CN112394509B - 头戴式显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种头戴式显示装置，其包括本体、显示元件以及两透镜组。显示元件配置于本体，适于提供影像光束。两透镜组，配置于影像光束的传递路径上。各透镜组包括多个透镜，其中透镜的其中之一在显示元件的至少一侧具有散光面。散光面为非旋转对称，且影像光束传递通过散光面后具有像散像差。

Description

头戴式显示装置
技术领域
本发明涉及一种电子装置，且特别是涉及一种头戴式显示装置。
背景技术
随着科技产业日益发达，电子装置的型态、使用功能以及使用方式越来越多元，可直接配带在使用者身体上的穿戴式(wearable)电子装置也因应而生。头戴式电子装置的种类相当多，以眼罩类型等头戴式电子装置为例，使用者配戴上此类电子装置之后，除了可以看到立体影像之外，影像还会随着使用者头部转动而变，可提供使用者更身历其境的感受。
然而，此类头戴式电子装置所提供的影像，容易因显示元件的结构而产生纱窗效应(Screen Door Effect)，进而严重影响使用者在使用时的沉浸感。因此，如何减少头戴式电子装置所产生的纱窗效应，是本领域人员需致力于行研究的。
发明内容
本发明提供一种头戴式显示装置，可减少头戴式电子装置所产生的纱窗效应。
本发明提供一种头戴式显示装置，包括本体、显示元件以及两透镜组。显示元件配置于本体，适于提供影像光束。两透镜组，配置于影像光束的传递路径上。各透镜组包括多个透镜，其中透镜的其中之一在显示元件的至少一侧具有散光面。散光面为非旋转对称，且影像光束传递通过散光面后具有像散像差。
在本发明的一实施例中，上述的影像光束传递通过散光面的其中一部分的成像焦平面与传递通过散光面的其中另一部分的成像焦平面不同。
在本发明的一实施例中，上述的散光面在平行于X方向及Z方向所形成平面的一平面上的截线曲率不同于在平行于Y方向及Z方向所形成平面的一平面上的截线曲率。X方向、Y方向及Z方向为相互垂直，且影像光束沿平行Z方向的一方向传递。
在本发明的一实施例中，上述的散光面为曲面。
在本发明的一实施例中，上述的具有散光面的透镜具有屈光率。
在本发明的一实施例中，上述的具有散光面的透镜在邻近显示元件的一侧具有菲涅耳表面。
在本发明的一实施例中，上述的透镜的另外其中之一在邻近显示元件的一侧具有菲涅耳表面。
在本发明的一实施例中，上述的显示元件包括以阵列排列的多个显示像素以及用以分隔显示像素的多个遮光区。
在本发明的一实施例中，上述的具有散光面的透镜为液晶透镜。
在本发明的一实施例中，上述的具有散光面的透镜包括液晶层以及分别调控液晶层不同轴向的两电极结构，且散光面在相互垂直两方向上的截线曲率分别由两电极结构调制液晶层而成。
在本发明的一实施例中，上述具有产生散光面的透镜为液态透镜。
在本发明的一实施例中，上述具有产生散光面的透镜由液体和聚合物膜所组成。透镜适于通过液体及聚合物膜变化形状。
在本发明的一实施例中，上述具有散光面的透镜包括控制元件以及至少一电极。控制元件经由至少一电极连接透镜。控制元件根据显示元件显示的画面以至少一电极控制透镜而产生散光面。
在本发明的一实施例中，上述的头戴式显示装置还包括传感器，适于感测一眼球移动。控制元件根据传感器所感测到眼球的移动而控制透镜。
在本发明的一实施例中，上述透镜由多焦点镜片所组成。
在本发明的一实施例中，上述透镜的散光面具有不同的多个散光区域。
在本发明的一实施例中，上述具有产生散光面的透镜可以相对于显示元件转动、移动或倾斜。
在本发明的一实施例中，上述的头戴式显示装置还包括传感器以及控制元件。传感器适于感测眼球移动。控制元件根据传感器所感测到眼球的移动而控制具有产生散光面的透镜。
基于上述，在本发明的头戴式显示装置中，透镜组的多个透镜的其中之一在远离显示元件的一侧具有散光面。散光面为非旋转对称，且可使影像光束传递通过后具有像散像差。因此，可使显示元件中遮光区无法在人眼中成像，进而减少人眼观察头戴式显示装置所提供的影像因遮光区所产生的纱窗效应。
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，并配合所附的附图作详细说明如下。
附图说明
图1为本发明一实施例的头戴式显示装置的立体示意图；
图2为图1的显示元件的局部显示面示意图；
图3为图1的部分透镜组在YZ平面的侧视示意图；
图4为图1的部分透镜组在XZ平面的侧视示意图；
图5为图3及图4叠加而成的侧视示意图；
图6为另一实施例的部分透镜组在YZ平面的光路示意图；
图7为图6的部分透镜组在XZ平面的光路示意图；
图8为图6的部分透镜组的立体光路示意图。
符号说明
100：头戴式显示装置
110：本体
112：穿戴件
120：显示元件
122：显示像素
124：遮光区
130：透镜组
132、132A：透镜
E1、E2：焦平面
F1、F2：焦点
L、L1、L2：影像光束
SA、SA_XZ、SA_YZ：散光面
SF：菲涅耳表面
具体实施方式
图1为本发明一实施例的头戴式显示装置的立体示意图。本发明一实施例提供一种头戴式显示装置100，可让使用者配戴并达到体验虚拟实境(virtual reality)、扩增实境(augmented reality)或混合实境(mixed reality)的效果。在本实施例中，头戴式显示装置100包括本体110、显示元件120、两透镜组130以及穿戴件140。在其他实施例中，各部件的种类及数量可依需求或应用情境而有所调整，本发明并不限于此。
在本实施例中，头戴式显示装置100，包括本体110、显示元件120以及两透镜组130。本体110例如是外壳及光学系统的组合，其中光学系统搭载于外壳内，光学系统例如由显示元件120以及两透镜组130所组成。在本实施例中，本体110包括穿戴件112，适于穿戴于使用者头部，但本发明并不限于此。显示元件120可以是内置显示装置或外加的可携式显示装置(例如智能手机等)，本发明不限于此。
图2为图1的显示元件的局部显示面示意图。请参考图1及图2。显示元件120配置于本体110，适于提供影像光束L。显示元件120的种类可依据头戴式显示装置100应用在虚拟实境系统(virtual reality system)、扩增实境系统(augmented reality system)或混合实境系统(mixed reality system)中而有所调整。而光学系统包括两透镜组130等用于改变自显示元件120光路的光学元件，例如为透镜、导光件或棱镜等，本发明并不以此为限。在本实施例中，显示元件120包括以阵列排列的多个显示像素122以及用以分隔显示像素122的多个遮光区124。
两透镜组130配置于影像光束L的传递路径上。各透镜组130包括多个透镜，其中透镜的至少其中之一在远离显示元件120的一侧具有散光面，其中透镜的至少其中之一在邻近显示元件120的一侧具有菲涅耳表面。
图3为图1的部分透镜组在YZ平面的侧视示意图。图4为图1的部分透镜组在XZ平面的侧视示意图。图5为图3及图4叠加而成的侧视示意图。请参考图1、图3至图5。举例而言，在本实施例中，各透镜组130包括具有屈光率的透镜132，且在此透镜132中，远离显示元件120的一侧为散光面SA，而邻近显示元件120的一侧则为菲涅耳表面SF。换句话说，在本实施例中，透镜132同时具有散光面SA以及菲涅耳表面SF，但本发明并不限于此。在一些实施例中，散光面SA以及菲涅耳表面SF也可以分别配置于不同的透镜上。举例而言，在本实施例中，菲涅耳表面SF与散光面SA分别为透镜132的入光面与出光面。
散光面SA为非旋转对称、曲面，且配置作为出光面，可使影像光束L传递通过散光面SA后具有像散像差。详细而言，散光面SA在平行于X方向及Z方向所形成平面的一平面上的截线曲率(如图3所显示的散光面SA_XZ)不同于在平行于Y方向及Z方向所形成平面的一平面上的截线曲率(如图4所显示的散光面SA_YZ)，如图5所显示的曲率差异。举例而言，散光面SA例如为椭圆体面。上述X方向、Y方向及Z方向为相互垂直，且影像光束L(如图1所显示)沿平行Z方向的一方向传递。
因此，影像光束L传递通过散光面SA后因散光面SA的不对称特性而产生像散像差，可使得使用者所观看到的影像产生轻微模糊，进而减少显示元件120中遮光区124(见如图2)在人眼中的成像效果。换句话说，显示元件120中遮光区124的成像可通过上述影像的散光效果产生轻微模糊而无法在人眼中成像。如此一来，可减少人眼观察头戴式显示装置100所提供的影像因遮光区124所产生的纱窗效应。
另一方面，菲涅耳表面SF为旋转对称，且配置作为入光面，可节省整体透镜组130的体积。菲涅耳表面SF可配置于具有散光面SA的透镜132中。然而，在其他实施例中，菲涅耳表面SF也可配置于其他透镜中，本发明并不限于此。
图6为另一实施例的部分透镜组在YZ平面的光路示意图。图7为图6的部分透镜组在XZ平面的光路示意图。图8为图6的部分透镜组的立体光路示意图。请参考图1、图6至图8。本实施例所绘示的透镜132A至少可应用于上述图1实施例所绘示的两透镜组130，故以下说明将以应用于图1实施例所绘示的两透镜组130，但本发明并不限于此。在本实施例中，当显示元件120所提供的影像光束L传递通过散光面SA后，由于散光面SA在平行于X方向及Z方向所形成平面的一平面上的截线曲率不同于在平行于Y方向及Z方向所形成平面的一平面上的截线曲率，故影像光束L传递通过散光面SA的其中一部分的成像焦平面与传递通过散光面SA的其中另一部分的成像焦平面不同。
具体而言，在本实施例中，散光面SA在平行于Y方向及Z方向所形成平面的一平面上的截线曲率大于在平行于X方向及Z方向所形成平面的一平面上的截线曲率。因此，当影像光束L在传递通过散光面SA后，平行于Y方向的部分影像光束L1在成像焦平面E1所形成焦点F1的焦距将大于平行于X方向的部分影像光束L2在成像焦平面E2所形成焦点F2的焦距，如图6至图8所显示。如此一来，影像光束L传递通过散光面SA后因散光面SA的不对称特性而产生像散像差，可使显示元件120中遮光区124无法在人眼中成像，进而减少人眼观察头戴式显示装置100所提供的影像因遮光区124所产生的纱窗效应。
在一些实施例中，具有散光面的透镜可为液晶透镜。详细而言，具有散光面的透镜包括液晶层以及分别调控液晶层不同轴向的两电极结构。因此，可通过操控两电极结构的调制，以使液晶层中的液晶材料在不同方向分布上具有不同折射率，进而在相互垂直两方向上产生不同的等效截线曲率。如此一来，当影像光束传递通过散光面后，会因散光面的不对称特性而产生像散像差，可使显示元件中遮光区无法在人眼中成像，进而减少人眼观察头戴式显示装置所提供的影像因遮光区所产生的纱窗效应。
此外，在一些实施例中，具有散光面的透镜可为液态透镜。液态透镜例如是由液体以及包覆所述液体的聚合物膜所组成，液态透镜适于通过控制液体及聚合物膜变化形状。详细而言，液态透镜包括控制元件以及至少一电极，控制元件经由至少一电极连接至液态透镜。在一实施例中，控制元件可以根据显示元件所显示的画面以至少一电极控制液态透镜，进而产生散光面。在另一实施例中，头戴式显示装置中还可包括传感器，用以感测使用者的眼球移动状态。控制元件则可根据传感器所感测到眼球的移动状态而控制液态透镜。换句话说，在此实施例中，液态透镜所产生的散光面可随着人眼的移动而适配性地微幅调整至最佳效果。如此一来，可使得使用者有较佳的视觉体验效果。
此外，在一些实施例中，具有散光面的透镜可为多焦点镜片。因此，所形成的散光面可在多焦点镜片上的多个不同区域形成多个不同光学条件的散光面。换句话说，多焦点镜片上的散光面由不同的多个散光区域所组成，且这些散光区域的光学条件彼此不同。因此，在此实施例中，多焦点镜片所产生的散光面可随着人眼的移动而适配性地使用最佳效果的散光区域。如此一来，可使得使用者有较佳的视觉体验效果。
除此之外，在上述的所有实施例中，具有散光面的透镜可进一步相对于显示元件转动、移动或倾斜。举例而言，头戴式显示装置还可包括传感器以及控制元件，传感器适于感测使用者的眼球移动，而控制元件则根据传感器所感测到眼球的移动状态而控制具有产生散光面的透镜。因此，可在使用者体验头戴式显示装置时，散光面随着人眼的移动而适配性地微幅调整散光面的位置或角度至最佳位置或最佳角度。如此一来，可使得使用者有较佳的视觉体验效果。
综上所述，在本发明的头戴式显示装置中，透镜组的多个透镜的其中之一在远离显示元件的一侧具有散光面。散光面为非旋转对称，且可使影像光束传递通过后具有像散像差。因此，可使显示元件中遮光区无法在人眼中成像，进而减少人眼观察头戴式显示装置所提供的影像因遮光区所产生的纱窗效应。
虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (17)

1.一种头戴式显示装置，其特征在于，包括：
本体；
显示元件，配置于所述本体，适于提供影像光束；以及
两透镜组，配置于所述影像光束的传递路径上，各所述两透镜组包括多个透镜，其中所述多个透镜的其中之一在所述显示元件的至少一侧具有散光面，所述散光面为非旋转对称，且所述影像光束传递通过所述散光面后具有像散像差，
其中，所述散光面在平行于X方向及Z方向所形成平面的一平面上的截线曲率不同于在平行于Y方向及所述Z方向所形成平面的一平面上的截线曲率，所述X方向、所述Y方向及所述Z方向为相互垂直，且所述影像光束沿平行所述Z方向的一方向传递。
2.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中所述影像光束传递通过所述散光面的其中一部分的成像焦平面与传递通过所述散光面的其中另一部分的成像焦平面不同。
3.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中所述散光面为曲面。
4.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中具有所述散光面的所述透镜具有屈光率。
5.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中具有所述散光面的所述透镜在邻近所述显示元件的一侧具有菲涅耳表面。
6.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中所述多个透镜的另外其中之一在邻近所述显示元件的一侧具有菲涅耳表面。
7.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中所述显示元件包括以阵列排列的多个显示像素以及用以分隔所述多个显示像素的多个遮光区。
8.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中具有所述散光面的所述透镜为液晶透镜。
9.如权利要求8所述的头戴式显示装置，其中具有所述散光面的所述透镜包括液晶层以及分别调控所述液晶层不同轴向的两电极结构，且所述散光面在相互垂直两方向上的截线曲率分别由所述两电极结构调制所述液晶层而成。
10.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中具有产生所述散光面的所述透镜为液态透镜。
11.如权利要求10所述的头戴式显示装置，其中具有产生所述散光面的所述透镜由液体和聚合物膜所组成，所述透镜适于通过控制所述液体及所述聚合物膜变化形状。
12.如权利要求10所述的头戴式显示装置，其中具有所述散光面的所述透镜包括控制元件以及至少一电极，所述控制元件经由所述至少一电极连接所述透镜，所述控制元件根据所述显示元件显示的画面以所述至少一电极控制所述透镜而产生所述散光面。
13.如权利要求12所述的头戴式显示装置，还包括传感器，适于感测眼球移动，所述控制元件根据所述传感器所感测到所述眼球的移动而控制所述透镜。
14.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中具有所述散光面的所述透镜为多焦点镜片。
15.如权利要求14所述的头戴式显示装置，其中所述透镜的所述散光面具有不同的多个散光区域。
16.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中具有产生所述散光面的所述透镜可以相对于所述显示元件转动、移动或倾斜。
17.如权利要求16所述的头戴式显示装置，还包括传感器以及控制元件，所述传感器适于感测眼球移动，所述控制元件根据所述传感器所感测到所述眼球的移动而控制具有产生所述散光面的所述透镜。
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