CN108693645A - 虚拟实境显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种虚拟实境显示装置，包括至少一显示模块、图像传感器及调整机构。显示模块包括显示器及光学组件。显示器用以提供图像光束至使用者的眼睛，光学组件设置于图像光束的传递路径上，且包括至少一菲涅尔透镜，其中光学组件具有光学中心。图像传感器用以测量使用者的眼睛相对于光学中心的偏移距离。调整机构连接至显示器与光学组件，以调整显示器相对于光学组件的倾斜角。显示器与光学组件相对于使用者的双眼连线皆倾斜。
Description
技术领域
本发明涉及一种显示装置，尤其涉及一种虚拟实境显示装置。
背景技术
随着显示技术的进步，为了追求身历其境的感受，使用者已无法满足于只观看平面的图像，为了提供使用者更具有现实感与立体感的视觉娱乐，虚拟实境(virtualreality,VR)成为目前显示技术的新潮流，虚拟实境可利用模拟出一个三维空间的虚拟场景，提供使用者关于视觉等感官体验，可即时观看三维空间的图像，甚至进一步能与虚拟图像进行互动。
常见的虚拟实境显示装置有头戴式显示器(head mounted display,HMD)，可配戴在使用者的头部。然而，为了使头戴式显示器朝向轻薄短小发展，且为了制造出视场角更大的头戴式显示器，往往容易产生了图像的立体不平衡。举例而言，当使用者的视线直视前方时所看到的图像的清晰度可能低于使用者的视线往两侧斜视时所看到的图像的清晰度。或者，当使用者的双眼转向左方或右方时，可能产生一个眼睛看到的图像较为清晰，而另一个眼睛看到的图像较为模糊的现象。上述这些立体不平衡的现象会让使用者在使用头戴式显示器时感到不舒适或视觉效果不好。
发明内容
本发明提供一种虚拟实境显示装置，可有效达到立体平衡的视觉效果。
本发明的一实施例提出一种虚拟实境显示装置，包括至少一显示模块、图像传感器及调整机构。显示模块包括显示器及光学组件。显示器用以提供图像光束至使用者的眼睛，光学组件设置于图像光束的传递路径上，且包括至少一菲涅尔透镜，其中光学组件具有光学中心。图像传感器用以测量使用者的眼睛相对于光学中心的偏移距离。调整机构连接至显示器与光学组件，以调整显示器相对于光学组件的倾斜角。显示器与光学组件相对于使用者的双眼连线皆倾斜。
在本发明的实施例的虚拟实境显示装置中，由于可利用图像传感器测量使用者的眼睛相对于光学中心的偏移距离，且利用调整机构可据以调整显示器相对于光学组件的倾斜角，因此本发明的实施例的虚拟实境显示装置可有效达到立体平衡的视觉效果。
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
图1为本发明的一实施例的虚拟实境显示装置的剖面示意图。
图2为使用者以不同的视线角度观看图1的虚拟实境显示装置的情形示意图。
图3A至图3C为当图1的偏移距离D1分别为2mm、3mm与4mm时，各视线角度所看到的图像的调制转换函数与倾斜角θ3的关系曲线图。
图4A至4C为当图1的偏移距离D1分别为2mm、3mm与4mm时，各视线角度所看到的图像的光点图中的光点半径与倾斜角θ3的关系曲线图。
附图标记说明
50：眼睛；
50a：左眼；
50b：右眼；
52：瞳孔；
100：虚拟实境显示装置；
110：图像传感器；
120：调整机构；
122：致动器；
130：控制器；
200、200a、200b：显示模块；
210：显示器；
212：图像光束；
220：光学组件；
221、223：表面；
222：菲涅尔透镜；
225、227：菲涅尔表面；
C：光学中心；
D1：偏移距离；
D2、D3、D4：距离；
L：连线；
S：交会点；
θ1、θ2、θ3：倾斜角。
具体实施方式
图1为本发明的一实施例的虚拟实境显示装置的剖面示意图，而图2为使用者以不同的视线角度观看图1的虚拟实境显示装置的情形示意图。请参照图1与图2，本实施例的虚拟实境显示装置100包括至少一显示模块200(图1中是以两个显示模块200a与200b为例)、图像传感器110及调整机构120。每一显示模块200包括显示器210及光学组件220。显示器210用以提供图像光束212至使用者的眼睛50。在本实施例中，显示器210例如为液晶显示器、有机发光二极管显示器、发光二极管显示器或其他适当的显示器。
光学组件220设置于图像光束212的传递路径上，且包括至少一菲涅尔透镜222(在图中是以两个平行配置的菲涅尔透镜222为例)。光学组件220具有光学中心C，其为光学组件220的光轴与光学组件220朝向眼睛50的表面221的交会点。在本实施例中，两个菲涅尔透镜222都呈平板状，且具有菲涅尔表面225、227与呈平面状的表面221、223。
图像传感器110用以测量使用者的眼睛50相对于光学中心C的偏移距离D1。在本实施例中，图像传感器110例如为眼球追踪器(eye tracker)。此外，在本实施例中，偏移距离D1是指眼睛50的正前方视线(如图2视线角度为0度时的视线)与表面221的交会点S至光学中心C的距离。另外，调整机构120连接至显示器210与光学组件220，以调整显示器210相对于光学组件220的倾斜角θ3。再者，显示器210与光学组件220相对于使用者的双眼连线L皆倾斜。举例而言，显示器210相对于连线L倾斜一倾斜角θ1，光学组件220相对于连线L倾斜一倾斜角θ2，而θ3＝θ1-θ2。在本实施例中，倾斜角θ1例如是大于23度且小于等于29度，倾斜角θ2例如是23度，且倾斜角θ1大于倾斜角θ2。此外，视线角度为0度时的视线的方向即垂直于连线L的方向。
在本实施例中，调整机构120可包括齿轮、齿条、滑轨、螺丝、弹簧、其他适当的机械元件或其组合，只要是能够调整倾斜角θ3的机械元件或其组合都可用来作为调整机构120的构件。在一实施例中，使用者可根据图像传感器110所测得的偏移距离D1的大小，手动通过调整机构120将倾斜角θ3调整至适当值。在此适当值下，使用者的眼睛50直视前方(即图2中视线角度为0度时)所看到的显示器210所显示的图像的清晰度优于使用者的眼睛50往两侧的任一侧斜视时(例如图2中视线角度为23度与-23度的任一者时)所看到的显示器210所显示的图像的清晰度。
图3A至图3C为当图1的偏移距离D1分别为2毫米(mm)、3mm与4mm时，各视线角度所看到的图像的调制转换函数(modulation transfer function,MTF)与倾斜角θ3的关系曲线图，而图4A至4C为当图1的偏移距离D1分别为2mm、3mm与4mm时，各视线角度所看到的图像的光点图(spot diagram)中的光点半径与倾斜角θ3的关系曲线图，其中图3A至图4C皆是在光学组件220的后焦距(back focal length,BFL)为38mm的条件下所模拟而出的。从图3A与图4A可看出，当偏移距离D1为2mm时，使用者可将倾斜角θ3调整至3度左右，此时视线角度为0度时的调制转换函数的值为最大(如图3A所示)，且大于其他视线角度(如23度、-23度及-45度)所看到的调制转换函数，也就是此时视线角度为0度时所看到的图像最清晰，而此时(即倾斜角θ3为3度左右)的视线角度为0度时的光点半径亦约略处于最小值(如图4A)，可验证此时图像最清晰。此外，从图3B与图4B可看出，当偏移距离D1为3mm时，使用者可将倾斜角θ3调整至4度左右，此时视线角度为0度时的调制转换函数的值为最大(如图3B所示)，且大于其他视线角度(如23度、-23度及-45度)所看到的调制转换函数，也就是此时视线角度为0度时所看到的图像最清晰，而此时(即倾斜角θ3为4度左右)的视线角度为0度时的光点半径亦约略处于最小值(如图4B)，可验证此时图像最清晰。另一方面，从图3C与图4C可看出，当偏移距离D1为4mm时，使用者可将倾斜角θ3调整至4.5度左右，此时视线角度为0度时的调制转换函数的值为最大(如图3C所示)，且大于其他视线角度(如23度、-23度及-45度)所看到的调制转换函数，也就是此时视线角度为0度时所看到的图像最清晰，而此时(即倾斜角θ3为4.5度左右)的视线角度为0度时的光点半径亦约略处于最小值(如图4C)，可验证此时图像最清晰。
由上述光学模拟可知，当偏移距离D1越大时，使用者将倾斜角θ3调整至的适当值越大。
在本实施例中，为了让使用者在使用时更为方便，可通过自动调整的方式来调整倾斜角θ3。具体而言，在本实施例中，虚拟实境显示装置100还包括控制器130，电性连接至图像传感器110与调整机构120，且用以根据偏移距离D1命令调整机构120将显示器210相对于光学组件220的倾斜角θ3调整至适当值，其中在适当值下，使用者的眼睛50直视前方所看到的显示器210所显示的图像的清晰度优于使用者的眼睛50往两侧的任一侧斜视时所看到的显示器210所显示的图像的清晰度，且此适当值可以与上述手动调整倾斜角θ3的适当值相同。在本实施例中，调整机构120除了包括上述机械元件之外，还包括致动器122，而控制器130电性连接至图像传感器110与致动器122，且用以根据偏移距离D1控制致动器122的作动。具体而言，控制器130可根据偏移距离D1命令致动器122作动，而使调整机构120将倾斜角θ3调整至上述适当值。在本实施例中，致动器122例如为马达或其他适当的致动器。此外，在本实施例中，控制器130也可根据图像传感器110所传来的关于眼睛50的图像信号，判断出或计算出偏移距离D1。
在本实施例中，显示模块200的数量有两个，即显示模块200a与显示模块200b，二显示模块200a与200b的二显示器210分别提供二图像光束212至使用者的左眼50a与右眼50b，而调整机构120适于调整二显示模块200间的距离D2，以适应于不同使用者的不同的双眼瞳孔的距离D3，即左眼50a的瞳孔52至右眼50b的瞳孔52的距离。在本实施例中，使用者的双眼瞳孔的距离D3小于二显示模块200a与200b的二光学组件220的二光学中心C的距离D4。
在本实施例的虚拟实境显示装置100中，由于可利用图像传感器110测量使用者的眼睛50相对于光学中心C的偏移距离D1，且利用调整机构120可据以调整显示器210相对于光学组件220的倾斜角θ3，因此本实施例的虚拟实境显示装置100可使使用者的眼睛50直视前方所看到的显示器210所显示的图像的清晰度优于使用者的眼睛50往两侧的任一侧斜视时所看到的显示器210所显示的图像的清晰度，因而可有效达到立体平衡的视觉效果。
在本实施例中，控制器130用以根据图像传感器110所检测到的左眼50a与右眼50b的转动位置命令调整机构120将二显示模块200a与200b的二显示器210分别相对于二光学组件220的二个倾斜角θ3分别调整至第一适当值与第二适当值，其中在第一适当值与第二适当值下，左眼50a与右眼50b在此转动位置所分别看到的二显示器210所显示的图像的清晰度的差距被缩小。举例而言，在本实施例中，在第一适当值与第二适当值下，左眼50a与右眼50b在此转动位置所分别看到的二显示器210所显示的图像的调制转换函数的差距小于0.1。也就是说，控制器130可以根据光学模拟数据(如图3A至图4C所示的数据)来根据左眼50a与右眼50b的视线角度找到两眼相近的调制转换函数的值分别对应的二个倾斜角θ3的第一适当值与第二适当值。如此一来，无论使用者的左眼50a与右眼50b转往哪个方向，二个倾斜角θ3便对应被调整，而使两眼皆能够看到清晰度差不多的图像，进而达到更佳的立体平衡视觉效果。在另一实施例中，控制器130也可通过查表的方式来找到左眼50a与右眼50b转动至某个角度时所对应的二个倾斜角θ3的第一适当值与第二适当值，而命令调整机构120将二个倾斜角θ3分别调整至第一适当值与第二适当值。此查表的方式所利用的数值表可于出厂前先通过实验设置完成，或在使用前先校正完成，而此数值表可存储于数据存储媒体而供控制器130读取。此数值表可包括左眼50a与右眼50b的视线角度与第一适当值及第二适当值的对应关系。
在一实施例中，控制器130例如为中央处理单元(central processing unit,CPU)、微处理器(microprocessor)、数字信号处理器(digital signal processor,DSP)、可程序化控制器、可程序化逻辑装置(programmable logic device,PLD)或其他类似装置或这些装置的组合，本发明并不加以限制。此外，在一实施例中，控制器130的各功能可被实作为多个程序码。这些程序码会被存储在一个存储器中，由控制器130来执行这些程序码。或者，在一实施例中，控制器130的各功能可被实作为一或多个电路。本发明并不限制用软件或硬件的方式来实作控制器130的各功能。
综上所述，在本发明的实施例的虚拟实境显示装置中，由于可利用图像传感器测量使用者的眼睛相对于光学中心的偏移距离，且利用调整机构可据以调整显示器相对于光学组件的倾斜角，因此本发明的实施例的虚拟实境显示装置可有效达到立体平衡的视觉效果。
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，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。
Claims (10)
1.一种虚拟实境显示装置，其特征在于，包括：
至少一显示模块，包括：
显示器，用以提供图像光束至使用者的眼睛；以及
光学组件，设置于所述图像光束的传递路径上，且包括至少一菲涅尔透镜，其中所述光学组件具有光学中心；
图像传感器，用以测量所述使用者的所述眼睛相对于所述光学中心的偏移距离；以及
调整机构，连接至所述显示器与所述光学组件，以调整所述显示器相对于所述光学组件的倾斜角，
其中，所述显示器与所述光学组件相对于所述使用者的双眼连线皆倾斜。
2.根据权利要求1所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，还包括控制器，电性连接至所述图像传感器与所述调整机构，且用以根据所述偏移距离命令所述调整机构将所述显示器相对于所述光学组件的倾斜角调整至适当值，其中在所述适当值下，所述使用者的所述眼睛直视前方所看到的所述显示器所显示的图像的清晰度优于所述使用者的眼睛往两侧的任一侧斜视时所看到的所述显示器所显示的图像的清晰度。
3.根据权利要求2所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，当所述偏移距离越大，所述适当值越大。
4.根据权利要求1所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述至少一显示模块为二显示模块，所述二显示模块的二显示器分别提供二图像光束至所述使用者的左眼与右眼，所述虚拟实境显示装置还包括控制器，电性连接至所述图像传感器与所述调整机构，且用以根据所述图像传感器所检测到的所述左眼与所述右眼的转动位置命令所述调整机构将所述二显示模块的所述二显示器分别相对于二光学组件的二个倾斜角分别调整至第一适当值与第二适当值，其中在所述第一适当值与所述第二适当值下，所述左眼与所述右眼在所述转动位置所分别看到的所述二显示器所显示的图像的清晰度的差距被缩小。
5.根据权利要求4所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，在所述第一适当值与所述第二适当值下，所述左眼与所述右眼在所述转动位置所分别看到的所述二显示器所显示的图像的调制转换函数的差距小于0.1。
6.根据权利要求4所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述控制器通过查表的方式根据所述图像传感器所检测到的所述左眼与所述右眼的转动位置找到所述第一适当值与所述第二适当值。
7.根据权利要求1所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述至少一显示模块为二显示模块，所述二显示模块的二显示器分别提供二图像光束至所述使用者的左眼与右眼，所述调整机构适于调整所述二显示模块间的距离，以适应于不同使用者的不同的双眼瞳孔的距离。
8.根据权利要求1所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述图像传感器为眼球追踪器。
9.根据权利要求1所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述至少一显示模块为二显示模块，所述二显示模块的二显示器分别提供二图像光束至所述使用者的左眼与右眼，所述使用者的双眼瞳孔的距离小于所述二显示模块的二光学组件的二光学中心的距离。
10.根据权利要求1所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述调整机构包括致动器，所述虚拟实境显示装置还包括控制器，电性连接至所述图像传感器与所述致动器，且用以根据所述偏移距离控制所述致动器的作动。
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