CN103852891B

CN103852891B - 头戴式显示装置

Info

Publication number: CN103852891B
Application number: CN201210553467.XA
Authority: CN
Inventors: 张耀宗
Original assignee: Wistron Corp
Current assignee: Wistron Corp
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2032-12-19
Also published as: TWI481901B; CN103852891A; TW201423156A; US8964299B2; US20140153102A1

Abstract

一种头戴式显示装置，适于配置于至少一人眼前方。该头戴式显示装置包括一穿透式显示器、一焦距调整透镜以及一补偿透镜。焦距调整透镜配置于穿透式显示器与人眼之间。焦距调整透镜折射穿透式显示器所显示的一影像，以使影像成像于人眼的视网膜上。其中穿透式显示器配置于补偿透镜与焦距调整透镜之间。

Description

头戴式显示装置

技术领域

本发明涉及一种显示装置，特别是涉及一种头戴式显示装置(Head-MountedDisplay，HMD)。

背景技术

近年来随着显示科技以及相关技术日新月异的进步，显示器有着逐渐轻薄化的趋势以满足使用者对便携式的需求，头戴式显示器即是其中一种应用。一般而言，头戴式显示器已被设计成可供使用者经由眼镜式、护目镜式或头盔式可戴式装置来观看视讯信号。由于人眼水晶体与睫状肌的限制，因此人眼的最近可视范围有一极限。当物件的距离小于人眼的最近可视范围时，亦即物件与人眼太过接近的时候，物件的影像无法清晰地成像于人眼的视网膜上，因而人眼无法清楚地观察物件。因此，一般的头戴式显示器系统通常会将显示器配置在与人眼保持一定距离的位置上，以避免由于距离过近而使得人眼无法清楚观察头戴式显示器所显示的信息。然而，此设计会使得头戴式显示器体积庞大而不易配戴。若是为了缩小头戴式显示器的体积而拉近头戴式显示器与人眼的距离时，除了可能会造成人眼难以观看到清晰影像之外，亦可能会因过近距离而使得睫状肌长时间的收缩，造成眼睛疲劳或是视力模糊的情形。因此，如何有效缩小头戴式显示器的体积并同时能够维持显示器影像的清晰度是目前产业界亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明提供一种具有焦距调整透镜以及补偿透镜的头戴式显示装置。

本发明提出一种头戴式显示装置，适于配置于至少一人眼前方，头戴式显示装置包括一穿透式显示器(transmissive type display)、一焦距调整透镜以及一补偿透镜。焦距调整透镜配置于穿透式显示器与人眼之间，焦距调整透镜折射穿透式显示器所显示的一影像，以使影像成像于人眼的视网膜上。其中穿透式显示器配置于补偿透镜与焦距调整透镜之间。

在本发明的一实施例中，上述的穿透式显示器与人眼的距离小于人眼的一最短可视距离。

在本发明的一实施例中，上述的人眼通过焦距调整透镜观察到对应于穿透式显示器的一第一虚像，其中穿透式显示器位于第一虚像与焦距调整透镜之间。

在本发明的一实施例中，上述的一环境影像依序穿透补偿透镜、穿透式显示器以及焦距调整透镜成像于人眼的视网膜上，当环境影像穿透补偿透镜时会形成一第二虚像，第二虚像与环境影像位于补偿透镜同侧，而人眼通过焦距调整透镜观察到对应于第二虚像的一第三虚像，且第二虚像与第三虚像位于焦距调整透镜同侧。

在本发明的一实施例中，上述的补偿透镜的焦距为f₂，焦距调整透镜的焦距为f₁，焦距调整透镜与补偿透镜的距离为d，环境影像与补偿透镜在沿着人眼的光轴上的距离为p₂，第二虚像与补偿透镜在沿着人眼的光轴上的距离为q₂，其中补偿透镜与焦距调整透镜的关系满足下式：

其中α为误差参数，并且0.9≦α≦1.1

在本发明的一实施例中，上述的补偿透镜以及焦距调整透镜的直径大于人眼的瞳孔大小。

在本发明的一实施例中，上述的焦距调整透镜为一平凸透镜，且补偿透镜为一平凹透镜，焦距调整透镜中相对于一凸面的一平面与穿透式显示器胶合，且补偿透镜中相对于一凹面的一平面与穿透式显示器胶合，补偿透镜、穿透式显示器及焦距调整透镜形成一整体。

在本发明的一实施例中，头戴式显示装置还包括至少一个插槽，调整透镜、穿透式显示器及焦距调整透镜的至少其一可拆卸地依序插置入这些插槽中，以维持彼此的固定距离。

在本发明的一实施例中，上述的焦距调整透镜为一凸透镜，且补偿透镜为一凹透镜。

在本发明的一实施例中，上述的焦距调整透镜为一双凸透镜，且补偿透镜为一双凹透镜。

在本发明的一实施例中，上述的焦距调整透镜为一平凸透镜，且补偿透镜为一平凹透镜。

在本发明的一实施例中，上述的穿透式显示器还包括一通信单元，通信单元用以与外界装置沟通信息，其中通信单元可为有线通信或无线通信。

在本发明的一实施例中，上述的穿透式显示器还包括一控制单元，控制单元用以控制穿透式显示器的显示内容。

基于上述，本发明的一实施例藉由焦距调整透镜将穿透式显示器所显示的信息成像于人眼的视网膜上，可使得穿透式显示器与人眼的距离得以缩小，并且头戴式显示装置仍可提供人眼清晰的影像。

为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并结合附图详细说明如下。

附图说明

图1是本发明的一实施例中的头戴式显示装置的示意图。

图2A是依照图1的实施例中的焦距调整透镜的第一虚像的成像示意图。

图2B是依照图1的实施例中的补偿透镜的第二虚像的成像示意图。

图2C是依照图1的实施例中的补偿透镜的第三虚像的成像示意图。

图2D绘示出第一虚像、第二虚像以及第三虚像的成像示意图。

图3A是依照图1的实施例中焦距调整透镜的一种设计的示意图。

图3B是依照图1的实施例中焦距调整透镜的另一种设计的示意图。

图4A是本发明的另一实施例中的头戴式显示装置的示意图。

图4B是本发明的又一实施例中的头戴式显示装置的示意图。

附图符号说明

100、100a、100b：头戴式显示装置

110：穿透式显示器

120、120a、120b：焦距调整透镜

1201、1202、1301、1302：表面

130、130a、130b：补偿透镜

CM：通信单元

CN：控制单元

DN、DN’、DN”：直径

d、dh、ds、q：距离

EMB、EMB₀：影像光束

EM、IM：影像

f、f₁、f₂：焦距

FH：头戴件

HE：人眼

IM：影像

P₁、P₂：物距

q₁、q₂：像距

R：视网膜

r、r₁、r₁’、r₂、R₁、R₂：曲率半径

SF、SP：平面

SA：凸面

ST：插槽

SU：凹面

TH、TH’：厚度

V1：第一虚像

V2：第二虚像

V3：第三虚像

Z：焦平面

Z₀：位置

具体实施方式

图1是本发明的一实施例中的头戴式显示装置的示意图。请参照图1，在本实施例中，头戴式显示装置100适于配置于至少一人眼HE前方，头戴式显示装置100包括一穿透式显示器110、一焦距调整透镜120以及一补偿透镜130。焦距调整透镜120配置于穿透式显示器110与人眼之间，焦距调整透镜120折射穿透式显示器110所显示的一影像IM，以使影像IM成像于人眼HE的视网膜R上。其中，焦距调整透镜120为一凸透镜，且在本实施例中焦距调整透镜120以双凸透镜为例，但本发明不以此为限，在其他实施例中，焦距调整透镜120亦可以是平凸透镜。并且，补偿透镜130为一凹透镜，且在本实施例中补偿透镜130以双凹透镜为例，但本发明不以此为限，在其他实施例中，补偿透镜130亦可以是平凹透镜。如图1所示，穿透式显示器110配置于补偿透镜130与焦距调整透镜120之间。人眼HE可通过焦距调整透镜120观察穿透式显示器110所显示的一影像IM，并且亦可依序通过焦距调整透镜120、穿透式显示器110以及补偿透镜130观察到外界的环境，如图1中所绘示的环境影像EM。换言之，人眼HE可藉由头戴式显示装置100同时地观看环境影像EM以及穿透式显示器110所显示的影像IM，而能够在不影响使用者日常活动的情形之下，利用头戴式显示装置100所提供的信息(例如交通信息、气象预报、提示行程、来电讯息、地图导航以及时间提示等信息，本发明不以此为限)，以便利使用者的生活。

此外，在本实施例中，头戴式显示装置100可还包括一头戴件FH，穿透式显示器110、焦距调整透镜120以及补偿透镜130皆可配置于其上。在图1的实施例中，头戴件FH为例如为一眼镜架，然而在其他实施例中，头戴件FH亦可以是任何适于配戴于眼睛附近的部件，本发明并不以此为限。穿透式显示器110可还包括一通信单元CM与控制单元CN。其中，通信单元CM与控制单元CN可配置在头戴式显示装置100中不致于阻碍人眼HE观看环境影像EM以及穿透式显示器110所显示的显示讯息之处，例如图1中的眼镜架与透镜的连接处附近等。控制单元CN可包括一中央处理器(central processing unit，CPU)或微控制处理器(microcontroller)等，可用以控制穿透式显示器110所显示的信息内容，或是处理相关信息等。通信单元CM可用以与外界装置(如网路伺服器、无线讯号收发站等)沟通信息，其中通信单元CM可为有线通信或无线通信。藉此，穿透式显示器110可藉由通信单元CM而取得信息，例如在驾驶汽车时，头戴式显示装置100可接收地图导航的信息并随时更新提供给使用者，或是当使用者欲搭乘大众交通工具如地铁时，头戴式显示装置100可接收目前的发车时刻表，可更进一步地增加头戴式显示装置100的使用便利性。

详细而言，在本实施例中，穿透式显示器110与人眼HE的距离dh可小于人眼HE的一最短可视距离。换言之，穿透式显示器110可配置在很靠近人眼HE的位置，通过焦距调整透镜120的调整，可以使原本无法清晰成像在人眼HE视网膜R上的穿透式显示器110的影像IM，清晰地在人眼HE视网膜R上成像。在本实施例中，焦距调整透镜120可为一双凸透镜，然而在其他实施例中，焦距调整透镜120亦可为平凸透镜或是任何具有聚焦能力的透镜者，本发明不以此为限。藉此，可避免人眼HE在最短可视距离之内无法看清物体的限制，亦可避免人眼HE为了观察过近物体而过度收缩睫状肌与增厚水晶体而有疲劳，甚至造成假性近视的情形。其中，最短可视距离代表人眼HE在一般情况下所可以清楚观察物体的最短距离，通常与人眼HE的水晶体调节能力有关且因人而异，在本实施例中，人眼HE的最短可视距离例如小于7.5公分，然本发明不以此为限。此外，在本实施例中，通过焦距调整透镜120的调整，可使得穿透式显示器110可配置在与人眼HE很接近的位置(例如在人眼HE未配戴眼镜时的最短可视距离之内)而仍可清晰成像。因此，头戴式显示装置100的体积可进一步地缩小，并仍可维持良好的影像品质，亦有利于使用者舒适的使用。

然而，焦距调整透镜120的配置会影响原本可以清晰成像在人眼HE视网膜R上的环境影像EM，可能会使得环境影像EM提前汇聚而成像于视网膜R的前方而使人眼HE观察到模糊的影像EM(如图1中所绘示的影像光束EMB₀，是在未配置补偿透镜130的情形下环境影像EM汇聚于视网膜R前方一位置Z₀的焦平面Z上而无法清晰成像在视网膜R上)。补偿透镜130的配置可补偿此一效应，使得来自外界的环境影像EM先通过补偿透镜130再传递至穿透式显示器110以及焦距调整透镜120，进而使人眼HE清楚观察到环境影像EM(如影像光束EMB通过补偿透镜130的补偿后可清楚成像于视网膜R上)。如此一来，人眼HE可在清楚的观察穿透式显示器110的影像IM的同时，而仍可清晰地观察到来自周遭环境的环境影像，进而可增加使用者与环境的互动，以及提升扩增实境(augmented reality，AR)的真实感以及影像品质。在本实施例中，补偿透镜130可为一双凹透镜，然而在其他实施例中，补偿透镜130亦可为平凹透镜或是任何具有发散能力的透镜者，本发明不以此为限。

图2A是依照图1的实施例中的焦距调整透镜的第一虚像的成像示意图。请参照图2A，详细而言，人眼HE可通过焦距调整透镜120观察到对应于穿透式显示器110的一第一虚像V1，其中穿透式显示器110位于第一虚像V1与焦距调整透镜120之间。举例而言，在本实施例中，焦距调整透镜120的焦距为f₁，穿透式显示器110与焦距调整透镜120的距离为ds，此时人眼HE可通过焦距调整透镜120观察到穿透式显示器110的正立放大的第一虚像V1，详细而言，第一虚像V1与焦距调整透镜120的透镜中心距离为像距q₁＝(ds+q)，且物距P₁为ds，又因物距P₁小于焦距f₁，所得成像为第一虚像V1，故令像距q₁为负值，因此物距P₁与像距q₁满足下式：

在本实施例中，为了使人眼HE可通过焦距调整透镜120而能观察到穿透式显示器110所显示的影像的第一虚像V1，因此穿透式显示器110可配置得很靠近焦距调整透镜120的焦距f₁之内。而另一方面，穿透式显示器110与人眼HE的距离dh可小于人眼HE的一最短可视距离，人眼HE仍可藉由焦距调整透镜120观察到穿透式显示器110正立放大的第一虚像V1，其中第一虚像V1与人眼HE位于穿透式显示器110的相异两侧。

图2B是依照图1的实施例中的补偿透镜的第二虚像的成像示意图。图2C是依照图1的实施例中的补偿透镜的第三虚像的成像示意图。请先参照图2B，在本实施例中，环境影像EM可依序穿透补偿透镜130、穿透式显示器110以及焦距调整透镜120成像于视网膜R上，当环境影像EM穿透补偿透镜130时会形成一第二虚像V2，第二虚像V2与环境影像EM位于补偿透镜130同侧，亦即如图2B所绘示，第二虚像V2与环境影像EM皆位于补偿透镜130距离人眼HE较远的一侧，以使人眼HE观察到环境影像EM正立缩小的第二虚像V2。其中，补偿透镜130的焦距为f₂，环境影像EM与补偿透镜130透镜中心的距离为物距P₂，第二虚像V2与补偿透镜130透镜中心的距离为像距q₂，又因物距P₂小于焦距f₂，所得成像为第二虚像V2，故令像距q₂为负值，因此物距P₂、像距q₂满足下式：

接着请参照图2C，当同时考虑焦距调整透镜120与补偿透镜130的效应时，此时人眼HE可通过焦距调整透镜120观察到对应于第二虚像V2的一第三虚像V3，且第二虚像V2与第三虚像V3位于焦距调整透镜120同侧，亦即如图2C所绘示，第二虚像V2与第三虚像V3皆位于补偿透镜130距离人眼HE较远的一侧。其中，为了使得人眼HE在观看穿透式显示器110的第一虚像V1的同时，亦仍可保持与周遭环境的相对距离感觉，换言之，使用者在使用头戴式显示装置100时，仍可通过一焦距调整透镜120、穿透式显示器110以及一补偿透镜130而观看到大小距离与未佩带头戴式显示装置100之前相差不多的环境影像EM。亦即，第三虚像V3的成像位置与实际上环境影像EM在空间中所存在的位置对于人眼HE而言很相近，在本实施例中，第三虚像V3与人眼HE的距离以及与实际上环境影像EM与人眼HE的距离可介于一范围内，以使得人眼HE能够在不影响对周遭环境的距离感的情况下，利用焦距调整透镜120观看穿透式显示器110所显示的信息画面，并且头戴式显示装置100的体积可以藉此降低，并仍可具有良好的影像显示品质并可不必牺牲使用者对周遭的距离感。举例而言，在本实施例中，以10％的影像大小误差范围为例，当环境影像EM与人眼的距离范围为90至110公分时，第三虚像V3与人眼HE的距离范围为90至110公分；换言之，在此一范围内，人眼HE所观察到的环境影像EM的影像大小的误差在10％内，并可同时观察到穿透式显示器110所显示的信息画面。

更详细而言，为了达到此一目的，焦距调整透镜120与补偿透镜130的焦距关系可如下式设计：

其中α为误差参数，并且0.9≦α≦1.1。若环境影像EM距离人眼HE不远(在本实施例中，例如距离小于250mm)时，补偿透镜130的焦距f₂与焦距调整透镜120的焦距f₁的比值的绝对值小于1，亦即补偿透镜130的焦距f₂略小于焦距调整透镜120的焦距f₁。藉此，人眼HE可在例如室内等周遭环境较近的地区使用头戴式显示装置100观看到良好的穿透式显示器110所显示的影像以及环境影像EM的影像。然而，若环境影像EM距离人眼HE很远(在本实施例中，例如距离大于或等于250mm)时，补偿透镜130与焦距调整透镜120之间的距离d相对于第二虚像V2的物距P₂及像距q₂很小而可忽略，此时补偿透镜130的焦距f₂与焦距调整透镜120的焦距f₁的比值的绝对值很接近1，在实际应用上可简化设计而将补偿透镜130的焦距f₂设计与焦距调整透镜120的焦距f₁相同。藉此，人眼HE可在例如室外等周遭环境较广的地区使用头戴式显示装置100观看到良好的穿透式显示器110所显示的影像以及环境影像EM的影像。更进一步而言，在本实施例中，焦距调整透镜120的焦距f₁以及曲率半径r₁及r₂，与补偿透镜130的焦距f₂以及曲率半径R₁及R₂的详细数值可举例如下表1：

表1

其中，表1中物距q₂小于250毫米时的数据是以焦距调整透镜120与补偿透镜130之间的距离d为10毫米以及物距P₂等于像距q₂等于250毫米所计算而出。值得注意的是，表1中的数据仅用于举例说明本实施例，在其他实施例中可因应实际设计上的需求而有所不同，本发明不以此为限。值得注意的是，表1中的曲率半径r₁、r₂、R₁与R₂的正负值代表透镜表面弯曲的方向。换言之，在本实施例中，曲率半径为正值代表曲率中心在透镜表面的右方，而曲率半径为负值则代表曲率中心在透镜表面的左方。举例而言，请参考图1，焦距调整透镜120的表面1201的曲率中心在表面1201的左方，因此表面1201的曲率半径r1记为负值，而焦距调整透镜120的表面1202的曲率中心在表面1202的右方，因此表面1202的曲率半径r2记为正值。另一方面，补偿透镜130的表面1301的曲率中心在表面1301的左方，因此表面1301的曲率半径R1记为负值，而补偿透镜130的表面1302的曲率中心在表面1302的右方，因此表面1302的曲率半径R2记为正值。

图2D绘示出第一虚像、第二虚像以及第三虚像的成像示意图。请参照图2D，在本实施例中，图2A绘示出人眼HE所观察到的第一虚像V1(亦即穿透式显示器110所显示的影像IM的虚像)的成像位置，而图2C则绘示出人眼HE所观察到的第三虚像V3(亦即环境影像EM的第二虚像V2的虚像)的成像位置。在图2D中，人眼HE通过头戴式显示装置100可观察到的影像为第一虚像V1(来自穿透式显示器110)及第三虚像V3(来自环境影像EM)，其中第三虚像V3的成像位置与实际上环境影像EM在空间中所存在的位置对于人眼HE而言很相近，所以第三虚像V3相对于人眼HE的距离与真实的环境影像EM相对于人眼HE的距离很接近，如此可避免人眼HE产生大小距离上的错觉而造成使用上的不便。此外，人眼HE亦可同时观看穿透式显示器110所显示的影像内容，而能够以便利使用者的生活及添增乐趣。

图3A是依照图1的实施例中焦距调整透镜的一种设计的示意图。图3B是依照图1的实施例中焦距调整透镜的另一种设计的示意图。请参照图1、图3A及图3B，在本实施例中，补偿透镜130以及焦距调整透镜120的直径可大于人眼HE的瞳孔大小。详细而言，由于头戴式显示装置100配置在很靠近人眼HE的位置上(在本实施例中例如为15至20毫米)，因此为了使得人眼HE可以舒适地观看穿透式显示装置110的影像内容，因此可通过焦距调整透镜120将穿透式显示装置110的影像IM延至距离人眼HE较远处(在本实施例中例如为80毫米)以利于人眼HE观看。并且，在本实施例中，焦距调整透镜120与穿透式显示器110的距离ds约为5毫米，通过下式：

其中n₁₂是透镜材质对空气的折射率(refraction index)，在本实施例中以聚碳酸酯(polycarbonate，PC)为例，其折射率约为1.584至1.586，并且在焦距调整透镜120与穿透式显示器110的距离ds为5毫米(亦即物距P)，并且欲使人眼HE所感受到的穿透式显示装置110与人眼HE的距离为80毫米的条件之下，可计算出焦距调整透镜120的焦距f₁约为5.333毫米。在本实施例中，焦距调整透镜120例如为双凸透镜，并且焦距调整透镜120的双凸表面的曲率半径r₁与r₂相同(并简称为曲率半径r)，并可由上述关系计算出r约为6.4994毫米(如图3A中所绘示)。然而，除了考虑焦距调整透镜120的焦距以及曲率半径r之外，人眼HE的瞳孔大小亦是考虑的因素之一。一般而言，人眼HE瞳孔的直径大小范围可介于1.5毫米至8毫米之间，而日常视物时的人眼HE瞳孔大小可约为2毫米至3毫米。为了能够符合广泛的使用者及使用场合，因此在本实施例中，焦距调整透镜120的直径至少要大于或等于人眼HE的瞳孔直径大小(以8毫米为例)。请继续参考图3A，焦距调整透镜120的曲率半径r约为6.4994毫米，而焦距调整透镜120的直径DN为10毫米，因此可推算得出rsinθ＝5(毫米)。而焦距调整透镜120的厚度TH可藉由下式推算而得出：

θ＝arc(sin(5/r))，TH＝2·r(1-cosθ)

代入上述相关的数值，可计算出厚度TH约为4.694毫米，亦即焦距调整透镜120的厚度TH足以使得焦距调整透镜120的透镜中心与穿透式显示器110的距离维持5毫米，同时亦可实现图1到图2D中所述的焦距调整透镜120的功效。

然而，请参照图3B，当焦距调整透镜如图3B中所绘示的平凸透镜的焦距调整透镜120’时，由于曲率半径r₁’为无限大，因此r₂的数值可通过上述关系算出约为3.2496毫米，因此，若焦距调整透镜120’的直径DN’维持10毫米，此时的rsinθ＝5(毫米)，但由于图3B中的r＝3.2496毫米，并且sinθ≦1，亦即在这样的平凹透镜的设计由于曲率半径r需要设计得较双凸透镜更小，因此可能会使得焦距调整透镜120’的透镜直径大小会过小而无法完全对应人眼HE的瞳孔大小。然而，若设定瞳孔的大小为6毫米的直径DN”，则TH’可根据下式：

θ＝arc(sin(3/r))，TH'＝2·r(1-cosθ)

经计算后，TH’约为1.2489毫米，亦即在人眼HE瞳孔的大小为6毫米的情况下，焦距调整透镜120的厚度TH足以使得焦距调整透镜120的透镜中心与穿透式显示器110的距离维持5毫米，如此即可在稍为减少人眼HE可视范围大小的情形之下达到与双凸透镜形状的焦距调整透镜120相似的功效。

图4A是本发明的另一实施例中的头戴式显示装置的示意图。图4B是本发明的又一实施例中的头戴式显示装置的示意图。请先参照图4A，在本实施例中，焦距调整透镜120a可为一平凸透镜，且补偿透镜130a为一平凹透镜，焦距调整透镜120a中相对于一凸面SA的一平面SF与穿透式显示器110胶合，且补偿透镜130a中相对于一凹面SU的一平面SP与穿透式显示器110胶合，补偿透镜130a、穿透式显示器110及焦距调整透镜120a形成一整体。藉此，可进一步地降低头戴式显示装置100a的厚度及重量，以增加使用上的便利性以及长时间使用的舒适性。其中，补偿透镜130a、穿透式显示器110及焦距调整透镜120a的胶合方式可以通过全平面贴合(direct bond)或是口字形贴合(air bond)的方式结合。亦或是，可藉由在补偿透镜130a的平面SP上利用有机发光二极管(organic light emitting diode，OLED)或是薄膜晶体管层液晶显示器(thin film transistor liquid crystal display，TFT-LCD)的制造技术制作穿透式显示器110，再于穿透式显示器110与焦距调整透镜120a胶合。并且，在其他实施例中，双凸透镜形状的焦距调整透镜120以及双凹透镜形状的补偿透镜130亦可用上述的方式结合为一整体，本发明不以此为限。

接着请再参照图4B，头戴式显示器100b可还包括多个插槽ST，调整透镜130b、穿透式显示器110及焦距调整透镜120b可拆卸地依序插置入这些插槽ST中，以维持彼此的固定距离。此外，亦可依据需求而更换具有不同功能的透镜，例如具有紫外线滤光膜的调整透镜130b，或是依照使用者的个人视力状态(近、远视)而设计的焦距调整透镜120b等。然而，在其他实施例中，调整透镜130b、穿透式显示器110及焦距调整透镜120b三者中亦可有其中一个或二个固定配置在头戴式显示装置100b内，本发明不以此为限。并且，图4B中所绘示的插槽ST的方向与数量仅用于说明本实施例，本发明不以此为限。

综上所述，本发明的实施例借着将焦距调整透镜配置于人眼与穿透式显示器之间，当穿透式显示器位于人眼最小可视距离时，人眼仍可清楚地观看穿透式显示器所显示的信息。并且，本发明的实施例利用补偿透镜补偿配置焦距调整透镜对周遭环境影像的改变，可使得当人眼能够清楚观看穿透式显示器的同时，仍可同时观察到与实际环境大致相同的影像而可维持距离感。

虽然本发明已以实施例揭示如上，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的前提下，可作若干的更动与润饰，故本发明的保护范围是以本发明的权利要求为准。

Claims

1.一种头戴式显示装置，适于配置于至少一人眼前方，该头戴式显示装置包括：

一穿透式显示器；

一焦距调整透镜，配置于该穿透式显示器与该人眼之间，该焦距调整透镜折射该穿透式显示器所显示的一影像，以使该影像成像于该人眼的视网膜上；以及

一补偿透镜，其中该穿透式显示器配置于该补偿透镜与该焦距调整透镜之间，

其中该人眼通过该焦距调整透镜观察到对应于该穿透式显示器的一第一虚像，其中该穿透式显示器位于该第一虚像与该焦距调整透镜之间，

其中一环境影像依序穿透该补偿透镜、该穿透式显示器以及该焦距调整透镜成像于该人眼的视网膜上，当该环境影像穿透该补偿透镜时会形成一第二虚像，该第二虚像与该环境影像位于该补偿透镜同侧，而该人眼通过该焦距调整透镜观察到对应于该第二虚像的一第三虚像，且该第二虚像与该第三虚像位于该焦距调整透镜同侧，

其中该补偿透镜的焦距为f₂，该焦距调整透镜的焦距为f₁，该焦距调整透镜与该补偿透镜的距离为d，该环境影像与该补偿透镜在沿着该人眼的光轴上的距离为p₂，该第二虚像与该补偿透镜在沿着该人眼的光轴上的距离为q₂，其中该补偿透镜与该焦距调整透镜的关系满足下式：

\frac{f_{2}}{f_{1}} = \frac{- (p_{2} \cdot q_{2})}{(q_{2} + d) \cdot (p_{2} + d)} \cdot α

其中α为误差参数，并且0.9≦α≦1.1。

2.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中该穿透式显示器与该人眼的距离小于该人眼的一最短可视距离。

3.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中该补偿透镜以及该焦距调整透镜的直径大于该人眼的瞳孔大小。

4.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中该焦距调整透镜为一平凸透镜，且该补偿透镜为一平凹透镜，该焦距调整透镜中相对于一凸面的一平面与该穿透式显示器胶合，且该补偿透镜中相对于一凹面的一平面与该穿透式显示器胶合，该补偿透镜、该穿透式显示器及该焦距调整透镜形成一整体。

5.如权利要求1所述的头戴式显示装置，还包括至少一个插槽，具有紫外线滤光膜的调整透镜、该穿透式显示器及该焦距调整透镜的至少其一可拆卸地依序插置入该插槽中，以维持彼此的固定距离。

6.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中该焦距调整透镜为一凸透镜，且该补偿透镜为一凹透镜。

7.如权利要求6所述的头戴式显示装置，其中该焦距调整透镜为一双凸透镜，且该补偿透镜为一双凹透镜。

8.如权利要求6所述的头戴式显示装置，其中该焦距调整透镜为一平凸透镜，且该补偿透镜为一平凹透镜。

9.如权利要求2所述的头戴式显示装置，其中该穿透式显示器还包括一通信单元，该通信单元用以与外界装置沟通信息，其中该通信单元可为有线通信或无线通信。

10.如权利要求2所述的头戴式显示装置，其中该穿透式显示器还包括一控制单元，该控制单元用以控制该穿透式显示器的显示内容。