头戴式显示装置及图像投射方法

摘要

头戴式显示装置及图像投射方法。头戴式显示装置包括光波导元件、图像装置、光学转换层及处理器。光波导元件接收图像光束，并透过表面投射投射图像。图像装置用以提供图像光束。光学转换层与光波导元件的表面的边缘重叠配置。光学转换层依据命令信号偏折部分的投射图像以便产生调整后投射图像，以使调整后投射图像传递至投射目标。处理器依据投射目标的位置以产生命令信号。

权利要求

1.一种头戴式显示装置，包括：

光波导元件，接收图像光束，并透过该光波导元件的表面投射一投射图像，其中该光波导元件的该表面具有近眼区域与边缘区域；

图像装置，用以提供该图像光束；

光学转换层，只设置于该光波导元件的该边缘区域，该光学转换层依据命令信号偏折部分的该投射图像以便产生一调整后投射图像，以使该调整后投射图像传递至一投射目标；以及处理器，耦接至该光学转换层，依据该投射目标的位置以产生该命令信号。

2.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中该光学转换层包括：至少一棱镜，与该光波导元件的该表面的边缘重叠配置；

致动器，耦接该至少一棱镜，并接收该命令信号，依据该命令信号以调整该至少一棱镜的转动角度。

3.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中该光学转换层包括：液晶层，与该光波导元件的该表面的边缘重叠配置；以及驱动器，耦接该液晶层，并依据该命令信号以提供驱动电压来调整该液晶层。

4.如权利要求1所述的头戴式显示装置，还包括：投射目标检测器，耦接至该处理器，检测该投射目标的位置以产生检测结果，其中该处理器接收该检测结果以产生该命令信号。

5.如权利要求4所述的头戴式显示装置，该投射目标检测器为眼球视线检测器。

6.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中环境光入射该光波导元件后，穿透该光学转换层而传递至该投射目标。

7.如权利要求6所述的头戴式显示装置，还包括：光学遮蔽层，该光学遮蔽层位于该环境光的传递路径上，该光学遮蔽层包括多个光遮蔽组件，该处理器控制该光学遮蔽层以使部分这些光遮蔽组件阻挡部分入射该光波导元件的该环境光。

8.如权利要求7所述的头戴式显示装置，其中各该光遮蔽组件包括液晶层，该处理器控制该液晶层以遮蔽通过该光遮蔽组件的部分该环境光。

9.如权利要求6所述的头戴式显示装置，还包括光学补偿层，配置在该环境光的传递路径上，该光学补偿层接收外部物件图像，并使该外部物件图像朝该投射目标投射。

10.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中该光波导元件是散射式波导元件、全像式波导元件、偏光式波导元件或反射式波导元件的至少其中之一。

11.一种图像投射方法，包括：

提供光波导元件以接收图像光束，并透过该光波导元件的表面投射一投射图像，其中该光波导元件的该表面具有近眼区域与边缘区域；

依据投射目标的位置以产生命令信号；以及

将光学转换层只配置于该光波导元件的该边缘区域，使该光学转换层依据该命令信号偏折部分的该投射图像以便产生调整后投射图像，以使该调整后投射图像传递至该投射目标。

12.如权利要求11所述的图像投射方法，还包括；

提供投射目标检测器，检测该投射目标的位置以产生检测结果；以及依据该检测结果以产生该命令信号。

13.如权利要求11所述的图像投射方法，还包括：提供光学遮蔽层配置于环境光的传递路径上，使该光学遮蔽层阻挡部分入射该光波导元件的该环境光。

14.如权利要求11所述的图像投射方法，还包括：提供光学补偿层以配置在环境光的传递路径上，该光学补偿层接收外部物件图像，并使该外部物件图像朝该投射目标投射。

说明书

头戴式显示装置及图像投射方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种显示装置及图像投射方法，且特别涉及一种头戴式显示装置及图像投射方法。

背景技术

[0002] 随着电子产品日新月异的发展，在提供高质量的影音显示接口上，虚拟现实(Virtual Reality，VR)以及增强现实(Augmented Reality，AR)的显示效果，已成为新一代显示装置追求的目标，其中头戴式显示装置(Head Mounted Display，HMD)则是用以实现此技术的显示装置。

[0003] 在已知的增强现实头戴式显示装置(Augmented Reality-Head Mounted Display，AR-HMD)的许多种设计当中，其产生的增强现实图像的可视角度皆过小，无法让使用者有逼真与沉浸于其中的感受。因此，如何使头戴式显示装置具有更宽广的可视角度，实为本领域相关人员所关注的焦点。

发明内容

[0004] 本发明提供一种头戴式显示装置及其图像投射方法，可以提高可视的角度。

[0005] 本发明的头戴式显示装置包括光波导元件、图像装置、光学转换层及处理器。光波导元件接收图像光束，并透过表面投射投射图像。图像装置用以提供图像光束。光学转换层与光波导元件的表面的边缘重叠配置。光学转换层依据命令信号偏折部分的投射图像以便产生调整后投射图像，以使调整后投射图像传递至投射目标。处理器耦接至光学转换层，依据投射目标的位置以产生命令信号。

[0006] 本发明的图像投射方法包括：提供光波导元件以接收图像光束，并透过表面投射投射图像。依据投射目标的位置以产生命令信号。配置光学转换层，与光波导元件的表面的边缘重叠配置，使光学转换层依据命令信号偏折部分的投射图像以便产生调整后投射图像，以使调整后投射图像传递至投射目标。

[0007] 基于上述，本发明提供的头戴式显示装置及图像投射方法透过在光波导元件上设置光学转换层，将原本无法传递至投射目标的部分投射图像偏折，以产生调整后投射图像，并使调整后投射图像传递至投射目标，达成提高头戴式显示装置的可视角度的目的。

[0008] 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

[0009] 图1绘示本发明一实施例的头戴式显示装置的示意图。

[0010] 图2绘示本发明一实施例的光学转换层的一实施方式的示意图。

[0011] 图3绘示本发明一实施例的光学转换层的另一实施方式的示意图。

[0012] 图4绘示本发明另一实施例的头戴式显示装置的示意图。

[0013] 图5绘示本发明又一实施例的头戴式显示装置的示意图。

[0014] 图6绘示本发明又一实施例的头戴式显示装置的示意图。

[0015] 图7绘示本发明又一实施例的头戴式显示装置的示意图。

[0016] 图8绘示本发明实施例的图像投射方法的流程图。

[0017] 【符号说明】

[0018] 100、200、300、400、500：头戴式显示装置

[0019] 110、110L：光波导元件

[0020] 113：入光面

[0021] 1131：近眼区域

[0022] 1133、1135：边缘

[0023] 115：表面

[0024] 1151、1151a：近眼区域

[0025] 1153、1153a、1155、1155a：边缘

[0026] 120、120L：透光元件

[0027] 130、130L：图像装置

[0028] 140：处理器

[0029] 150、150a、150b、150L：光学转换层

[0030] 150-1、150-1L、150-2、150-2L：转换层

[0031] 151a：液晶层

[0032] 151b：棱镜

[0033] 153a：驱动器

[0034] 153b：致动器

[0035] 160：投射目标检测器

[0036] 170：光学遮蔽层

[0037] 171：光遮蔽组件

[0038] 180、180L：光学层

[0039] 190：光学补偿层

[0040] A1、B1、A2、B2、A3、B3：视角

[0041] DS：命令信号

[0042] E1、E2：投射目标

[0043] ES：检测结果

[0044] L：环境光

[0045] L0：外部物件图像

[0046] S1、S2：视线

[0047] V：驱动电压

[0048] S810～S840：图像投射方法的步骤

具体实施方式

[0049] 请参照图1，图1绘示本发明一实施例的头戴式显示装置的示意图。头戴式显示装置100包括光波导元件110、图像装置130及光学转换层150。图像装置130用以提供图像光束(未图示)。光波导元件110接收图像光束，并透过表面115投射投射图像(未图示)。光学转换层150与表面115的边缘重叠配置，其中转换层150-1是光学转换层150中位于表面115的边缘1153的部分，而转换层150-2是光学转换层150中位于表面115的边缘1155的部分。处理器140耦接至光学转换层150，并依据投射目标E1的位置以产生命令信号DS。光学转换层150依据命令信号DS偏折部分的投射图像以便产生调整后投射图像(未图示)，以使调整后投射图像传递至投射目标E1。本实施例透过光学转换层150的设置，将由光波导元件110的表面115投射的投射图像中，由表面115的边缘投射的部分朝投射目标E1偏折，以提高头戴式显示装置100的可视角度。

[0050] 详细地说，图像装置130提供的图像光束在入射到光波导元件110后，会被光波导元件110传导而由表面115投射出投射图像。投射图像可以包括靠近投射目标E1的近眼投射图像(未图示)及远离投射目标E1的边缘投射图像(未图示)，其中近眼投射图像是投射图像中由表面115的近眼区域1151投射的部分，边缘投射图像是由表面115的边缘1153及1155投射的部分。在本实施例中，投射目标E1例如可以是使用者的眼球，而投射目标E1观看头戴式显示装置100的视线是视线S1。

[0051] 当光学转换层150在未作用时，由于光波导元件110对图像光束传导上的限制，使得只有由近眼区域1151投射的近眼投射图像可以传递至投射目标E1，而由边缘1153及1155投射的边缘投射图像并无法传递至投射目标E1。此时，投射目标E1观看头戴式显示装置100的视角是视角A1。

[0052] 当光学转换层150作用时，光学转换层150的转换层150-1及150-2将边缘投射图像朝投射目标E1偏折，使由边缘1153及1155投射出的边缘投射图像可以传递至投射目标E1，让投射目标E1观看头戴式显示装置100的视角由视角A1提高为视角B1。借此，本实施例透过光学转换层150的作用，可以将原本无法传递至投射目标E1的边缘投射图像朝投射目标E1偏折，而传递至投射目标E1，达成提高头戴式显示装置100的可视角度的目的。

[0053] 此外，光学转换层150将部分投射图像朝投射目标E1偏折的角度例如是介于0度至10度之间。相对于已知的头戴式显示装置，视角度可约在40゜左右。本实施例透过光学转换层150的设置，将边缘投射图像朝投射目标E1偏折，可以提高头戴式显示装置100的可视角度到60゜以上。此实施结果仅是一举例说明，并非用以限制本发明。

[0054] 值得一提的是，环境光L可以在入射光波导元件110后，穿透光学转换层150而传递至投射目标E1。因此，用于显示的投射图像及外界的环境光L皆可进入投射目标E1，而让头戴式显示装置100达到增强现实的显示效果。

[0055] 举例而言，本实施例的图像装置130例如可包括微型液晶显示面板(Liquid Crystal Display panel，LCD panel)、硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)微型显示器或其他种类的微型显示器，但本发明不以此为限。此外，光波导元件110例如可以是散射式波导元件、全像式波导元件、偏光式波导元件或反射式波导元件等，且本发明并不限制图像装置130将图像光束入射到光波导元件110的方式，只要可让图像光束被光波导元件110传导并朝投射目标E1投射投射图像即可。光波导元件110的材质例如为玻璃或塑胶的至少其中之一，但本发明不以此为限制，光波导元件110也可以是其他适当的透明物质。处理器140例如可以是处理电路，处理电路可以包括控制器及相关电路。

[0056] 请参照图2，图2绘示本发明一实施例的光学转换层的一实施方式的示意图。图2所示的光学转换层150a是图1所示实施例的头戴式显示装置100的光学转换层的一种实施方式。光学转换层150a包括液晶层151a及驱动器153a。液晶层151a与光波导元件110的表面115的边缘1153及1155重叠配置。驱动器153a耦接液晶层151a，并依据命令信号DS以提供驱动电压V来调整液晶层151a。因此，处理器140可控制液晶层151a，以使部分投射图像被液晶层151a折射以朝向投射目标E1偏折，使由表面115的边缘1153和/或1155投射的边缘投射图像朝投射目标E1偏折，而传递至投射目标E1，达成提高头戴式显示装置100的可视角度的目的。图2所示的光学转换层150a仅为一举例说明，并非用来限制本发明。

[0057] 请参照图3，图3绘示本发明一实施例的光学转换层的另一实施方式的示意图。图3所示的光学转换层150b是图1所示实施例的头戴式显示装置100的光学转换层的另一种实施方式。光学转换层150b包括至少一棱镜151b及致动器153b。至少一棱镜151b与光波导元件110的表面115的边缘1153和/或1155重叠配置。致动器153b耦接至少一棱镜151b，并接收DS命令信号。致动器153b并依据命令信号DS以调整棱镜151b的转动角度，使部分投射图像被棱镜151b折射以朝向投射目标E1偏折。因此，处理器140可以控制光学转换层150b，使由表面115的边缘1153和/或1155投射的边缘投射图像朝投射目标E1偏折，而传递至投射目标E1，达成提高头戴式显示装置100的可视角度的目的。其中本发明并不限制光学转换层150b具有棱镜151b的数量，而光学转换层150b的致动器153b例如可以是以微机电系统(Microelectromechanical Systems，MEMS)装置来实现。图3所示的光学转换层150b仅为一举例说明，并非用来限制本发明。

[0058] 请参照图4，图4绘示本发明另一实施例的头戴式显示装置的示意图。本实施例的头戴式显示装置200与图1所述实施例的头戴式显示装置100两者结构相似，且功能与功效都相同。本实施例与图1所述的实施例不同之处在于：头戴式显示装置200还包括投射目标检测器160，投射目标检测器160并耦接至处理器140。投射目标检测器160用以检测投射目标E1的位置以产生检测结果ES。处理器140接收检测结果ES以产生命令信号DS。

[0059] 详细地说，投射目标E1例如是使用者的眼球，而投射目标检测器160例如可以为眼球视线检测器。在本实施例中，投射目标E1观看头戴式显示装置200的视线是以视线S2做为举例说明。由光波导元件110的表面115投射的投射图像包括靠近视线S2的近眼投射图像(未图示)及远离视线S2的边缘投射图像(未图示)，其中近眼投射图像是投射图像中由表面115的近眼区域1151a投射的部分，边缘投射图像是投射图像中由表面115的边缘1153a及
1155a投射的部分。近眼投射图像穿透光学转换层150c并传递至投射目标E1，而投射目标E1观看近眼投射图像的视角是视角A2。处理器140依据检测结果ES控制光学转换层150c，以将边缘投射图像朝投射目标E1偏折。因此，透过投射目标检测器160检测投射目标E1的位置，处理器140只需对光学转换层150c中位在视角B2内的部分投射图像进行偏折或不偏折的控制，就可以达成提高可视角度的目的，可降低光学转换层150c所需要驱动的范围，及降低需要的驱动电压与驱动时间。光学转换层150c例如可以由图2所示的光学转换层150a或图3所示的光学转换层150b所实现，其操作原理在此并不再赘述。

[0060] 请参照图5，图5绘示本发明又一实施例的头戴式显示装置的示意图。本实施例的头戴式显示装置300与图1所述实施例的头戴式显示装置100两者结构相似，且功能与功效都相同。本实施例与图1所述的实施例不同之处在于：头戴式显示装置300还包括光学遮蔽层170，且光学遮蔽层170位于环境光L的传递路径上。光学遮蔽层170包括多个光遮蔽组件171。处理器140控制光学遮蔽层170使部分光遮蔽组件171阻挡部分入射光波导元件110的环境光L。借此，光学遮蔽层170可以因应增强现实应用的需要而阻挡环境光L。例如头戴式显示装置300在执行特定增强现实的应用时，会不希望某些环境中的物件出现在增强现实里，此时处理器140可以控制光学遮蔽层170以阻挡环境光L中此物件的光线，使其不被使用者看到。

[0061] 此外，处理器140还可以是依据图像装置130提供的图像光束来控制光学遮蔽层170以阻挡环境光L。借此，处理器140可以控制光学遮蔽层170阻挡投射图像所对应的部分环境光L，提高观看投射图像时的对比度，降低环境光L对投射图像的影响，提升头戴式显示装置300的显示质量。

[0062] 具体而言，光学遮蔽层170的各光遮蔽组件171例如可以包括液晶层(未图示)。处理器140控制液晶层遮蔽通过光遮蔽组件171的部分环境光L，以降低部分入射光波导元件110的环境光L。然而，本实施例仅是光学遮蔽层170的一种实施方式，并非用以限制本发明。

[0063] 请参照图6，图6绘示本发明又一实施例的头戴式显示装置的示意图。本实施例的头戴式显示装置400与图1所述实施例的头戴式显示装置100两者结构相似，且功能与功效都相同。本实施例与图1所述的实施例不同之处在于：头戴式显示装置400还包括光学补偿层190，光学补偿层190配置在环境光L的传递路径上。光学补偿层190接收外部物件图像L0，并使外部物件图像L0朝投射目标E1投射，提高头戴式显示装置400对外部物件图像L0的可视角度。

[0064] 具体而言，环境光L是经由入光面113入射光波导元件110的。环境光L包括靠近投射目标E1的近眼环境光(未图示)及远离投射目标E1的边缘环境光(未图示)，其中近眼环境光是环境光L中由入光面113的近眼区域1131入射的部分，而边缘环境光是环境光L中由入光面113的边缘区域1133及1135入射的部分。当光学补偿层190在未作用时，由于受到头戴式显示装置400的元件影响，只有由近眼区域1131入射的近眼环境光可以传递至投射目标E1，而由边缘区域1133及1135入射的边缘环境光无法传递至投射目标E1。此时，投射目标E1观看环境光L的视角是视角A3。

[0065] 当光学补偿层190在作用时，近眼环境光穿透光学补偿层190后传递至投射目标E1。光学补偿层190将边缘环境光朝投射目标E1偏折，使得由边缘区域1133及1135入射的边缘环境光可以传递至投射目标E1。因此，投射目标E1观看环境光L的视角可以提升至视角B3。借此，本实施例透过光学补偿层190的作用，可以将原本无法传递至投射目标E1的边缘环境光朝投射目标E1偏折，而传递至投射目标E1，提高对环境光L的可视角度。而外部物件图像L0例如是环境光L中的一个物件的图像，光学补偿层190可以提高头戴式显示装置400对外部物件图像L0的可视角度。

[0066] 此外，光学补偿层190将部分环境光L朝投射目标E1偏折的角度例如是介于0度至10度之间，但本发明并不以此为限制。

[0067] 本发明并不限制光学补偿层190的实施方式，只要是可以将边缘环境光朝投射目标E1偏折的结构即可。光学补偿层190的一种实施方式可以是：光学补偿层190包括液晶层(未图示)及驱动器(未图示)。驱动器并依据命令信号DS以提供驱动电压来调整液晶层，以使部分环境光L被液晶层折射以朝向投射目标E1偏折。此实施方式的作用与原理和图2所示的光学转换层150a类似，在此并不再赘述。

[0068] 光学补偿层190的另一种实施方式可以是：光学补偿层190包括至少一棱镜(未图示)及致动器(未图示)，且致动器耦接棱镜。致动器接收命令信号DS，并依据命令信号DS调整棱镜的转动角度，以使部分环境光L被棱镜折射以朝向投射目标E1偏折。此实施方式的作用与原理和图3所示的光学转换层150b类似，在此并不再赘述。

[0069] 请参照图7，图7绘示本发明又一实施例的头戴式显示装置的示意图。头戴式显示装置500包括光波导元件110、110L、透光元件120、120L、图像装置130、130L、处理器140、光学转换层150、150L及光学层180、180L。光学转换层150包括转换层150-1及150-2，光学转换层150L包括转换层150-1L及150-2L。投射目标E1及E2可以是使用者的两个眼球，而处理器140并耦接图像装置130、130L。光波导元件110、图像装置130及光学转换层150可投射投射图像(未图示)至投射目标E1，光波导元件110L、图像装置130L及光学转换层150L可投射投射图像(未图示)至投射目标E2，而达成提高增强现实图像的可视角度的目的。其中光波导元件110、110L、图像装置130、130L、光学转换层150、150L的功能与功效皆与图1所示的头戴式显示装置100相同，在此并不再赘述。

[0070] 光学层180、180L可以是图5所示实施例的光学遮蔽层，或是图6所示实施例的光学补偿层，也可以是光学遮蔽层及光学补偿层的组合，本发明并不以此为限制。透光元件120、120L可以是设置于光波导元件110、110L前方的可透光光学元件。透光元件120、120L的材质例如为玻璃或塑胶的至少其中之一，但本发明不以此为限制，透光元件120、120L也可以是其他适当的透明物质。

[0071] 以下请参照图8，图8绘示本发明实施例的图像投射方法的流程图。其中图像投射方法的步骤包括：在步骤S810中提供光波导元件以接收图像光束，并透过表面投射投射图像。接着，在步骤S820中，依据投射目标的位置以产生命令信号。在步骤S830中，配置光学转换层，与表面的边缘重叠配置。以及在步骤S840中，使光学转换层依据命令信号偏折部分的投射图像以便产生调整后投射图像，以使调整后投射图像传递至投射目标。

[0072] 关于上述步骤的多个实施细节，在前述的多个实施例及实施方式都有详细的说明，以下恕不多赘述。

[0073] 综上所述，本发明实施例的头戴式显示装置及图像投射方法透过在光波导元件上设置光学转换层，将原本无法传递至投射目标的边缘投射图像朝投射目标偏折，以传递至投射目标。达成提高头戴式显示装置的可视角度的目的，可以让使用者有逼真与沉浸于其中的感受。

[0074] 虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。