S110的夹角相同，且多个分光片BS等距配置。另一方面，如图1所示，在本实施例中，第一透镜120具有负屈光力且配置于波导110的第一侧面S110及使用者的至少一眼睛EY之间，而波导110位于光学元件130以及第一透镜120之间。
[0025] 以下将搭配图2至图3B来针对头戴式显示装置200的光传递模块100如何消除人眼在观测近距离的影像时所生的叠影现象的过程进行进一步地解说。
[0026] 图2是本发明一比较例的一种头戴式显示装置所显示虚像的光路示意图。图3A是图1的光传递模块所显示虚像的光路示意图。图3B是图1的光传递模块所显示实像的光路示意图。请参照图2，比较例的头戴式显示装置200’与图1的头戴式显示装置200类似，而两者的差异如下所述。在图2的比较例中，头戴式显示装置200’的光传递模块100’不具有第一透镜120以及光学元件130，而只具有波导110。
[0027] 具体而言，如图2与图3A所示，在比较例以及图3A的实施例中，波导110所包括的多个分光片BS的介面为具有部分折射以及部分反射功能的介面，因此当显示模块210所发出的影像光束IB从波导110的第一侧面S110入射进波导110内且在波导110中传递的影像光束IB通过多个分光片BS的介面时，将会因分光片BS的介面的折射作用形成为一第一影像光束IB1以及因分光片BS的介面的反射作用而形成为一第二影像光束IB2。换言之，各分光片BS适于使通过的影像光束IB形成为第一影像光束IB1与第二影像光束IB2，并且，第一影像光束IB1与第二影像光束IB2皆记录有影像光束IB的光场资讯。
[0028] 更详细而言，如图2与图3A所示，在比较例以及图3A的实施例中，影像光束IB会先在波导110中以全反射的方式传递。并且，以影像光束IB开始通过波导110的其中一分光片BS的介面时为例，当影像光束IB通过分光片BS时，会形成第一影像光束IB1与第二影像光束IB2。并且，借由此分光片BS而形成的穿透分光片BS后的第一影像光束IB1会传递至另一分光片BS，经由此分光片BS反射后的第二影像光束IB2自波导110的第一侧面S110出光。并且，由于第一影像光束IB1亦带有与影像光束IB相同完整的影像资讯，因此第一影像光束IB1亦能使另一分光片BS同样地产生在波导110中传递的第一影像光束IB1与经由分光片BS反射后出光的第二影像光束IB2，而后续的光束皆具有上述之传递方式。另一方面，由各分光片BS反射后出光的第二影像光束IB2皆带有与影像光束IB相同完整的影像资讯，因此各分光片BS所形成的第二影像光束IB2被传递至使用者的至少一眼睛EY时，皆会显示一虚像VI且于一预设距离叠合成一完整清晰的影像。
[0029] 然而，由于各分光片BS所形成的第二影像光束IB2是以发散的角度自波导110出光，因此使用者的至少一眼睛EY所接收的影像资讯是经由不同分光片BS所形成的第二影像光束IB2所提供。在此情况下，如图2所示，在图2的比较例中，当多个第二影像光束IB2以相同角度自光传递模块100’的波导110的不同分光片BS(如：相邻两个以上的分光片BS)投射至眼睛EY瞳孔里时，人眼即会在小于上述预设距离的
位置看到叠影。而图7A为图2的头戴式显示装置200’所形成之具有叠影现象的虚像示意图，如图7A所示，人眼会看到不清晰的影像。此一叠影的宽度取决于相邻两个分光片BS之间的间距。因此，头戴式显示装置200’所显示的虚像VI的成像位置与波导110之间的距离为第一距离VD，若虚像VI的清楚成像处皆是预设于无穷远或者一个够远的距离之处，以使所显示的虚像VI远大于相同的影像资讯的错位而不易观察到叠影的现象，而第一距离VD则为较接近波导110的位置，因此人眼看到第一距离VD的虚像VI则具有叠影现象，但也因此，头戴式显示装置200’并不利于满足近距离的影像显示需求。
[0030] 相较于此，如图3A所示，在图3A的实施例中，由于头戴式显示装置200的光传递模块100的第一透镜120具有负屈光力，且位于第二影像光束IB2的传递路径上，因此当多个第二影像光束IB2以相同角度自波导110的不同分光片BS(如：相邻两个以上的分光片BS)投射至眼睛EY瞳孔里时，这些第二影像光束IB2所显示的多个虚像VI将能于第一透镜120的一焦平面fs上重合。而图7B为图3A的头戴式显示装置200所形成之不具有叠影现象的虚像示意图，如图7B所示，人眼会看到较清晰的影像。而第一透镜120的焦平面fs至波导130的距离为第二距离fsd，即于光传递模块100中配置具有负屈光力的第一透镜120，可将原本图2中光传递模块100’所产生的虚像VI的第一距离VD调整成图3A的第二距离fsd，其中第二距离fsd小于第一距离VD。并且，如图3A所示，在图3A的实施例中，在与此焦平面fs具有一定距离D内的位置范围，所显示的多个虚像VI虽仍会有些微的错位量，但其为人眼可允许之错位量，因此叠影现象亦能不易被察觉。在本实施例中，第一距离VD与第二距离fsd例如是各第二影像光束IB2所显示的虚像VI相对于波导110的第二侧面S120的直线距离。
[0031] 举例而言，在图3A的实施例中，第一透镜120的焦平面fs相对于使用者的至少一眼睛EY的距离是在25厘米至3米的范围内。换言之，在本实施例中，各第二影像光束IB2所显示的各虚像VI相对于使用者的至少一眼睛EY的距离亦能落在25厘米至3米的范围内，因此有利于满足近距离的影像显示需求。在此，第一透镜120的焦平面fs与各第二影像光束IB2所显示的各虚像VI对于使用者的至少一眼睛EY的距离是指第一透镜120的焦平面fs与各第二影像光束IB2所显示的各虚像VI对于使用者的至少一眼睛EY的直线距离。
[0032] 此外，如图1与图3B所示，在本实施例中，光传递模块100的光学元件130为一第二透镜130a，第二透镜130a具有正屈光力，且第一透镜120的屈光力的大小与第二透镜130a的屈光力的数值大小相同。具体而言，如图3B所示，在本实施例中，来自外界的环境光线SL依序经由第二透镜130a(光学元件130)、波导110以及第一透镜120传递至使用者的至少一眼睛EY，以显示一实像。如此，依据环境光线SL所形成的实像则能借由第二透镜130a(光学元件130)的配置，而避免因第一透镜120的配置而失真。
[0033] 如此一来，光传递模块100与头戴式显示装置200借由第一透镜120的配置，而使得以相同角度自波导110的不同分光片BS反射的多个第二影像光束IB2所显示的多个虚像VI能于第一透镜120的一焦平面fs上重合。如此，能消除人眼在观测近距离的影像时所生的叠影现象，并能藉此提升头戴式显示装置200的显示品质以及使用者的舒适性。并且，在使用者的眼中，依据环境光线SL所形成的实像则能同时借由光学元件130与第一透镜120的配置，而不致失真。
[0034] 图4A与图4B是本发明一实施例的各种光传递模块的架构示意图。请参照图4A与图4B，图4A与图4B的实施例的光传递模块400A、400B与图1的光传递模块100类似，而两者的差异如下所述。如图4A与图4B所示，光传递模块400A、400B分别更包括第三透镜440，位于各第二影像光束IB2的传递路径上。具体而言，在图4A与图4B的实施例中，第三透镜440为可变焦透镜，而适于调整各第二影像光束IB2所显示的各虚像VI以及依据环境光线SL所形成的实像相对于使用者的至少一眼睛EY的距离。举例而言，在图4A的实施例中，第三透镜440可为
液晶透镜440a(LC lens)。而在图4B的实施例中，第三透镜440可为阿尔瓦雷斯透镜440b(Alvarez lens)，其为具有两个分离透镜的透镜元件，并可借由控制此二分离透镜的错位来控制其屈光力的透镜元件。
[0035] 如此，在图4A与图4B的实施例中，光传递模块400A、400B皆能透过第三透镜440的配置，来调整依据影像光束IB所形成的虚像VI以及依据环境光线SL所形成的实像相对于使用者的至少一眼睛EY的距离，进而得以对人眼视力提供校正效果，而使有近视或远视的使用者能够清楚地观看显示画面的同时，亦可清楚地观察眼睛EY前方
视野，而无须额外再配戴眼镜。
[0036] 此外，由于图4A与图4B的光传递模块400A、400B与图1的光传递模块100同样具有第一透镜120以及光学元件130的配置，而能达到相同的功能，因此光传递模块400A、400B亦能达到与前述的光传递模块100类似的效果与优点，在此就不再赘述。并且，当光传递模块400A、400B应用至头戴式显示装置200时，亦能使头戴式显示装置200达到类似的效果与优点，在此就不再赘述。
[0037] 在前述的实施例中，光传递模块100、400A、400B的第一透镜120虽是以具有负屈光力的透镜元件为例示，但本发明不局限于此。在其他的实施例中，第一透镜120亦可是其他类型的透镜元件，而亦能达到类似的效果。以下将搭配图5来进行进一步地解说。
[0038] 图5是本发明一实施例的另一光传递模块的架构示意图。请参照图5，本实施例的光传递模块500与图1的光传递模块100类似，而两者的差异如下所述。举例而言，如图5所示，在本实施例中，光传递模块500的第一透镜520可为液晶透镜、菲涅
耳透镜、绕射透镜或
相位式透镜。换言之，在本实施例中，，第一透镜520可具有相位相依性(即，适于调制具有一特定偏振态的光线)、或是具有
波长相依性(即，适于调制一特定波段范围的光线)。
[0039] 具体而言，在本实施例中，第一透镜520仍具有负屈光力，但其屈光力的大小可视需求调整。此时，光传递模块500的光学元件530可为一具有正屈光力的液晶透镜、菲涅耳透镜、绕射透镜或相位式透镜(即第二透镜530a)，且第一透镜520的屈光力与第二透镜530a的屈光力的数值大小相同。如此，依据影像光束IB所形成的虚像VI能借由第一透镜520的配置而避免人眼在近距离观测时可能导致的叠影现象，且依据环境光线SL所形成的实像亦能借由光学元件530的配置，而避免因第一透镜520而失真。
[0040] 另一方面，在本实施例中，当第一透镜520具有相位相依性，即适于调制具有一特定偏振态的光线时，进入光传递模块500的影像光束IB具有特定偏振态，而适于经由波导110与第一透镜520在第一透镜520的一焦平面fs上重合。此时的光学元件530则可仅为一偏振片，而适于滤除具有特定偏振态的光线，如此，环境光线SL中具有特定偏振态的光线则会被光学元件530所滤除，而其余光线则不受第一透镜520的影响地被传递至使用者的至少一眼睛EY中。藉此，依据影像光束IB所形成的虚像VI能借由第一透镜520的配置而避免人眼在近距离观测时可能导致的叠影现象，且依据环境光线SL所形成的实像亦能借由光学元件
530的配置，而避免因第一透镜520而失真。
[0041] 在本实施例中，当第一透镜520具有波长相依性，即适于调制一特定波段范围的光线时，进入光传递模块500的影像光束IB的波长范围落在特定波段范围内，而适于经由波导110与第一透镜520在第一透镜520的一焦平面fs上重合。此时的光学元件530则可仅为一滤光片，而适于滤除特定波段范围的光线。如此，环境光线SL中具有特定波段范围的光线则会被光学元件530所滤除，而其余光线则不受第一透镜520的影响地被传递至使用者的至少一眼睛EY中。举例而言，此时的影像光束IB较佳可由雷射光源所提供，而具有较窄的波段范围，而亦能选择性地窄化光学元件530所滤除的特定波段范围。藉此，依据影像光束IB所形成的虚像VI能借由第一透镜520的配置而避免人眼在近距离观测时可能导致的叠影现象，且依据环境光线SL所形成的实像亦能借由光学元件530的配置，而避免因第一透镜520而失真。
[0042] 如此，由于图5的光传递模块500与图1的光传递模块100相似，而能达到相同的功能，因此光传递模块500亦能达到与前述的光传递模块100类似的效果与优点，在此就不再赘述。并且，当光传递模块500应用至头戴式显示装置200时，亦能使头戴式显示装置200达到类似的效果与优点，在此就不再赘述。
[0043] 图6A至图6C是本发明一实施例的另一种头戴式显示装置200于不同时刻中所显示的虚像VI的光路示意图。请参照图6A至图6C，图6A至图6C的实施例的头戴式显示装置600与图1的头戴式显示装置200类似，而两者的差异如下所述。举例而言，如图6A至图6C所示，在本实施例中，显示模块610为一时间多工式显示模块，而头戴式显示装置600的光传递模块600A的第一透镜620与光学元件630为可变焦透镜的结构，而可包括液晶透镜等可变焦的透镜元件。换言之，在本实施例中，头戴式显示装置600为一时间多工式显示装置。此外，在本实施例中，头戴式显示装置600更具有一眼球检测装置(未绘示)，适于检测使用者的至少一眼睛EY的对焦位置。
[0044] 如此，如图6A至图6C所示，在本实施例中，由于显示模块610会利用时间多工的方式提供具有不同深度的影像光束IB，因此头戴式显示装置600会同时经由眼球检测装置检测使用者的至少一眼睛EY的对焦位置。并且，在本实施例中，第一透镜620的焦平面fs适于对应使用者的至少一眼睛EY在一方向上的对焦点而移动，而图6A至图6C中第一透镜620的焦平面fs相对于使用者的至少一眼睛EY的距离可依据使用者的至少一眼睛EY的对焦点由近至远对应调变，藉此各第二影像光束IB2所显示的各虚像VI相对于使用者的至少一眼睛EY的距离亦对应改变。如此，如图6A至图6C所示，头戴式显示装置600将能利用时间多工的方式使第一透镜620与光学元件630对影像光束IB进行调变，而能消除所调变的影像光束IB所显示的虚像VI在所欲成像的不同深度位置处的叠影现象。
[0045] 此外，由于图6A至图6C的头戴式显示装置600的光传递模块600A亦包括具有负屈光力的第一透镜620及具有正屈光力的光学元件630，因此图6A至图6C的头戴式显示装置600亦能达到当图5的光传递模块500应用至头戴式显示装置时的类似效果与优点，在此就不再赘述。
[0046] 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。在本发明的实施例中，光传递模块与头戴式显示装置借由第一透镜的配置，而使得以相同角度自波导的不同分光片反射的多个第二影像光束所显示的多个虚像能于第一透镜的一焦平面上重合。如此，能消除人眼在观测近距离的影像时所生的叠影现象，并能藉此提升头戴式显示装置的显示品质以及使用者的舒适性。并且，在使用者的眼中，依据环境光线所形成的实像则能同时借由光学元件与第一透镜的配置，而不致失真。
[0047] 惟以上所述者，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施之范围，即所有依本发明
权利要求书及发明内容所作之简单的等效变化与
修改，皆仍属本发明
专利涵盖之范围内。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之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之权利范围。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。
[0048] 附图标记说明：
[0049] 100、100’、400A、400B、500、600A：光传递模块
[0050] 110：波导
[0051] 120、520、620：第一透镜
[0052] 130、530、630：光学元件
[0053] 130a：第二透镜
[0054] 200、200’、600：头戴式显示装置
[0055] 210、610：显示模块
[0056] 440：第三透镜
[0057] 440a：液晶透镜
[0058] 440b：阿尔瓦雷斯透镜
[0059] BS：分光片
[0060] D：距离
[0061] DV：第一距离
[0062] fsd：第二距离
[0063] EY：眼睛
[0064] fs：焦平面
[0065] IB：影像光束
[0066] IB1：第一影像光束
[0067] IB2：第二影像光束
[0068] S110：第一侧面
[0069] S120：第二侧面
[0070] SL：环境光线
[0071] VI：虚像。
