头戴式显示设备的制作方法

头戴式显示设备
1.本发明是于2020年12月3日发出的关于申请号为202011406123.7、发明名称为《头戴式显示设备》发明专利申请的分案申请。
技术领域
2.本发明涉及一种头戴式显示设备，且特别是涉及一种提供隐私或社交模式应用的头戴式显示设备。


背景技术：

3.在公知常识领域中，扩增实境的头戴式显示设备，由于其导光组件具有双面出光的特性，会使显示影像被投射至头戴式显示设备的外部，使外界观看者可读取配戴者所观看之机密信息。
4.在另一方面，公知常识的头戴式显示设备在使用时，外部的观看者无法看清使用者的面部表情。因此，外部的观看者也难以与使用者进行社交互动。
5.另外，在公知常识的驱动方式下，遮光器是经由控制电压来调整不同的穿透度设定，但其视角均匀程度在不同电压设定下会有差异，造成显示画面的不均匀。


技术实现要素：

6.本发明是针对多种头戴式显示设备，可提供隐私模式或社交模式的显示效果。
7.根据本发明实施例，头戴式显示设备包括显示器、导光组件、第一影像撷取器以及遮光器。显示器周期性的交错提供显示影像以及设定影像。导光组件耦接显示器，分时根据所述显示影像以及所述设定影像以产生一投射影像。第一影像撷取器用以周期性撷取目标区影像。遮光器配置在导光组件与目标区间，遮光器周期性的交错被禁能及致能。当显示器提供设定影像时，遮光器被致能，且第一影像撷取器撷取目标区影像。当显示器提供显示影像时，遮光器被禁能，且第一影像撷取器停止撷取目标区影像。
8.根据上述，本发明透过遮光器周期性的交错被禁能及致能的动作，配合显示器产生显示影像的时间，可使头戴式显示设备的用户的影像，可以不被外界的对象角色看到，或者可以使外界的对象角色可以看到用户的影像。如此，头戴式显示设备可被应用在隐私模式或是社交模式下，提升使用上的效能。
附图说明
9.包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
10.图1示出本发明一实施例的头戴式显示设备的示意图；
11.图2示出本发明图1实施例的头戴式显示设备的操作时序图；
12.图3示出本发明另一实施例的头戴式显示设备及其光路示意图；
13.图4a至图5b示出本发明多个实施例的头戴式显示设备及其光路示意图；
14.图6示出本发明另一实施例的头戴式显示设备600的示意图；
15.图7示出本发明图6实施例的头戴式显示设备的动作流程示意图；
16.图8a、图8b示出本发明实施例的使用者的眼睛画面的示意图；
17.图9示出本发明图6实施例的头戴式显示设备的动作时序图。
18.附图标记说明
19.100、300、400、500、501、502、600：头戴式显示设备；
20.110、310、410、510、51、51-1、51-2、610：显示器；
21.120、320、420、520、52a、52b、620：导光组件；
22.130、330、430、530、53、640：遮光器；
23.431、531、57：p向偏光片；
24.432、532、54：s向偏光片；
25.450、550、560、55、56、59：相位延迟片；
26.570：线偏振片；
27.630、670：影像撷取器；
28.650：电控透镜；
29.660：电控光扩散器；
30.680：处理器；
31.810、820：眼睛画面；
32.ambl、ambl1、ambl2：环境光；
33.ctr1：控制信号；
34.fn1～fnn：图像框时间区间；
35.img、cimg：显示影像；
36.lcp、rcp：圆偏振光；
37.ld：发光二极管；
38.pgl1、pgl2、pg：投射影像；
39.s711～s730：步骤；
40.seti：设定影像；
41.sf1～sf4：表面；
42.sync：同步信号；
43.t1、t2：时间区间；
44.tg：目标区；
45.tgimg：目标区影像；
46.vr1：眼球影像。
具体实施方式
47.现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在图式和描述中用来表示相同或相似部分。
48.请参照图1，图1示出本发明一实施例的头戴式显示设备的示意图。头戴式显示设备100包括显示器110、导光组件120以及遮光器(shutter)130。显示器110用以根据一个默
认的周期以产生显示影像img。导光组件120耦接显示器110。导光组件120用以接收显示器110所产生的显示影像img，并根据显示影像img产生相同的投射影像pgl1、pgl2。导光组件120并透过其第一表面sf1以发射投射影像pgl1至目标区tg，另透过第二表面sf2以发射投射影像pgl2至遮光器130。其中，第一表面sf1与第二表面sf2相对。
49.在另一方面，遮光器130相邻于导光组件120的第二表面sf2，并耦接至导光组件120。其中，遮光器130可周期性的交错被禁能及致能。
50.在本实施例中，遮光器130面对头戴式显示设备100的外部的表面sf3可接收环境光ambl。遮光器130面对导光组件130的表面sf4则可接收投射影像pgl2。在本实施例中，遮光器130为一电控制遮光器，可根据电气的控制信号ctr1以被禁能或致能。在当遮光器130根据控制信号ctr1被致能时，环境光ambl将被遮蔽而无法被传送至导光组件120。相对的，当遮光器130根据控制信号ctr1被禁能时，环境光ambl将可通过遮光器130，并被传送至导光组件120。
51.在此请注意，在当显示器110产生显示影像img时，遮光器130根据控制信号ctr1同步被致能。如此一来，导光组件120对应显示影像img所产生投射影像pgl2，会被遮光器130所遮蔽，而无法传送至头戴式显示设备100的外部。同时，导光组件120所产生投射影像pgl1则可有效的被传送到目标区tg(亦即用户眼球的位置)。此时，使用者可观察到显示器110所产生的显示影像img。
52.相对的，在当显示器110停止产生显示影像img时，遮光器130根据控制信号ctr1同步被禁能。此时显示器110停止产生显示影像img。且环境光ambl可通过被禁能遮光器130以传送至导光组件120，并传送至目标区tg。此时，使用者可观察到外部环境光ambl所传送的环境影像。
53.由上述的说明可得知，透过周期性使遮光器130交错的被致能及禁能，并使显示器110交错的产生显示影像img，可让用户观察到虚拟现实及/或扩增实境的显示效果。并且，显示影像img以及用户的影像(目标区影像)不会被传送至头戴式显示设备100的外部，可达到隐私模式的效果。
54.以下请参照图2，图2示出本发明图1实施例的头戴式显示设备的操作时序图。其中，头戴式显示设备100可根据同步信号sync以区分操作时序为多个图像框(frame)时间区间fn1～fnn。其中，在单一图像框时间区间中(以图像框时间区间fn1为范例)，同步信号sync为相对高准位时，遮光器130可被致能，显示器110可根据脉冲驱动方式(pulse driving)来产生显示影像img。相对的，在图像框时间区间fn1中，当同步信号sync为相对低准位时，遮光器130可被禁能，显示器110则停止产生显示影像img。
55.附带一提的，同步信号sync的责任周期(duty cycle)是可以动态调整的，并没有别的限制。例如，当需要增加显示影像img的亮度时，可以调高同步信号sync正脉冲的时间长度。相对的，当需要增加环境影像的亮度时，则可以调低同步信号sync正脉冲的时间长度。
56.附带一提的，本实施例的遮光器130周期性在全开及全关间进行操作，有效提升用户视角的均匀度。
57.以下请参照图3，图3示出本发明另一实施例的头戴式显示设备及其光路示意图。头戴式显示设备300包括显示器310、导光组件320以及遮光器330。其中，在本实施例中，导
光组件320可以为偏振敏感(polarization-sensitive)导光组件，遮光器330则可以为电控制液晶遮光器。
58.头戴式显示设备300中的显示器310可提供为第二方向线偏振光(例如为s光)的显示影像img。s光的显示影像img被传送至导光组件320后，导光组件120可根据s光的显示影像img来产生为第一方向偏振光(p光)的投射影像pgl1以及pgl2。其中，投射影像pgl1被投射至目标区tg，投射影像pgl2则被投射至遮光器330。遮光器330并可遮蔽为p光的投射影像pgl2，并避免投射影像pgl2被传送至头戴式显示设备300的外部，达到隐私模式的效果。
59.在另一方面，具有第一方向偏振光成分(p光)以及第二方向偏振光(s光)成分的环境光ambl被投射至遮光器330。遮光器130可遮避掉环境光ambl的s光成分，并保留环境光ambl的p光成分以传送至导光组件320。导光组件320并可将环境光ambl的p光成分传送至目标区tg以产生环境影像。
60.请参照图4a，图4a示出本发明另一实施例的头戴式显示设备及其光路示意图。头戴式显示设备400包括显示器410、导光组件420、遮光器430、s向(第二方向)偏光片432、p向(第一方向)偏光片431以及相位延迟片450。其中，导光组件420可以为偏振敏感导光组件，遮光器430则可以为电控制液晶遮光器。在本实施例中，s向偏光片432以及p向偏光片431分别配置遮光器430的两侧。p向偏光片431配置在遮光器430以及相位延迟片450间。相位延迟片450则配置在p向偏光片431以及导光组件420间。导光组件420则邻近目标区tg进行配置。
61.在本实施例中，显示器410提供为第一旋向圆偏振光lcp的显示影像img至导光组件420。导光组件420根据第一旋向圆偏振光lcp的显示影像img以产生为第二旋向圆偏振光rcp的投射影像pgl1以及pgl2。投射影像pgl1被传送至目标区tg，投射影像pgl2被传送至相位延迟片450。在本实施例中，相位延迟片450为1/4波片(quarter wave plate,qwp)，可使所接收的光波延迟1/4波长。相位延迟片450则可转换为第二旋向圆偏振光rcp的投射影像pgl2为p光的投射影像pgl2。
62.承续上述，为p光的投射影像pgl2被投射至p向偏光片431，并可经由遮光器430控制是否穿透。因此，经由遮光器430可控制投射影像pgl2不会被传送至头戴式显示设备400的外部，达到隐私模式的效果
63.在另一方面，具有第一方向偏振光(p光)成分以及第二方向偏振光(s光)成分的环境光ambl被投射至s方向偏光片432。通过s方向偏光片432以及p方向偏光片431，环境光ambl的第二方向偏振光(s光)成分可以被滤除，并使环境光ambl的第一方向偏振光(p光)可以被传送至相位延迟片450。
64.相位延迟片450并转换环境光ambl的第一方向偏振光(p光)来产生为第二旋向圆偏振光(rcp)的环境光ambl。第二旋向圆偏振光(rcp)的环境光ambl被投射至导光组件420，导光组件420并可传送第二旋向圆偏振光(rcp)的环境光ambl至目标区tg。
65.请参照图4b，图4b示出本发明另一实施例的头戴式显示设备及其光路示意图。头戴式显示设备500包括显示器510、导光组件520、遮光器530、s向(第二方向)偏光片532、p向(第一方向)偏光片531、相位延迟片550、560以及线偏振片570。其中，导光组件520可以为偏振敏感导光组件，遮光器530则可以为电控制液晶遮光器。
66.在本实施例中，s向偏光片532以及p向偏光片531分别设置在遮光器530相对的两个侧边。其中，p向偏光片531可朝向目标区tg。相位延迟片550、导光组件520、相位延迟片
560以及线偏振片570依序设置在p向偏光片531以及目标区tg间。其中，显示器510提供为第一旋向圆偏振光(lcp)的显示影像img至导光组件520。导光组件520根据为第一旋向圆偏振光(lcp)的显示影像img来产生为第二旋向圆偏振光(rcp)的显示影像img。导光组件520传送为第二旋向圆偏振光(rcp)的显示影像img至相位延迟片550及560。
67.在本实施例中，相位延迟片550、560均为1/4波片。相位延迟片550可转换为第二旋向圆偏振光(rcp)的显示影像img为第一方向偏振光(p光)的显示影像img。并使为第一方向偏振光(p光)的显示影像img被传送至p方向偏光片531。再经由控制遮光器530的开启与关闭，使其无法传送至头戴式显示设备500的外部，以达到隐私模式的效果。
68.在另一方面，相位延迟片560可转换为第二旋向圆偏振光(rcp)的显示影像img为第一方向偏振光(p光)的显示影像img，并将为第一方向偏振光(p光)的显示影像img传送至线偏振片570。透过线偏振片570，可将为第一方向偏振光(p光)的显示影像img传送至目标区tg。
69.在本发明实施例中，s方向偏光片532可接收具有第一方向偏振光(p光)成分以及第二方向偏振光(s光)成分的环境光ambl1。透过s方向偏光片532、遮光器530以及p方向偏光片531的作用，环境光ambl1中的s光成分可被滤除，并使环境光ambl1中的p光成分被传送至相位延迟片550。相位延迟片550则转换环境光ambl1中的p光成分为第二旋向圆偏振光(rcp)的环境光ambl1。导光组件520接收为第二旋向圆偏振光(rcp)的环境光ambl1，并将为第二旋向圆偏振光(rcp)的环境光ambl1传送至相位延迟片560。
70.相位延迟片560并将为第二旋向圆偏振光(rcp)的环境光ambl1转换为p光的环境光ambl1。p光的环境光ambl1则被提供至线偏振片570，并透过线偏振片570被传送至目标区tg。
71.此外，在本实施例中，线偏振片570可接收另一方向，具有第一方向偏振光(p光)成分以及第二方向偏振光(s光)成分的环境光ambl2。线偏振片570可屏蔽环境光ambl2的s光成分。相位延迟片560用以转换环境光ambl2的p光成分为第二旋向圆偏振光(rcp)的环境光ambl2。导光组件520传送为第二旋向圆偏振光(rcp)的环境光ambl2至相位延迟片550。相位延迟片550则转换为第二旋向圆偏振光(rcp)的环境光ambl2为p光的环境光ambl2。
72.在s方向偏光片532的作用下，p光的环境光ambl2被转换成s光的环境光ambl2，并传送至头戴式显示设备500的外部。
73.以下请参照图5a以及图5b，图5a、5b分别示出本发明另二实施例的头戴式显示设备及其光路示意图。在图5a中，头戴式显示设备501包括显示器51、子导光组件52a、52b、遮光器53、s向(第二方向)偏光片54、p向(第一方向)偏光片57、相位延迟片55、56以及59以及分光组件58。其中，本实施例的导光组件被区分为子导光组件52a、52b。子导光组件52a、52b依序排列在遮光器53以及目标区tg间。s向偏光片54配置在遮光器53以及子导光组件52a间。相位延迟片56以及p向偏光片57则依序配置在子导光组件52a、52b间。s向偏光片54接收具有p光以及s光成分的环境光ambl，并配合相位延迟片(1/4波片)以产生为第二旋向圆偏振光(rcp)的环境光ambl1。
74.环境光ambl1被传送至子导光组件52a中。子导光组件52a传导环境光ambl1，并转换环境光ambl1为第一旋向圆偏振光(lcp)，且将为第一旋向圆偏振光(lcp)的环境光ambl1传送至相位延迟片59。相位延迟片59则转换环境光ambl1为s光，并将为s光的环境光ambl1
传送至分光组件58中。其中，相位延迟片59与分光组件58接收环境光ambl1的表面相邻配置。分光组件58并将为s光的环境光ambl1传送至显示器51。在本实施例中，显示器51可以为液晶覆硅(liquid crystal on silicon)显示器。
75.另外，显示器51可发送为p光的显示影像cimg至分光组件58。分光组件58转传p光的显示影像cimg至相位延迟片59，相位延迟片59转换p光的显示影像cimg为第二旋向圆偏振光(rcp)的显示影像cimg，并将为第二旋向圆偏振光(rcp)的显示影像cimg传送至子导光组件52b。透过子导光组件52b的导光效果，显示影像cimg可被传送至目标区tg。其中，在子导光组件52b中传送的显示影像cimg可以为第一旋向圆偏振光(lcp)，发送至目标区tg的显示影像cimg则可以为第二旋向圆偏振光(rcp)。
76.在此请注意，本实施例中，显示影像cimg可以包括环境光ambl1所形成的环境光影像，并提供用户可以观察到扩增实境的显示效果。另外，在本实施例中，目标区tg的影像不会被头戴式显示设备5a外部的使用者看到，因此可以达到隐私模式的效果。
77.另外，在图5b中，与图5a不相同的，图5b中的头戴式显示设备502具有两个分开设置的显示器51-1、51-2。显示器51-1设置的位置可以与图5a的显示器51相同。显示器51-2则可与分光器58的另一个表面相邻设置。其中，显示器51-2所发送的显示影像可以直接穿透分光器58，再通过相位延迟片59以传送至子导光组件52b中。
78.附带一提的，在图5a、图5b的实施例中，其中的发光二极管ld可用以在执行眼球追踪动作中，投射光束至使用者的眼球。
79.以下请参照图6，图6示出本发明另一实施例的头戴式显示设备600的示意图。头戴式显示设备600包括显示器610、导光组件620、影像撷取器630、670、遮光器640、电控透镜650、电控光扩散器660以及处理器680。显示器610可周期性的交错提供显示影像img以及设定影像seti。导光组件620耦接显示器610。导光组件620分时根据显示影像img以及设定影像seti产生投射影像pg。其中，投射影像pg1被投射至电控透镜650。
80.另外，遮光器640配置在导光组件620与目标区tg间，遮光器640周期性的交错被禁能及致能。当遮光器640被致能时，光线无法通过遮光器640，当遮光器640被禁能时，光线可通过遮光器640。
81.影像撷取器630可用以周期性撷取目标区tg的目标区影像tgimg。当目标区tg对应用户眼睛的位置时，目标区影像tgimg可以为用户眼睛的影像。影像撷取器630耦接至处理器680，并传送目标区影像tgimg至处理器680。其中，目标区影像tgimg可以作为设定影像seti。在本发明实施例中，设定影像seti也可以是其他默认的影像。
82.在动作细节上，当显示器610提供设定影像seti时，遮光器640被致能。且同时，影像撷取器630撷取目标区影像tgimg。当显示器610提供显示影像img时，遮光器640被禁能，且影像撷取器630停止撷取目标区影像tgimg。
83.在另一方面，在本发明实施例中，影像撷取器670可用以撷取对向角色的眼球影像vr1，并用以作为对向角色的眼球追踪信息eti。处理器680根据眼球追踪信息eti以获得对向角色的视线方向，并使显示器610根据视线方向提供设定影像seti。
84.在另一方面，电控透镜650、电控光扩散器660可针对导光组件620所提供的投射画面pg进行尺寸上的调整，并将投射画面pg传送给对向角色，可达到社交模式的效果。
85.本实施例中的处理器680可以应用本领域具通常知识者所熟知，任意具运算能力
的处理器来实施，没有固定的限制。
86.在此可同步参照图6以及图7，其中图7示出本发明图6实施例的头戴式显示设备的动作流程示意图。其中，在步骤s711中，影像撷取器630可撷取使用者的眼睛画面。在步骤s712中，透过影像撷取器670的动作，可追踪对象角色的视线方向。并且，在步骤s720中，处理器680可分析对象角色的视线方向，并据以提供较佳的使用者的眼睛画面。并在步骤s730中，显示器610可提供使用者眼睛画面，来输出给对象角色观看，以达到社交模式的效果。
87.在此，请参见图8a、图8b示出的本发明实施例的使用者的眼睛画面的示意图。当对象角色的视线方向被判断出是直视使用者时，可产生如图8a所示的使用者正面的眼睛画面810。另外，若对象角色的视线方向被判断出是斜视(侧视)使用者时，则可产生如图8b所示的使用者正面的眼睛画面820。
88.以下请参照图9，图9示出本发明图6实施例的头戴式显示设备的动作时序图。其中，头戴式显示设备600的动作时序可以区分为多个连续的图像框周期fn1、fn2。在图像框周期fn1中，显示器610可在时间区间t1中先提供设定影像seti，接着再于时间区间t2中提供显示影像img。相对应的，在时间区间t1中，影像撷取器630执行使用者眼睛画面的撷取动作，影像撷取器670则可同步执行对象角色的眼球影像vr1的撷取动作。在此同时，电控透镜650、电控光扩散器660以及遮光器640皆被致能。如此一来，影像撷取器630所撷取到的使用者眼睛画面可以做为设定画面seti，并透过投射影像pg发送至对象角色端。使对象角色可以观察到用户的眼睛画面。
89.在时间区间t2中，电控透镜650、电控光扩散器660以及遮光器640皆被禁能，影像撷取器630、670皆被关闭。同时，显示器610提供显示画面img。在此时，遮光器640被禁能，导光组件620所传送的显示影像img可以穿透遮光器640以传送至使用者的眼睛。同时，环境光也可穿透遮光器640以传送至使用者的眼睛，让使用者可观察到虚拟现实及/或扩增实境的显示效果。
90.透过在每一图像框周期fn1～fn2中，交错的提供设定影像set1至对象角色及提供显示影像img至用户，可让使用者在体验虚拟现实及/或扩增实境的显示效果时，同步与对象角色进行社交互动，达到社交模式的效果。
91.附带一提的，本实施例的遮光器640周期性的操作在全开及全关间，有效提升用户视角的均匀度。
92.根据上述，本发明的头戴式显示设备，透过使显示器与遮光器的禁/致能动作相互配合，可达到隐私模式或社交模式的效果。另外，本发明的遮光器周期性操作在全开及全关的条件下，可有效提升用户视角的均匀度。
93.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。