CN109031661A - 虚拟实境显示装置 - Google Patents

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CN109031661A
CN109031661A CN201710437450.0A CN201710437450A CN109031661A CN 109031661 A CN109031661 A CN 109031661A CN 201710437450 A CN201710437450 A CN 201710437450A CN 109031661 A CN109031661 A CN 109031661A
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邱奕荣
石维国
李易璜
黄士挺
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Acer Inc
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Acer Inc
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/08—Simple or compound lenses with non-spherical faces with discontinuous faces, e.g. Fresnel lens

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。显示器适于提供图像光束至使用者的左眼或右眼。光学组件设置在图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。光学组件包括至少一菲涅耳透镜，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且排列于径向上的有效折射面及非光学有效面。有效折射面与该非光学有效面的连接处具有圆角，且菲涅耳透镜的至少部份的环状结构的多个圆角的曲率半径小于10微米，并且大于0微米。

Description

虚拟实境显示装置
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，虚拟实境是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，可及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图像，也就是让显示器所显示的图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，而使图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图像的质量，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，可有效改善杂散光的问题。
本发明的一实施例提出一种虚拟实境显示装置，包括至少一显示器以及至少一光学组件。显示器适于提供图像光束至使用者的左眼或右眼。光学组件设置在图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。光学组件包括至少一菲涅耳透镜，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且排列于径向上的有效折射面及非光学有效面，有效折射面与非光学有效面的连接处具有圆角，其中菲涅耳透镜的至少部份环状结构的多个圆角的曲率半径小于10微米，并且大于0微米。
本发明的一实施例提出一种虚拟实境显示装置，包括至少一显示器以及至少一光学组件。显示器适于提供图像光束至使用者的左眼或右眼。光学组件设置在图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。光学组件包括至少一菲涅耳透镜，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且排列于径向上的有效折射面及非光学有效面，其中非光学有效面具有至少一光学微结构。
基于上述，本发明的实施例的虚拟实境显示装置包括至少一显示器以及至少一光学组件，其中光学组件包括至少一菲涅耳透镜。通过菲涅耳透镜的至少部份环状结构的多个圆角的曲率半径小于10微米，并且大于0微米，可减少图像光束从圆角入射菲涅耳透镜后被折射到非预期的方向而造成杂散光。本发明的另一实施例提出的虚拟实境显示装置包括至少一显示器与至少一光学组件，其中光学组件包括在非光学有效面具有至少一光学微结构的菲涅耳透镜。通过非光学有效面上的光学微结构将部分图像光束从非光学有效面入射菲涅耳透镜或者部分图像光束入射有效折射面后被有效折射面折射至非光学有效面而产生的杂散光大范围散射，可以降低杂散光的亮度。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改善杂散光的问题，进而提升使用者看到的图像的质量。
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2A与图2B为图1中的菲涅耳透镜的局部剖面示意图。
图3为图2A中的环状结构的局部放大示意图。
图4为图1中的菲涅耳透镜的正视示意图。
图5A、图5B以及图5C为本发明的一些实施例的光学模拟结果图。
图6A、图6B、图6C、图6D、图6E、图6F以及图6G为本发明的一些实施例的局部环状结构的剖面示意图。
图7A与图7B为本发明的另一些实施例的光学模拟结果图。
图8A与图8B为本发明的另一些实施例的环状结构的局部放大示意图。
附图标记说明
100：虚拟实境显示装置
110、110a、110b：显示器
120、120a、120b：光学组件
112、112a、112b：图像光束
200、200’：菲涅耳透镜
50a：左眼
50b：右眼
210：环状结构
212：有效折射面
214：非光学有效面
220：第一表面
230：第二表面
310：圆角
320：吸光材料层
600：光学微结构
610：弯曲凸起
620：弯曲凹陷
630：多边形的凸起
640：多边形的凹陷
810：倒角
820：呈不规则形状的一端
A：光轴
C：中央区域
D：距离
E：平面
L：直线形连线
P：边缘区域
S：特定区域
R：曲率半径
Rf：半径
α：夹角
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适于提供图像光束112至使用者的左眼50a或右眼50b。光学组件120设置在图像光束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分别提供二个图像光束112a与112b，而图像光束112a与图像光束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的视网膜上形成图像。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2A为图1中的菲涅耳透镜200的凸透镜形式的局部剖面示意图，图2A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2A中仅示意性地示出出位于中央区域C与边缘区域P的菲涅耳透镜结构。请参照图1以及图2A，在本实施例中，每一光学组件120包括至少一菲涅耳透镜200(在图1中是以二个菲涅耳透镜200为例)，设置在图像光束112的传递路径上，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具有相连接的且排列于径向(即以光轴A的位置为圆心且垂直于光轴A的半径方向)上的有效折射面212及非光学有效面214。在本实施例中，有效折射面212是指菲涅耳透镜200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，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，且每一环状结构210的非光学有效面214配置于其有效折射面212与光轴A之间。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。
图3为图2A中的菲涅耳透镜200的其中一个环状结构210的局部放大示意图。环状结构210具有相连接的有效折射面212与非光学有效面214，有效折射面212与非光学有效面214的连接处具有圆角310。由于圆角310为菲涅耳透镜200成型后产生的圆弧结构，且实际上不可能制作出无线小的尖端，当图像光束112入射至圆角310时会被折射到非预期的方向而造成杂散光。在本实施例中，菲涅耳透镜200的至少部份环状结构210的多个圆角310的曲率半径R小于10微米，并且大于0微米，可有效减少杂散光，进而提升使用者看到的图像的质量。
具体来说，本实施例的菲涅耳透镜可以是凸透镜，例如图2A所示，菲涅耳透镜200是凸透镜，具有多个环绕其光轴A的环状结构210，且每一环状结构210具有相连接的且排列于径向上的有效折射面212及非光学有效面214，其中有效折射面212位于远离光轴A的一侧而非光学有效面214位于光轴A与有效折射面212之间。图2B为本发明另一实施例的菲涅耳透镜的凹透镜形式的剖面示意图。本发明另一实施例的光学组件120的菲涅耳透镜也可以包含至少一个凹透镜型式的菲涅耳透镜，例如图2B所示，菲涅耳透镜200’是凹透镜，具有多个环绕其光轴A的环状结构210，且每一环状结构210具有相连接的且排列于径向上的有效折射面212及非光学有效面214，其中非光学有效面214位于远离光轴A的一侧而有效折射面212位于光轴A与非光学有效面214之间。本发明对菲涅耳透镜的形式并不加以限制。
在本发明的一实施例中，菲涅耳透镜200的至少部份环状结构210的多个圆角310的曲率半径R也可以小于5微米，并且大于0微米。
请再参照图1，菲涅耳透镜200于从该光轴A起算且垂直于该光轴的0.5倍半径Rf以内的范围为特定区域S，其中上述半径Rf定义为从光轴A至菲涅耳透镜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4所示出)，且半径Rf垂直于光轴A。在本发明的另一实施例中，在特定区域S中的每一环状结构210的圆角310的曲率半径R小于10微米，并且大于0微米。在本发明的又一实施例中，菲涅耳透镜200的每一环状结构210的圆角310的曲率半径R小于10微米，并且大于0微米。
图5A为本发明的一实施例的每一环状结构210的圆角310的曲率半径R为0微米的光学模拟结果，图5B为本发明的另一实施例的每一环状结构210的圆角310的曲率半径R为3微米的光学模拟结果，图5C为本发明的又一实施例的每一环状结构210的圆角310的曲率半径R为6微米的光学模拟结果，请同时参照图5A、图5B以及图5C。当每一环状结构210的圆角310的曲率半径R为0微米时，模拟的信杂比为20.13。当每一环状结构210的圆角310的曲率半径R为3微米时，模拟的信杂比为18.16。当每一环状结构210的圆角310的曲率半径R为6微米时，模拟的信杂比为14.52。上述信杂比为信号光强度与杂散光强度的比值，因此当信杂比的强度越大，表示杂散光的强度越低。由上述光学模拟结果可知，当环状结构210的圆角310的曲率半径R越小时，模拟的信杂比越大，表示杂散光的强度越低。且由图5A、图5B以及图5C的光学模拟结果可知，随着圆角310的曲率半径R越小时，在图中测试点(即图中四边形亮区，其为正确的图像)附近的白雾也越来越不明显。也就是说，当环状结构210的圆角310的曲率半径R越小时，可有效减少杂散光，进而提升使用者看到的图像的质量。
请再参照图3，在本实施例中，菲涅耳透镜200的环状结构210的多个圆角310上可以分别覆盖有多个吸光材料层320。当图像光束112入射至圆角310时，会被吸光材料层320吸收而无法通过光学组件120，因而可有效减少杂散光，提升使用者看到的图像的质量。
吸光材料层320的材料例如是黑色油墨、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320的材料种类或涂覆方式，其可由本领域技术人员依据实际应用情况作适当选择。
请再参照图2A，在本实施例中，菲涅耳透镜200具有朝向显示器的第一表面220及相对于第一表面220的第二表面230，且环状结构210位于第一表面220与第二表面230的至少其中之一上(图2A是以环状结构210只位于第一表面220为例)。具体来说，环状结构210可以是只位于第一表面220上，也可以是只位于第二表面230上，也可以是位于第一表面220以及第二表面230上，本发明对此并不限制。
请再参照图1，在本实施例中，至少一光学组件120可为二光学组件，分别为对应于使用者左眼50a的光学组件120a与对应于使用者右眼50b的光学组件120b。由于两眼重迭的视角大约是124度，在这个范围内人类才可以感受到立体视角，而其中重点视角大约是60度，所以两眼的立体视角应设计在60度到120度之间。在本实施例中，对应于使用者左眼50a的光学组件120a与对应于使用者右眼50b的光学组件120b之间具有夹角α，夹角α的范围可以设计为大于等于130度，并且小于等于180度，以获得较佳的立体视角。
以上关于环状结构210的多个圆角310的特征是为了减少图像光束112从圆角310入射菲涅耳透镜200后被折射到非预期的方向而造成杂散光的机率，然而另一个会产生杂散光的原因则是部分图像光束112可能从非光学有效面214入射菲涅耳透镜200，而被非光学有效面214折射或反射成杂散光，或者部分图像光束112入射有效折射面212后，被有效折射面212折射至非光学有效面214，进而被非光学有效面214折射或反射成杂散光。图6A、图6B以及图6C为本发明的一些实施例的局部环状结构210的剖面示意图。请参照图6A、图6B以及图6C，为了解决以此方式产生的杂散光问题，在本实施例中，非光学有效面214具有至少一光学微结构600，光学微结构600可将图像光束112入射至非光学有效面214所产生的杂散光大范围散射，因而可以降低杂散光的亮度，提升使用者看到的图像的质量。
非光学有效面214与有效折射面212的相接处至非光学有效面214的远离相接处的一侧的所有直线形连线L形成参考曲面，所有直线形连线分别位于包含光轴A的多个平面E(即包含光轴A且分别往垂直于光轴A的所有方向延伸的多个平面E，其中图4示意性地示出其中三个平面E)上，在本实施例中，这些光学微结构600的表面的至少一处到参考曲面的垂直距离D大于0.1微米。
请再参照图6A、图6B以及图6C，在本实施例中，非光学有效面214上的光学微结构600的数量为多个，且非光学有效面214上的这些光学微结构600包括弯曲凸起610(如图6A)、弯曲凹陷620(如图6B)或其组合(如图6C)，然本发明不以此为限。
图6D、图6E以及图6F为本发明的另一些实施例的局部环状结构210的剖面示意图。请参照图6D，在本实施例中，非光学有效面214上的这些光学微结构600包括在包含光轴的平面E上的剖面为多边形的凸起630(如图6D)、在包含光轴的平面E上的剖面为多边形的凹陷640(如图6E)或其组合(如图6F)，然本发明不以此为限。
图6G为本发明的又一实施例的局部环状结构210的剖面示意图。请参照图6G，在本实施例中，非光学有效面214上的至少一光学微结构600形成粗糙的雾状表面，雾状表面的粗糙度Ra值大于0.1微米。
图7A为本发明的一实施例的非光学有效面214上不具有光学微结构600的光学模拟结果，图7B为本发明的另一实施例的非光学有效面214上具有一弧形光学微结构600的光学模拟结果。由图7A与图7B可知，图像光束112入射至非光学有效面214上不具有光学微结构600的菲涅耳透镜200后所产生的杂散光强度较为集中，模拟的信杂比为4.73，杂散光的亮度较高，而图像光束112入射至非光学有效面214上具有一弧形光学微结构600的菲涅耳透镜200后所产生的杂散光较为扩散，模拟的信杂比为20.13，杂散光的亮度较低。由上述光学模拟结果可知，非光学有效面214的光学微结构600可将图像光束112入射至非光学有效面214所产生的杂散光大范围散射，可以降低杂散光的亮度，进而提升使用者看到的图像的质量。
图8A与图8B为本发明另一些实施例的菲涅耳透镜200的其中一个环状结构210的局部放大示意图。请参照图8A与图8B，环状结构210的有效折射面212与非光学有效面214的连接处也可以具有倒角810(如图8A)，或是呈不规则形状的一端820(如图8B)，然本发明不以此为限。
基于上述，本实施例的菲涅耳透镜200采用了上述三种改善杂散光的设计，第一种为环状结构210的多个圆角310的曲率半径R的设计，第二种为采用吸光材料层320分别覆盖环状结构210的多个圆角310的设计，而第三种为非光学有效面214具有光学微结构600的设计。通过上述这三种设计来改善杂散光的问题，可有效改善图像中出现白雾、图像中出现拖影及图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，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，其也可达到改善杂散光的效果。
综上所述，在本发明的实施例的虚拟实境显示装置中，由于菲涅耳透镜的至少部份环状结构的多个圆角的曲率半径小于10微米，并且大于0微米，可减少图像光束从圆角入射菲涅耳透镜后被折射至非预期的方向而造成杂散光。此外本发明的实施例的光学组件包括在非光学有效区具有至少一光学微结构的的菲涅耳透镜，由于非光学有效面上的光学微结构可将图像光束入射至非光学有效面所产生的杂散光大范围散射，因而降低杂散光的亮度。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改善杂散光的问题，进而提升使用者看到的图像的质量。
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，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (20)

1.一种虚拟实境显示装置，其特征在于，包括：
至少一显示器，适于提供图像光束至使用者的左眼或右眼；以及
至少一光学组件，设置在所述图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，所述光学组件包括至少一菲涅耳透镜，所述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且排列于径向上的有效折射面及非光学有效面，所述有效折射面与所述非光学有效面的连接处具有圆角，其中所述菲涅耳透镜的至少部份所述多个环状结构的多个圆角的曲率半径小于10微米，并且大于0微米。
2.根据权利要求1所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述菲涅耳透镜的至少部份所述多个环状结构的所述多个圆角的曲率半径小于5微米，并且大于0微米。
3.根据权利要求1所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述菲涅耳透镜于从所述光轴起算且垂直于所述光轴的0.5倍半径以内的范围为特定区域，在所述特定区域中的每一环状结构的所述圆角的曲率半径小于10微米，并且大于0微米。
4.根据权利要求1所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述菲涅耳透镜的每一环状结构的所述圆角的曲率半径小于10微米，并且大于0微米。
5.根据权利要求1所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述菲涅耳透镜的所述多个环状结构的多个圆角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，所述菲涅耳透镜具有朝向所述显示器的第一表面及相对于所述第一表面的第二表面，且所述多个环状结构位于所述第一表面与所述第二表面的至少其中之一上。
7.根据权利要求1所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述至少一光学组件为二光学组件，对应于所述使用者左眼的光学组件与对应于所述使用者右眼的光学组件之间具有夹角，所述夹角的范围是大于等于130度，并且小于等于180度。
8.根据权利要求1所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述非光学有效面具有至少一光学微结构。
9.根据权利要求8所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述非光学有效面与所述有效折射面的相接处至所述非光学有效面的远离所述相接处的一侧的所有直线形连线形成参考曲面，所述所有直线形连线分别位于包含所述光轴的多个平面上，所述至少一光学微结构的表面的至少一处到所述参考曲面的垂直距离大于0.1微米。
10.根据权利要求9所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述至少一光学微结构包括弯曲凸起、弯曲凹陷或其组合。
11.根据权利要求9所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述至少一光学微结构包括在包含所述光轴的平面上的剖面为多边形的凸起、在包含所述光轴的平面上的剖面为多边形的凹陷或其组合。
12.根据权利要求8所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述至少一光学微结构形成粗糙的雾状表面，所述雾状表面的粗糙度Ra值大于0.1微米。
13.一种虚拟实境显示装置，其特征在于，包括：
至少一显示器，适于提供图像光束至使用者的左眼或右眼；以及
至少一光学组件，设置在所述图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，所述光学组件包括至少一菲涅耳透镜，所述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且排列于径向上的有效折射面及非光学有效面，其中所述非光学有效面具有至少一光学微结构。
14.根据权利要求13所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述非光学有效面与所述有效折射面的相接处至所述非光学有效面的远离所述相接处的一侧的所有直线形连线形成参考曲面，所述所有直线形连线分别位于包含所述光轴的多个平面上，所述至少一光学微结构的表面的至少一处到所述参考曲面的垂直距离大于0.1微米。
15.根据权利要求14所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述至少一光学微结构包括弯曲凸起、弯曲凹陷或其组合。
16.根据权利要求14所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述至少一光学微结构包括在包含所述光轴的平面上的剖面为多边形的凸起、在包含所述光轴的平面上的剖面为多边形的凹陷或其组合。
17.根据权利要求13所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述至少一光学微结构形成粗糙的雾状表面，所述雾状表面的粗糙度Ra值大于0.1微米。
18.根据权利要求13所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述菲涅耳透镜具有朝向所述显示器的第一表面及相对于所述第一表面的第二表面，且所述多个环状结构位于所述第一表面与所述第二表面的至少其中之一上。
19.根据权利要求13所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述至少一光学组件为二光学组件，对应于所述使用者左眼的光学组件与对应于所述使用者右眼的光学组件之间具有夹角，所述夹角的范围是大于等于130度，并且小于等于180度。
20.根据权利要求13所述的虚拟实境显示装置，其特征在于，所述环状结构的所述有效折射面与所述非光学有效面的连接处具有圆角、倒角或是呈不规则形状的一端。
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