CN108957743A - 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，包括至少一显示器及至少一光学组件。显示器适于提供影像光束至使用者的左眼或右眼。光学组件设置在影像光束的传递路径上，且位于显示器与使用者的左眼或右眼之间。光学组件包括第一菲涅耳透镜，第一菲涅耳透镜包括多个环绕其光轴的环状结构，且每一环状结构具有相连接的有效折射面及位于光轴与有效折射面之间的非光学有效面。第一菲涅耳透镜在中央区域的多个非光学有效面相对于光轴的平均倾斜角小于第一菲涅耳透镜在边缘区域的多个非光学有效面相对于光轴的平均倾斜角。

Description

虚拟实境显示装置
技术领域
本发明涉及一种显示装置，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影像。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或二维空间的影像，甚至进一步能与虚拟影像进行互动。
常见的虚拟实境显示装置例如有头戴式显示器(head mounted display,HMD)，其可配戴在使用者的头部。此时，虚拟实境显示装置中的显示器相当靠近人眼。为了让人眼在近距离下也能看清楚显示器所显示的影像，也就是让显示器所显示的影像成像在人眼的视网膜上，显示器与人间之间设有光学元件(例如透镜)，并通过其屈光度(refractivepower)改变光的行进路径，而使影像成像在人间的视网膜上。如此一来，使用者便会看到眼睛前方的虚像，而有身历其境的感觉。
然而，光学元件的一些表面容易造成来自显示器的光有部分不按照预期的方向与路径前进，而是被反射到非预期的方向而造成杂散光。杂散光会影响使用者看到的影像的质量，而减损了使用者的视觉体验。
发明内容
本发明提供一种虚拟实境显示装置，可有效降低杂散光。
本发明的一实施例提出一种虚拟实境显示装置，包括至少一显示器及至少一光学组件。显示器适于提供影像光束至使用者的左眼或右眼。光学组件设置在影像光束的传递路径上，且位于显示器与使用者的左眼或右眼之间。光学组件包括第一菲涅耳透镜，第一菲涅耳透镜包括多个环绕其光轴的环状结构，且每一环状结构具有相连接的有效折射面及位于光轴与有效折射面之间的非光学有效面。第一菲涅耳透镜在中央区域的多个非光学有效面相对于光轴的平均倾斜角小于第一菲涅耳透镜在边缘区域的多个非光学有效面相对于光轴的平均倾斜角。
在本发明的实施例的虚拟实境显示装置中，由于第一菲涅耳透镜在中央区域的多个非光学有效面相对于光轴的平均倾斜角小于第一菲涅耳透镜在边缘区域的多个非光学有效面相对于光轴的平均倾斜角，因此从环状结构的有效折射面入射的影像光束较不会接着被非光学有效面反射而造成杂散光。如此一来，本发明的实施例的虚拟实境显示装置便能够有效降低杂散光的产生，进而提升使用者看到的影像的质量。
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为图1中的第一菲涅耳透镜的局部剖面示意图；
图3为图1中的第一菲涅耳透镜的正视示意图。
图4与图5为图2的第一菲涅耳透镜的两种变型的局部剖面示意图。
附图标号说明：
50a：左眼
50b：右眼
100：虚拟实境显示装置
110、110a、110b：显示器
112、112a、112b：影像光束
120、120a、120b：光学组件
200：第一菲涅耳透镜
210：环状结构
212：有效折射面
214：非光学有效面
216：吸光材料层
220、220a、220b：平滑表面
230：抗反射层
240：基板
300：第二菲涅耳透镜
A：光轴
C：中央区域
CL：连线
D1、D2：距离
E：眉心
K：光学中心
P：边缘区域
R：半径
S：特定区域
α、β、θ、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。请参照图1，本实施例的虚拟实境显示装置100包括至少一显示器110(图1中是以两个显示器110a与110b为例)及至少一光学组件120(图1中是以两个光学组件120a与120b为例)。显示器110适于提供影像光束112至使用者的左眼50a或右眼50b。光学组件120设置在影像光束112的传递路径上，且位于显示器110与使用者的左眼50a或右眼50b之间。在本实施例中，显示器110a与显示器110b分别提供二个影像光束112a与112b，而影像光束112a与影像光束112b分别经由光学组件120a与光学组件120b而分别传递至使用者的左眼50a与右眼50b，以在左眼50a与右眼50b的视网膜上形成影像。在本实施例中，显示器110例如为液晶显示面板、有机发光二极管显示面板、发光二极管显示面板或其他适当的显示器。
图2为图1中的第一菲涅耳透镜的局部剖面示意图，图2中的双S形附号的两个相邻的S之间事实上有一段菲涅耳透镜结构，但为了便于示出环状结构，图2中仅示意性地显示出位于中央区域与边缘区域的菲涅耳透镜结构。图3为图1中的第一菲涅耳透镜的正视示意图。请参照图1、图2与图3，在本实施例中，光学组件120包括第一菲涅耳透镜200，设置在影像光束112的传递路径上，第一菲涅耳透镜200包括多个环绕其光轴A的环状结构210，且每一环状结构210具有相连接的有效折射面212及位于光轴A与有效折射面212之间的非光学有效面214。在本实施例中，有效折射面212是指菲涅耳透镜中用来有效折射光线的表面，以产生聚光或使光发散的效果。在本实施例中，第一菲涅耳透镜200相当于凸透镜，而其有效折射面212具有聚光的效果。此外，非光学有效面214是用来连接两相邻有效折射面212的表面，其对于菲涅耳透镜的预期的聚光或使光发散的效果没有贡献。
第一菲涅耳透镜200在中央区域C的多个非光学有效面214相对于光轴A的平均倾斜角小于第一菲涅耳透镜200在边缘区域P的多个非光学有效面214相对于光轴A的平均倾斜角。具体而言，每一个非光学有效面214相对于光轴A有倾斜角θ，而在中央区域C中的这些倾斜角θ的平均值小于在边缘区域P中的这些倾斜角θ的平均值。换言之，在中央区域C的非光学有效面214平均而言较在边缘区域的非光学有效面214陡。此外，从有效折射面212入射的影像光束112在中央区域C的行进方向相对于光轴A的倾斜角较小，而从有效折射面212入射的影像光束112在边缘区域P的行进方向相对于光轴A的倾斜角较大，因此通过在中央区域C的非光学有效面214平均而言较在边缘区域的非光学有效面214陡，可使被有效折射面212折射的影像光束112较不会行进到非光学有效面214，进而被光学有效面214反射成杂散光。如此一来，本实施例的虚拟实境显示装置100便能够有效降低杂散光的产生，进而提升使用者看到的影像的质量。在一实施例中，倾斜角θ可视为非光学有效面214的脱模角。
在本实施例中，第一菲涅耳透镜200于相对于光轴A的靠近使用者的眉心E的一侧且位于从光轴A起算且垂直于光轴A的0.1倍半径R处至0.5倍半径R处为特定区域S，在特定区域S中的每一环状结构210的有效折射面212在将影像光束112折射后，使影像光束112的行进方向相对于此环状结构210的非光学有效面214的倾斜角(如图2所显示)小于或等于15度，其中上述半径R定义为从光轴A至第一菲涅耳透镜200的离光轴A最远处(例如是离光轴A最远的角落)的距离(如图3所显示)，且半径R垂直于光轴A。也就是说，非光学有效面214的倾斜方向匹配于被同一个环状结构210的有效折射面212折射的影像光束112的行进方向。另外，在本实施例中，中央区域C例如是指从光轴A起算且垂直于光轴A的0倍半径R处至0.5倍半径R处的区域，而边缘区域P例如是从光轴A起算且垂直于光轴A的0.5倍半径R处至1倍半径R处的区域。
在本实施例中，每一环状结构210在沿着圆周方向上排列的多个不同位置处的非光学有效面214相对于光轴A的多个倾斜角θ彼此不同，以使非光学有效面214的倾斜方向匹配于被此环状结构210的有效折射面212折射的影像光束112的行进方向。举例而言，在图2中第一菲涅耳透镜200的左端(远离眉心E的一端)的倾斜角θ小于右端(靠近眉心E的一端)的倾斜角θ。换言之，每一环状结构210的非光学有效面214为非轴对称，例如不会以光轴A为对称轴而呈轴对称。在本实施例中，使用者的左眼50a与右眼50b的瞳孔之间的距离D1小于二个光学组件120a与120b的二个第一菲涅耳透镜200的光学中心K之间的距离D2，也就是说左眼50a与右眼50b相对于第一菲涅耳透镜200是采用偏心的设计，因此每一环状结构210的非光学有效面214相应地采用非轴对称的设计。在一实施例中，每一环状结构210的非光学有效面214相对于光轴A的倾斜角θ小于等于45度，且例如是大于0度。
以上关于非光学有效面214的倾斜角θ或倾斜程度的特征是为了减少被有效折射面212折射的影像光束112被非光学有效面214反射成杂散光的机率，然而另一个会产生杂散光的原因则是影像光束112可能从非光学有效面214入射第一菲涅耳透镜200，而被非光学有效面214折射或反射出杂散光。为了解决以此方式产生的杂散光问题，在本实施例中，这些环状结构210的这些非光学有效面214上分别覆盖有多个吸光材料层216，如此一来，便可将入射至吸光材料层216的影像光束112吸收，而不至于产生杂散光。吸光材料层216的材质例如是黑色油墨、掺有黑色碳粉的树脂或其他适当的材料。然而，本发明并不限制吸光材料层216的材料种类或涂覆方式，其可由本领域具有通常知识者依据实际应用情况作适当选择。
在本实施例中，第一菲涅耳透镜200具有背对这些环状结构210的平滑表面220，且平滑表面220上设有抗反射层230。抗反射层230可以降低平滑表面220反射影像光束112的反射率，以减少平滑表面220反射影像光束112而产生杂散光的机会。抗反射层230例如是抗反射多层膜或单层的抗反射膜。此外，在其他实施例中，平滑表面220例如为平面，且这些环状结构210位于显示器110与平滑表面220之间。举例而言，第一菲涅耳透镜200可具有基板240，基板240的一侧为平滑表面220，而另一侧设有环状结构210。基板240与环状结构210可选用透明的材质。另外，在其他实施例中，平滑表面220a也可以是弯曲凸面(如图4所显示)，或者平滑表面220b也可以是弯曲凹面(如图5所显示)。此外，上述光学中心K例如是位于光轴A与平滑表面220的交点
基于上述，本实施例的第一菲涅耳透镜200采用了上述三种减弱杂散光的设计，第一种为非光学有效面214的倾斜角θ的设计，第二种为采用吸光材料层216的设计，而第三种为采用抗反射层230的设计。通过上述这三种设计来降低杂散光，可有效改善影像中出现白雾、影像中出现拖影及影像中出现明显的同心圆界面痕的情形。然而，在其他实施例中，第一菲涅耳透镜200也可以采用上述三种设计的其中任一种或其中任二种，其亦可达到减少部分杂散光的效果。
在本实施例中，每一光学组件120还包括第二菲涅耳透镜300，设置在影像光束112的传递路径上，且位于显示器110与第一菲涅耳透镜200之间。或者，在另一实施例中，第二菲涅耳透镜300可位于第一菲涅耳透镜200与使用者的左眼50a或右眼50b之间，亦即第一菲涅耳透镜200位于显示器110与第二菲涅耳透镜300之间，也就是将图1中的第一菲涅耳透镜200与第二菲涅耳透镜300的位置对调。第二菲涅耳透镜300可以如同第一菲涅耳透镜200一样采用上述三种减弱杂散光的设计，或者采用上述三种设计的其中任一种或其中任二种，或者是如同图4或图5的第一菲涅耳透镜。或者，第二菲涅耳透镜300也可以是一般的菲涅耳透镜，也就是不采用上述三种设计的任何一种。在本实施例中，第一菲涅耳透镜200的平滑表面220与第二菲涅耳透镜300的平滑表面都是背对显示器110，然而，在其他实施例中，它们两者也可以是朝向显示器110，或者两者其中之一朝向显示器110，而另一背对显示器110。
在本实施例中，光学组件120相对于使用者的左眼50a与右眼50b的连线CL倾斜一倾斜角α，倾斜角α为锐角，且倾斜角α例如大于0度且小于等于45度。另外，显示器110相对于对应的光学组件120倾斜一倾斜角β，倾斜角β是锐角，且倾斜角β例如是大于或等于0度且小于15度。
综上所述，在本发明的实施例的虚拟实境显示装置中，由于第一菲涅耳透镜在中央区域的多个非光学有效面相对于光轴的平均倾斜角小于第一菲涅耳透镜在边缘区域的多个非光学有效面相对于光轴的平均倾斜角，因此从环状结构的有效折射面入射的影像光束较不会接着被非光学有效面反射而造成杂散光。如此一来，本发明的实施例的虚拟实境显示装置便能够有效降低杂散光的产生，进而提升使用者看到的影像的质量。
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后附的申请专利范围所界定的为准。

Claims (11)

1.一种虚拟实境显示装置，其特征在于，包括：
至少一显示器，适于提供影像光束至使用者的左眼或右眼；以及
至少一光学组件，设置在所述影像光束的传递路径上，且位于所述显示器与所述使用者的左眼或右眼之间，所述光学组件包括第一菲涅耳透镜，所述第一菲涅耳透镜包括多个环绕其光轴的环状结构，每一环状结构具有相连接的有效折射面及位于所述光轴与所述有效折射面之间的非光学有效面，所述第一菲涅耳透镜在中央区域的多个非光学有效面相对于所述光轴的平均倾斜角小于所述第一菲涅耳透镜在边缘区域的多个非光学有效面相对于所述光轴的平均倾斜角。
2.根据权利要求1所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述第一菲涅耳透镜于相对于所述光轴的靠近所述使用者的眉心的一侧且位于从所述光轴起算且垂直于所述光轴的0.1倍半径处至0.5倍半径处为特定区域，在所述特定区域中的每一环状结构的有效折射面在将所述影像光束折射后，使所述影像光束的行进方向相对于所述环状结构的非光学有效面的倾斜角小于或等于15度。
3.根据权利要求1所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，每一环状结构在沿着圆周方向上排列的多个不同位置处的所述非光学有效面相对于所述光轴的多个倾斜角彼此不同，以使所述非光学有效面的倾斜方向匹配于被所述环状结构的所述有效折射面折射的所述影像光束的行进方向。
4.根据权利要求1所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，每一环状结构的所述非光学有效面为非轴对称。
5.根据权利要求1所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述多个环状结构的多个非光学有效面上分别覆盖有多个吸光材料层。
6.根据权利要求1所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述第一菲涅耳透镜具有背对所述多个环状结构的平滑表面，且所述平滑表面上设有抗反射层。
7.根据权利要求6所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述平滑表面为平面，且所述多个环状结构位于所述显示器与所述平滑表面之间。
8.根据权利要求6所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述平滑表面为弯曲凹面或弯曲凸面。
9.根据权利要求1所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述光学组件还包括第二菲涅耳透镜，设置在所述影像光束的传递路径上，且位于所述显示器与所述第一菲涅耳透镜之间，或位于所述第一菲涅耳透镜与所述使用者的左眼或右眼之间。
10.根据权利要求1所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述至少一显示器为二个显示器，所述至少一光学组件为二个光学组件，所述二个显示器分别提供二个影像光束，所述二个影像光束分别经由所述二个光学组件传递至所述使用者的左眼与右眼，所述左眼与所述右眼的瞳孔之间的距离小于所述二个光学组件的二个第一菲涅耳透镜的光学中心之间的距离。
11.根据权利要求1所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，每一环状结构的所述非光学有效面相对于所述光轴的倾斜角小于等于45度。
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