CN105319715B - 头戴式显示装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种头戴式显示装置，所述头戴式显示装置包括显示单元和光学元件，显示单元包括基底和显示元件。基底包括多个显示部分和多个光透射部分，显示元件位于基底的所述多个显示部分上。光学元件位于从显示单元发射的光的光路中并且具有分别与所述多个光透射部分对应的通孔。

Description

头戴式显示装置

本申请要求于2014年7月29日在韩国知识产权局提交的第10-2014-0096760号韩国专利申请的优先权和权益，该韩国专利申请的公开内容通过引用全部包含于此。

技术领域

本发明的一个或更多个实施例涉及一种头戴式显示装置。

背景技术

通常，具有类似眼镜的形状或类似头盔的形状且可以安装在用户的头部上的头戴式显示装置能够使用户感知显示在用户的眼睛前面的图像。已经对透视型(see-through)头戴式显示装置进行了研究，该透视型头戴式显示装置不仅能够使用户感知显示在用户的眼睛前面的图像，还能够使用户感知透视型头戴式显示装置后侧处的背景。

发明内容

在传统的透视型头戴式显示装置中，用户感知显示在用户的眼睛前面(例如，显示在显示装置上)的图像时的焦距和用户感知在透视型头戴式显示装置后侧处的背景时的焦距彼此不同，从而导致用户的眼疲劳。

本发明的一个或更多个实施例包括一种可以通过减小视差来减轻用户的眼疲劳的透视型头戴式显示装置。

将在下面的描述中部分地阐述本发明的实施例的另外的方面，本发明的另外的方面部分地将通过描述而变得明显，或者可以通过给出的实施例的实施而获知。

根据本发明的一个或更多个实施例，一种头戴式显示装置包括：显示单元，包括基底和显示元件，基底包括多个显示部分和多个光透射部分，显示元件位于基底的所述多个显示部分上；光学元件，位于从显示单元发射的光的光路中并且具有分别与所述多个光透射部分对应的通孔。

所述多个显示部分可以彼此分开，光透射部分可以位于所述多个显示部分中的相应的显示部分之间。

显示元件可以是非透射元件。

光学元件可以被构造为将从显示元件发射的光聚焦到预设点上。光学元件可以是具有所述通孔的菲涅耳透镜或全息光学元件(HOE)。

所述多个显示部分可以是彼此分开的多条平行的线性的形状。

所述头戴式显示装置还可以包括容纳显示单元和光学元件并且被构造为放置在用户的头部上的框架。

附图说明

通过下面结合附图对本发明的示例实施例的描述，这些和/或其它方面将变得明显并更容易理解，在附图中：

图1是示出根据本发明的实施例的头戴式显示装置的侧视图；

图2和图3是示出制造图1中示出的头戴式显示装置的光学元件的工艺的侧视图；

图4是示出图1中示出的头戴式显示装置的光透射部分和显示部分的概念透视图；以及

图5是示出根据本发明的实施例的头戴式显示装置的透视图。

具体实施方式

如在这里使用的，术语“和/或”包括一个或更多个相关所列项的任何和所有组合。当诸如“…中的至少一个(种)”的表述在一系列元件(要素)之后时，修饰整个系列的元件(元素)，而不是修饰系列中的个别元件(要素)。

本发明可以包括各种实施例和修改，本发明的示例性实施例将在附图中示出并且将在此详细描述。通过下面结合附图对示例实施例的描述，本发明的实施例的多个方面和特征及其相关方法将变得明显。然而，本发明不限于下面描述的实施例，并可以以各种、不同的方式来实施。

将理解的是，当层、膜、区域或板被称作“在”另一层、膜、区域或板“上”或者“形成在”另一层、膜、区域或板“上”时，它可以直接地或间接地在所述另一层、膜、区域或板上，或者直接地或间接地形成在所述另一层、膜、区域或板上。即，例如，可以存在中间层、膜、区域或板。在附图中，为了便于解释，可以夸大元件的尺寸。换言之，因为附图中的元件的尺寸和厚度是为了便于解释而任意地示出的，所以下面的实施例不限于此。另外，当元件被称作“结合到”或“连接到”另一元件时，该元件可以直接结合到或连接到所述另一元件，或者可以间接地结合到或连接到所述另一元件且在它们之间设置有一个或更多个中间元件。

在下面的示例中，x轴、y轴和z轴不限于直角坐标系的三个轴，而是可以以更宽泛的含义来解释。例如，x轴、y轴和z轴可以相互垂直或者可以代表互不垂直的不同方向。

图1是示出根据本发明的实施例的头戴式显示装置的侧视图。

参照图1，头戴式显示装置包括显示单元和光学元件30。显示单元包括基底10和在(例如，设置在)基底10上的显示元件20。

基底10可以由一种或更多种各种适合的材料形成，例如，由玻璃材料或者诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚酰亚胺的塑料材料形成。基底10是光透射基底。基底10包括多个显示部分Wb和光透射部分Wt。例如，基底10包括彼此分开(例如，分隔开)的多个显示部分Wb，并且包括作为位于多个显示部分Wb中的显示部分Wb之间的部分的光透射部分Wt。虽然光透射部分Wt是位于多个显示部分Wb中的显示部分Wb之间的部分，但是光透射部分Wt可以不完全地填充位于多个显示部分Wb中的显示部分Wb之间的部分。例如，光透射部分Wt可以部分地对应于多个显示部分Wb中的显示部分Wb之间的部分。

彼此分开的多个显示部分Wb可以具有一种或更多种各种适合的图案。例如，多个显示部分Wb可以具有在一个方向(例如，图4中示出的z方向)上延伸的多条平行的线性的形状。

显示元件20位于基底10的多个显示部分Wb上。显示元件20可以包括一种或更多种各种适合的元件，例如，有机发光显示元件。当基底10是柔性的并且有机发光显示元件形成在基底10上时，显示单元是柔性的，并且可以容易地制造具有各种曲率半径(例如，预设或预定的曲率半径)的头戴式显示装置。

光学元件30在从显示单元(例如，从显示元件20)发射的光L1的光路中。将光学元件30定位为使得从显示元件20发射的光L1在到达用户的眼球40之前经过光学元件30。光学元件30是光透射元件。虽然在图1中光学元件30与显示元件20分开(例如，分隔开)，但是本发明不限于此。例如，当显示元件20位于包封基底中或位于结合到基底10的包封膜中时，光学元件30可以结合到(例如，附着到)包封基底或包封膜。

当头戴式显示装置放置在用户的头部上时，头戴式显示装置的显示元件20位于用户的眼球40前面。然而，因为人眼的最短焦距通常为大约20cm，所以如果显示元件20未与用户的眼球40分开大约20cm或更远，则用户难以容易地感知显示在包括显示元件20的显示单元上的图像。因此，头戴式显示装置会具有如下问题：为了使显示单元与用户的眼睛分开大约20cm或更远，增大头戴式显示装置的体积。

然而，因为图1中示出的头戴式显示装置包括位于从显示单元发射的光L1的光路中的光学元件30，并且因为光学元件30具有与例如凸透镜基本相同或同样的效果，所以即使当显示单元和用户的眼睛之间的距离小于大约20cm时，用户也可以清楚地且容易地感知显示在显示单元上的图像。例如，光学元件30可以将从显示元件20发射的光L1聚焦于或聚焦到预设点P，例如，用户的眼球40的晶状体。

当光学元件30的体积增大时，头戴式显示装置的体积也增大。因此，期望减小光学元件30的体积。为此，光学元件30可以包括菲涅耳透镜(Fresnel lens)或全息光学元件(“HOE”)(例如，HOE透镜)。

光学元件30可以被图案化为与基底10的多个显示部分Wb对应。光学元件30被图案化为与图1中的多个显示元件20对应。因此，从多个显示元件20发射的光L1可以在到达用户的眼球40之前经过光学元件30，因此，即使当显示元件20和用户的眼球40之间的距离小于大约20cm时，用户也可以清楚地且容易地感知显示在包括显示元件20的显示单元上的图像。

因为基底10是光透射基底，所以从头戴式显示装置后侧处的背景发射或反射的光L2可以经过基底10的光透射部分Wt，然后可以经过显示单元并且可以到达用户的眼球40。即，图1中示出的头戴式显示装置可以是透视型头戴式显示装置。在本实施例中，从头戴式显示装置后侧处的背景发射或反射的光L2可以经过基底10的光透射部分Wt，并且可以到达用户的眼球40而无需经过光学元件30。

例如，因为光学元件30被图案化为与基底10的多个显示部分Wb对应并且具有与基底10的光透射部分Wt对应的通孔30a(见图3)，所以从头戴式显示装置后侧处的背景发射或反射的光L2可以经过基底10的光透射部分Wt，然后可以经过光学元件30的通孔30a，然后可以到达用户的眼球40。因此，从头戴式显示装置后侧处的背景发射或反射的光L2(例如，从头戴式显示装置的后侧处的背景发射或反射的经过基底10的光透射部分Wt的光)可以在没有被光学元件30折射的情况下到达用户的眼球40，就像用户未使用头戴式显示装置时光到达用户的眼球40一样。

因此，当使用图1中示出的头戴式显示装置时，用户感知显示在用户的眼睛前面的图像时(例如，用户感知由头戴式显示装置显示的图像时)的焦距和用户感知头戴式显示装置后侧处的背景时的焦距彼此不是极大地或本质地不同，从而防止或极大地减轻了用户的眼疲劳。

可以通过使用图2和图3中示出的工艺来制造光学元件30。当光学元件30包括菲涅耳透镜30'时，可以通过如下步骤来制造包括通孔30a的菲涅耳透镜型光学元件30：首先如图2所示，制造菲涅耳透镜30'，然后如图3所示，通过执行图案化等(例如，通过蚀刻)去除菲涅耳透镜30'的一部分或多个部分(例如，预设或预定的一部分或多个部分)。

从开始(例如，在不执行图案化等的情况下)将光学元件30制造成具有诸如图3中示出的形状的工艺通常是非常复杂的，并且一旦头戴式显示装置的尺寸或分辨率改变或变化时，通常也要改变制造光学元件30的工艺或设备。然而，如图2和图3所示，当首先制造菲涅耳透镜30'，然后从菲涅耳透镜30'去除一部分或多个部分(例如，预设或预定的一部分或多个部分)时，因为仅需要控制去除所述部分的工艺，所以可以容易地制造包括通孔30a的光学元件30。另外，即使当头戴式显示装置的尺寸或分辨率改变或变化时，因为可以在不改变的情况下制造菲涅耳透镜30'，并且仅需要改变去除所述部分的后续工艺，所以可以极大地改善制造效率。

与图3不同，通孔30a可以不形成在光学元件30的边缘处(例如，可以不形成在整个光学元件30周围)，为了容易操作可以一体地形成光学元件30。可选择地，可以在将图2中示出的菲涅耳透镜30'结合到显示单元(例如，结合到基底10)的状态下从菲涅耳透镜30'去除所述部分。此外，本发明不限于菲涅耳透镜30'，并且只要可以将从显示元件20发射的光L1聚焦于预设的点或位置(诸如，用户的眼球40中的眼睛晶状体)，则可以通过例如图案化来使用任何的各种适合的光学元件，诸如HOE、微透镜阵列或棱镜。

在基底10的多个显示部分Wb上的显示元件20可以是非透射元件(例如，可以不允许外部光透射通过所述元件)。如果显示元件20是光透射元件，则从头戴式显示装置后侧处的背景发射或反射的光L2中的光经过显示元件20，被光学元件30折射，然后到达用户的眼球40。

例如，如果显示元件20是光透射元件，则从头戴式显示装置后侧处的背景发射或反射的光L2中的一部分经过光学元件30的通孔30a，然后到达用户的眼球40，光L2的另一部分经过除了光学元件30的通孔30a之外的部分，被光学元件30折射，然后到达用户的眼球40。在这种情况下，用户无法正确地感知头戴式显示装置后侧处的背景。因此，在基底10的多个显示部分Wb上的显示元件20应该是非透射元件(例如，不应该使外部光透射通过所述元件)。从这个意义上讲，基底10的多个显示部分Wb可以被称作阻挡部分。

当显示元件20是非透射元件时，每个显示元件20可以包括含有非透射材料的像素电极，或者每个显示元件20可以包括含有非透射材料的诸如薄膜晶体管(TFT)、电容器或布线的电子元件。

可以以各种方式限定基底10的光透射部分Wt和显示部分Wb。图4是以显示单元的一个像素P的方式示出图1中示出的头戴式显示装置的光透射部分Wt和显示部分Wb的概念透视图。基底10的其上设置有一个像素P的部分可以包括如图1所示的显示部分Wb和光透射部分Wt。

参照图4，一个像素P可以包括例如三个子像素，一个像素P可以包括三个显示元件SP1、SP2和SP3。在本实施例中，基底10的其上设置有三个显示元件SP1、SP2和SP3的部分可以被限定为显示部分Wb，即，例如阻挡部分。从显示元件SP1、SP2和SP3发射的光L1经过除了光学元件30的通孔30a之外的部分，被光学元件30折射，然后到达用户的眼球40。

为了将电信号施加到显示元件SP1、SP2和SP3，各种布线CL可以位于基底10上。基底10的其上设置有布线CL的部分也可以被限定为显示部分Wb。在本实施例中，未被显示元件SP1、SP2和SP3或者布线CL占据的部分可以被限定为基底10的光透射部分Wt。

可选择地，因为位于基底10上用以将电信号施加到显示元件SP1、SP2和SP3的布线CL不是用于显示图像的元件(例如，不显示图像)，所以基底10的其上设置有布线CL的部分可以不被限定为显示部分Wb。例如，基底10的其上设置有布线CL的部分可以被限定为光透射部分Wt的一部分。在本实施例中，光透射部分Wt可以在基底10上彼此结合(例如，布置在基底10上)以具有网格形状。可选择地，基底10的其上设置有布线CL的部分可以被限定为第三部分，例如，不是显示部分Wt并且不是光透射部分Wt。

图5是示出根据本发明的实施例的头戴式显示装置100的透视图。参照图5，头戴式显示装置100包括框架，其中，在框架中容置光学元件30以及包括基底10和显示元件20的显示单元并且框架成形为放置在(例如，安装在)用户的头部上(例如，由用户戴在他或她的头部上)。

已经对头戴式显示装置的示例实施例进行了解释。在这里使用的术语“头戴式显示装置”是指可以放置在(例如，安装在)用户的身体上并且可以显示图像的装置，能够使用户观察显示在装置上的邻近图像的任何装置可以被包括在头戴式显示装置的示例中，而与装置的名称或形状无关。头戴式显示装置的示例可以包括智能眼镜、头盔式显示装置、计算机介导现实装置、混合式现实装置、平视显示装置、超薄近眼显示(“NED”)装置和可穿戴显示装置。

如上所述，根据本发明的上述示例实施例中的一个或更多个，提供了一种可以通过减小视差来减轻用户的眼疲劳的透视型头戴式显示装置。然而，本发明的范围不限于这样的效果和特征。

虽然已经参照附图描述了本发明的一个或更多个示例实施例，但本领域的普通技术人员将理解的是，在不脱离如由权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，在此可以进行形式上和细节上的各种改变。因此，通过权利要求及其等同物的技术精神来限定本发明的真实的技术范围。

Claims (6)

1.一种头戴式显示装置，其特征在于，所述头戴式显示装置包括：

显示单元，包括基底和显示元件，所述基底包括多个显示部分和多个光透射部分，所述显示元件位于所述基底的所述多个显示部分上；以及

光学元件，位于从所述显示单元发射的光的光路中并且被图案化为具有直接贯穿所述光学元件且分别与所述多个光透射部分对应的通孔的一体形成的光学元件，

其中，所述光学元件被构造为将从所述显示元件发射的所述光聚焦到用户的眼睛上，

其中，从所述显示元件发射的所述光经过所述光学元件，来自所述显示单元后侧处的背景的光经过所述光学元件的通孔。

2.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述多个显示部分彼此分开，所述光透射部分位于所述多个显示部分中的相应的显示部分之间。

3.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述显示元件是非透射元件。

4.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述光学元件是具有所述通孔的菲涅耳透镜或全息光学元件。

5.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述多个显示部分是彼此分开的多条平行的线性的形状。

6.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，所述头戴式显示装置还包括容纳所述显示单元和所述光学元件并且被构造为放置在用户的头部上的框架。

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