CN110007462B - 头戴式显示器 - Google Patents

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Abstract

一种头戴式显示器，包括本体部、显示面板、透镜模块、红外线发射器以及红外线接收器。显示面板设置于本体部内。透镜模块设置于显示面板的前方。透镜模块包括外框部、透镜以及安装部，透镜设置于外框部中，安装部设置于外框的周缘，其中透镜具有中心轴，中心轴上具有观看点，观看点与安装部之间具有参考线。红外线发射器设置于透镜模块的安装部，其中外框部于观看点以及安装部之间设有出光面，红外线发射器经由出光面沿参考线投射光线，且出光面限制光线的出光角度。红外线接收器设置于本体部上，用以接收此光线。本发明将红外线发射器设置于腔体内，并限制光线的出光角度，可使光线仅投射在观看者左眼及右眼上，以供追踪人眼瞳孔位置。

Description

头戴式显示器
技术领域
本发明是有关于一种头戴式装置，且特别是有关于一种头戴式显示器(headmounted display，HMD)。
背景技术
虚拟现实(Virtual Reality,VR)是利用计算机技术仿真产生一个三维空间的虚拟世界，提供观看者关于视觉、听觉等感官仿真，让观看者感觉身历其境。目前的VR装置都是以视觉体验为主，通过对应左右眼的两个视角略有差异的分割画面来模拟人眼的视差，以达到立体视觉。
另外，为了实现眼球追踪的功能，目前的VR装置于透镜的周缘设置红外线发射器，可将红外光投射在人眼上。由于红外光散布在透镜周围的观看环境中，当观看者转动眼球观看影像时，也会看到大量的红外光，导致VR装置的观看质量与舒适度大幅降低，有待进一步改善。
发明内容
本发明有关于一种头戴式显示器，用以改善观看质量。
根据本发明的一方面，提出一种头戴式显示器。一种头戴式显示器，包括一本体部、一显示面板、一透镜模块、一红外线发射器以及一红外线接收器。显示面板设置于本体部内。透镜模块设置于显示面板的前方。透镜模块包括一外框部、一透镜以及一安装部，透镜设置于外框部中，安装部设置于外框部的周缘，其中透镜具有一中心轴，中心轴上具有一观看点，观看点与安装部之间具有一参考线。红外线发射器设置于透镜模块的安装部，其中外框部于观看点以及安装部之间设有至少一出光面，红外线发射器经由至少一出光面沿参考线投射一光线，且出光面限制光线的一出光角度。红外线接收器设置于本体部上，红外线接收器用以接收此光线。
本发明所述的头戴式显示器，其中，该透镜具有一第一半径，该观看点至该透镜在该中心轴上具有一第一距离，该参考线相对于该中心轴具有一夹角，该夹角大于或等于tan-1(该第一半径/该第一距离)。
本发明所述的头戴式显示器，其中，该第一半径介于25～35mm，该第一距离介于10～16mm。
本发明所述的头戴式显示器，其中，该光线的该出光角度相对于该参考线介于0度至20度之间。
本发明所述的头戴式显示器，其中，该安装部为一腔体，用以容纳该红外线发射器，且该出光面设置于该腔体朝向该观看点的一侧面。
本发明所述的头戴式显示器，其中，更包括一导光元件，对应该红外线发射器设置于该腔体中，该导光元件用以引导该光线至该出光面。
本发明所述的头戴式显示器，其中，该红外线发射器包括多个发光二极管，多个该发光二极管环绕该透镜的周缘，且各该发光二极管经由对应的该出光面投射该光线。
本发明所述的头戴式显示器，其中，一目标物位于该中心轴的该观看点上，各该发光二极管投射该光线至该目标物上，且该光线经由该目标物反射至该显示面板。
本发明将红外线发射器设置于腔体内，并限制经由出光面投射出光线的出光角度，如此，可使光线仅投射在观看者的左眼及右眼上，以供追踪人眼瞳孔的位置，同时，能避免多余的杂光散布在透镜周围的观看环境中，进而提高头戴式显示器的观看质量。
附图说明
图1绘示依照本发明一实施例的头戴式显示器的方块示意图。
图2A绘示依照本发明一实施例的头戴式显示器的外观示意图。
图2B绘示图2A的头戴式显示器于区域A的局部外观示意图。
图3绘示人眼、红外线发射器与透镜的相对位置的示意图。
图4绘示红外线发射器设置于腔体内的示意图。
其中，附图标记：
100：头戴式显示器
110：本体部
120：显示面板
122：左眼显示面板
124：右眼显示面板
130：透镜模块
131：外框部
131a：左框部
131b：右框部
131c：承靠部
132：左眼透镜
133：安装部
134：右眼透镜
135：出光面
140：红外线发射器
142：左眼红外线发射器
144：右眼红外线发射器
150：红外线接收器
152：左眼红外线接收器
154：右眼红外线接收器
160：数据控制单元
162：数据传输接口
164：显示控制器
166：移动传感器
170：导光元件
172：斜面
L：光线
O：观看点
C：中心轴
E：眼球
R：参考线
S：透镜
U：腔体
θ1：夹角
θ2：出光角度
X1：第一距离
Y1：第一半径
具体实施方式
以下提出实施例进行详细说明，实施例仅用以作为范例说明，并非用以限缩本发明欲保护的范围。以下是以相同/类似的符号表示相同/类似的元件做说明。
图1绘示依照本发明一实施例的头戴式显示器100的方块示意图。图2A绘示依照本发明一实施例的头戴式显示器100的外观示意图，图2B绘示图2A的头戴式显示器100于区域A的局部外观示意图。
请参照图1，依照本发明一实施例的头戴式显示器100包括一本体部110、一显示面板120、一透镜模块130、一红外线发射器140、一红外线接收器150以及一数据控制单元160。在一实施例中，显示面板120设置于本体部110内，显示面板120例如包括一左眼显示面板122以及一右眼显示面板124，分别用于播放左眼影像以及右眼影像。透镜模块130设置于显示面板120的前方，透镜模块130例如包括一左眼透镜132以及一右眼透镜134，分别将左眼影像及右眼影像投影至观看者的左眼及右眼中。
此外，红外线发射器140设置于透镜模块130上，红外线发射器140例如包括一左眼红外线发射器142以及一右眼红外线发射器144，用以分别发射一光线至观看者的左眼以及右眼。红外线接收器150设置于本体部110，红外线接收器150例如包括一左眼红外线接收器152以及一右眼红外线接收器154，用以分别接收经由观看者的左眼以及右眼所反射的光线。在一实施例中，经由观看者的左眼以及右眼所反射的光线可先经由显示面板120反射之后再入射至红外线接收器150中。在本实施例中，红外线接收器150接收到的反射光线可转换成影像信号，并传输至主控端，以供判断人眼瞳孔的位置，进而实现眼球追踪的功能。
在一实施例中，数据控制单元160例如包括一数据传输接口162、显示控制器164以及一移动传感器166。头戴式显示器100可通过数据传输接口162连接至一主控端(例如是计算机主机)，以将眼球动态数据传输至主控端，以供主控端追踪观看者的眼球。此外，头戴式显示器100也可通过数据传输接口162取得欲播放的影像数据(例如左眼影像以及右眼影像)，影像数据可通过显示控制器164播放于显示面板120中。另外，显示控制器164可依据来自移动传感器166的感测数据来计算观看者的头部方位以及移动量，进而显示对应的影像画面于显示面板120上。
请参照图2A及图2B，透镜模块130包括一外框部131、一左眼透镜132、一右眼透镜134以及一安装部133。在一实施例中，外框部131例如包括一左框部131a以及一右框部131b，左眼透镜132设置于左框部131a中，右眼透镜134设置于右框部131b中。安装部133设置于左框部131a的周缘以及右框部131b的周缘。此外，左框部131a以及右框部131b之间还设有一承靠部131c，用以供透镜模块130承靠在观看者的鼻梁上。
在一实施例中，安装部133例如为一腔体，用以容纳红外线发射器140。在图2A中，由于红外线发射器140内藏于外框部131中，因此从外观上无法直视红外线发射器140(仅以虚线表示)。红外线发射器140包括多个发光二极管，例如为远红外线发光二极管。此些发光二极管分别环绕于左眼透镜132以及右眼透镜134的周缘，且各个发光二极管经由对应的出光面135投射出光线L。
请参照图2B，至少一出光面135(图中绘示多个)设置于外框部131朝向观看点O的一侧面上，且出光面135限制经由出光面135投射出光线L的出光角度，如此，可使光线L仅投射在观看者的左眼及右眼上，避免多余的杂光散布在透镜周围的观看环境中。
接着，图3绘示人眼E、红外线发射器140与透镜S的相对位置的示意图。图4绘示红外线发射器140设置于腔体内的示意图。请参照图3，透镜S具有一中心轴C以及一第一半径Y1，中心轴C上具有一观看点O，目标物(例如人眼瞳孔)位于观看点O上。观看点O至透镜在中心轴C上具有一第一距离X1。此第一距离X1例如为出瞳距离(eye relief)。观看点O与安装部133之间具有一参考线R，参考线R相对于中心轴C具有一夹角θ1。此夹角θ1大于或等于半眼视角(half apparent field of view)，半眼视角也就是由观看点O观看时的一半视野角度。根据三角函数求角度，半眼视角等于tan-1(第一半径Y1/第一距离X1)。
在一实施例中，第一半径Y1例如介于25mm～35mm之间，第一距离X1例如介于10mm～16mm之间，当第一半径Y1为25mm，第一距离X1为10mm时，半眼视角约为68度，但本发明不以此为限。本实施例的头戴式显示器100可依据实际需求调整半眼视角的角度。
如图3所示，红外线发射器140可沿参考线R投射一光线L。若考虑人眼E瞳孔的直径，计算光线L投射至眼球E的角度，投射的光线L的出光角度θ2相对于参考线R例如介于0度至20度之间。此外，请参照图4，红外线发射器140设置于腔体U内，且红外线发射器140经由一出光面135沿参考线R投射一光线L，其中出光面135设置于腔体U朝向观看点O的一侧面，且出光面135用以限制光线L的出光角度θ2，使投射的光线L的出光角度θ2相对于参考线R被限制于0度至20度之间，以避免多余的杂光散布在透镜周围的观看环境中。
在本实施例中，头戴式显示器100更包括一导光元件170，导光元件170对应红外线发射器140设置于腔体U中，例如设置于红外线发射器140的上方，用以改变光线L的出光角度θ2。在一实施例中，导光元件170例如为具有导光功能的楔形板(wedge plate)，楔形板例如具有朝向出光面135的一斜面172，用以引导光线L经由斜面172出射至出光面135。此外，光线L可于导光元件170中多次反射后再由斜面172出射，进而增加出光量。另外，出光面135的开口宽度、红外线发射器140的高度以及出光面135相对于红外线发射器140的倾斜角度也可根据实际的需求调整，由此改变光线L的出光角度θ2。
本发明上述实施例所公开的头戴式显示器，是将红外线发射器设置于腔体内，并限制经由出光面投射出光线的出光角度，如此，可使光线仅投射在观看者的左眼及右眼上，以供追踪人眼瞳孔的位置，同时，能避免多余的杂光散布在透镜周围的观看环境中，进而提高头戴式显示器的观看质量。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种头戴式显示器，其特征在于，该头戴式显示器包括：
一本体部；
一显示面板，设置于该本体部内；
一透镜模块，设置于该显示面板的前方，该透镜模块包括一外框部、一透镜以及一安装部，该透镜设置于该外框部中，该安装部设置于该外框部的周缘，其中该透镜具有一中心轴，该中心轴上具有一观看点，该观看点与该安装部之间具有一参考线；
一红外线发射器，设置于该透镜模块的该安装部，其中该外框部于该观看点以及该安装部之间设有至少一出光面，该红外线发射器经由该至少一出光面沿该参考线投射一光线，且该出光面限制该光线的一出光角度，该安装部为一腔体，用以容纳该红外线发射器，且该出光面设置于该腔体朝向该观看点的一侧面；
一导光元件，设置于该红外线发射器上，该导光元件用以反射该光线且改变该光线的该出光角度，其中该导光元件为一楔形板，该楔形板具有朝向该出光面的一斜面，该导光元件用以引导该光线至该出光面；以及
一红外线接收器，设置于该本体部上，该红外线接收器用以接收该光线。
2.如权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，该透镜具有一第一半径，该观看点至该透镜在该中心轴上具有一第一距离，该参考线相对于该中心轴具有一夹角，该夹角大于或等于tan-1(该第一半径/该第一距离)。
3.如权利要求2所述的头戴式显示器，其特征在于，该第一半径介于25～35mm，该第一距离介于10～16mm。
4.如权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，该光线的该出光角度相对于该参考线介于0度至20度之间。
5.如权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，该导光元件设置于该腔体中。
6.如权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，该红外线发射器包括多个发光二极管，多个该发光二极管环绕该透镜的周缘，且各该发光二极管经由对应的该出光面投射该光线。
7.如权利要求6所述的头戴式显示器，其特征在于，一目标物位于该中心轴的该观看点上，各该发光二极管投射该光线至该目标物上，且该光线经由该目标物反射至该显示面板。
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