CN117270204A - 虚拟现实显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种虚拟现实显示器，包括显示模块及光学模块。其中显示模块包括显示器、液晶盒、第一相位延迟片以及偏光定向透镜。光学模块包括半反半透镜、第二相位延迟片、反射式偏振片及透镜元件。液晶盒设置在显示器与第一相位延迟片之间，偏光定向透镜设置在第一相位延迟片及半反半透镜之间。半反半透镜设置在偏光定向透镜及第二相位延迟片之间，反射式偏振片设置在第二相位延迟片及透镜元件之间。透镜元件设置在反射式偏振片及目标物之间。

Description

虚拟现实显示器
技术领域
本发明涉及一种显示器，更具体地说，尤其涉及一种虚拟现实显示器。
背景技术
扩增实境(Augmented Reality,AR)、虚拟现实(Virtual Reality,VR)或混合实境(Mixed Reality,MR)等技术可以向使用者提供接近真实场景感受的显示画面，因此在近年来被广泛关注。
然而目前AR、VR或MR的显示装置，除了需降低装置本身的重量以减轻穿戴者负担之外，如何进一步减轻用户的视觉辐辏调节冲突(vergence-accommodation conflict,VAC)，以缓解使用者的疲劳感与晕眩感，也是相关厂商仍需解决的问题。
发明内容
本发明提供一种虚拟现实显示器，可增加影像的空间深度，达成降低VAC的效果减缓使用者的疲劳感与晕眩感，增进使用体验。
根据本发明的一实施例，虚拟现实显示器包括显示模块及光学模块。其中显示模块包括显示器、液晶盒、第一相位延迟片以及偏光定向透镜。光学模块包括半反半透镜、第二相位延迟片、反射式偏振片及透镜元件。液晶盒设置在显示器与第一相位延迟片之间，偏光定向透镜设置在第一相位延迟片及半反半透镜之间。半反半透镜设置在偏光定向透镜及第二相位延迟片之间，反射式偏振片设置在第二相位延迟片及透镜元件之间。透镜元件设置在反射式偏振片及目标物之间。
根据本发明的另一实施例，虚拟现实显示器包括显示模块及光学模块。其中显示模块包括显示器及第一相位延迟片。光学模块包括半反半透镜、第二相位延迟片、反射式偏振片、液晶盒、第三相位延迟片、偏光定向透镜及透镜元件。第一相位延迟片设置于显示器与光学模块之间。半反半透镜设置在第一相位延迟片及第二相位延迟片之间。第二相位延迟片设置在半反半透镜及反射式偏振片之间。反射式偏振片设置在第二相位延迟片及液晶盒之间。液晶盒设置在反射式偏振片及第三相位延迟片之间。第三相位延迟片设置在液晶盒及偏光定向透镜之间。透镜元件设置在偏光定向透镜及目标物之间。
经由上述，本发明的虚拟现实显示器利用液晶盒切换不同的线偏振态，并搭配光学模块利用线偏振与圆偏振的转换使光路进行折返传递，再利用偏光定向透镜对应不同的圆偏振产生不同的焦段。以光学模块达到轻薄的设计的同时，进一步提供了远近不同焦段的影像深度。增添虚拟图像空间深度以降低视觉辐辏调节冲突，有效降低使用者观看时的疲劳感与晕眩感。
为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明。
附图说明
包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
图1A是本发明第一实施例的虚拟现实显示器的剖视示意图；
图1B是图1A第一实施例的虚拟现实显示器在第一状态时，显示光通过各元件后产生的偏振变化示意图；
图1C是图1A第一实施例的虚拟现实显示器于第二状态时，显示光通过各元件后产生的偏振变化示意图；
图2A是本发明第二实施例的虚拟现实显示器的剖视示意图；
图2B是图2A第二实施例的虚拟现实显示器在第一状态时，显示光通过各元件后产生的偏振变化示意图；
图2C是图2A第二实施例的虚拟现实显示器于第二状态时，显示光通过各元件后产生的偏振变化示意图。
附图标号说明
1、2：虚拟现实显示器；
10A、10C：显示模块；
10B、10D：光学模块；
100：显示器；
100S：显示面；
200：液晶盒；
200A：第一状态；
200B：第二状态；
300A：第一相位延迟片；
300B：第二相位延迟片；
300C：第三相位延迟片；
400：偏光定向透镜；
500：半反半透镜；
600：反射式偏光片；
700：透镜元件；
C1：第一圆偏振态；
C2：第二圆偏振态；
E：人眼；
f：焦距；
L：显示光；
L1：第一线偏振态；
L2：第二线偏振态；
LA、LB、LA’、LB’：光强度；
X、Y、Z：方向。
具体实施方式
现将详细参考本发明的优选实施例，其实例在附图中得以说明。只要可能，相同参考数字在附图和描述中用以指相同或相似部分。
图1A是依照本发明第一实施例的虚拟现实显示器的剖视示意图。请参照图1A，虚拟现实显示器1包括显示模块10A及光学模块10B。其中显示模块10A包括显示器100、液晶盒200、第一相位延迟片300A以及偏光定向透镜400。光学模块10B包括半反半透镜500、第二相位延迟片300B、反射式偏振片600及透镜元件700。液晶盒200设置在显示器100与第一相位延迟片300A之间，偏光定向透镜400设置在第一相位延迟片300A及半反半透镜500之间。半反半透镜500设置在偏光定向透镜400及第二相位延迟片300B之间，反射式偏振片600设置在第二相位延迟片300B及透镜元件700之间。透镜元件700设置在反射式偏振片600及目标区之间。
显示器100具有一显示面100S，用以发出显示光L至目标区(例如图1A的人眼E)。显示器100例如为液晶显示器(LCD)或其他合适的显示装置。值得一提的是，本实施例的显示光L为线偏振光，例如具有与方向Y平行且垂直与方向X的第一偏振态L1，然而本发明并不以此限。举例来说，若采用非偏振光源的发光二极管显示器作为显示器100，则仅需额外配置一片线偏振片作为显示面100S，将非偏振光转变为线偏振光即可。
液晶盒200设置在显示器100之外。进一步来说，液晶盒200设置于显示面100S的一侧用于接收显示光L并改变显示光L的偏振态。举例来说，液晶盒200可以是扭曲向列型液晶阵列。在液晶盒200处于关闭状态(off)时，其可以将显示光L从平行方向Y的第一偏振态L1，扭转90度变为平行方向X的第二偏振态L2。在液晶盒200处于开启状态(on)时，显示光L的偏振状态则不受液晶盒200的影响，然而本发明不限于此。
第一相位延迟片300A及第二相位延迟片300B可以由单轴晶体制成。在本实施例中，第一相位延迟片300A及第二相位延迟片300B可以是四分之一波片(quarter-waveplate)。应理解的是，第一相位延迟片300A及第二相位延迟片300B的设置目的是将显示光L从线偏振态转变为圆偏振态，或者将圆偏振态转变为线偏振态。故第一相位延迟片300A及第二相位延迟片300B也可以采用能达到同样光学效果的单个或多个元件作为四分之一波片的替代选项，本发明并不以此为限。
偏光定向透镜400可以对不同圆偏振态的入射光具有不同的折射能力。举例来说，偏光定向透镜400对于右旋偏振(right-handed circular polarization,RHCP)的入射光具有正焦距(f>0)。换句话说，右旋偏振光入射偏光定向透镜400时，将会被会聚。反观来说，偏光定向透镜400对于左旋偏振(left-handed circular polarization,LHCP)的入射光具有负焦距(f<0)。换句话说，左旋偏振光入射偏光定向透镜400时，将会被发散。
半反半透镜500可以采用分束器(beam splitter)，或者为50/50反射镜(50/50mirror)，也就是50％的入射光穿透并反射50％的入射光。半反半透镜500可以是于透镜的一面镀上半反射材料制作而成，本发明并不限于此。
反射式偏振片600可以是反射第一线偏振态的光线，并允许第二线偏振态的光线通过，其中第一线偏振态及第二线偏振态于偏振平面相差90度。举例来说，本实施例的第一线偏振态L1例如平行于方向Y，第二线偏振态L2例如平行于方向X，而反射式偏振片600的穿透轴例如平行方向X，故可以反射第一线偏振态L1的光线并且让第二线偏振态L2的光线通过，本发明并不限于此。
透镜元件700的材料可以选用玻璃或塑料等常见的光学透镜材料，其可以是单片透镜或是多个透镜的组合，本发明并不限于此。
图1B是图1A第一实施例的虚拟现实显示器在第一状态时，显示光通过各元件后产生的偏振变化示意图。图1C是图1A第一实施例的虚拟现实显示器于第二状态时，显示光通过各元件后产生的偏振变化示意图。以下将针对本实施例的虚拟现实显示器1的光学原理举例说明。为了方便说明与呈现，以下实施例的方向Z例如为显示光L的行进方向，第一线偏振态L1例如为方向Y的铅直线偏振，第二线偏振态L2例如为方向X的水平线偏振，其中方向X、方向Y、方向Z之间实质上彼此垂直。第一圆偏振态C1例如为右旋偏振，而第二圆偏振态C2例如为左旋偏振。当然，本发明并不限于此。
请先参照图1B，当液晶盒200处于关闭状态的第一状态200A时，显示光L从显示器100发出时具有第一线偏振态L1；通过液晶盒200后转变为第二线偏振态L2；通过第一相位延迟片300A后转变成第二圆偏振态C2；通过偏光定向透镜400后被发散(f<0)；通过半反半透镜500后再被第二相位延迟片300B转变成第二线偏振态L2，因此可以通过反射式偏振片600。最后显示光L通过透镜元件700传递至人眼E，产生第一焦段影像。此时，第一状态200A所产生的第一焦段影像具有光强度LA。
接着请参照图1C，当液晶盒200处于开启状态的第二状态200B时，显示光L从显示器100发出时具有第一线偏振态L1；通过液晶盒200后依然维持第一线偏振态L1；通过第一相位延迟片300A后转变成第一圆偏振态C1；通过偏光定向透镜400后被会聚(f>0)；通过半反半透镜500后再被第二相位延迟片300B转变成第一线偏振态L1；被反射式偏振片600反射后依然为第一线偏振态L1；再次通过第二相位延迟片300B后转变成第一圆偏振态C1；被半反半透镜500反射后转变成第二圆偏振态C2；通过第二相位延迟片300B后转变成第二线偏振态L2，因此可以通过反射式偏振片600。最后显示光L通过透镜元件700传递至人眼E，产生第二焦段影像。此时，第二状态200B所产生的第二焦段影像具有光强度LB。
综上所述，经由以上实施方式，使得液晶盒200在第一状态200A时，显示光L所形成的影像可以具有第一焦段，在第二状态200B时，显示光L所形成的影像可以具有第二焦段。因此虚拟现实显示器1可以于不同状态提供不同焦段的影像，在以光学模块10B达到穿戴装置轻薄的设计的同时，进一步提供了远近不同焦段的影像深度。增添虚拟图像空间深度以降低视觉辐辏调节冲突，有效降低使用者观看时的疲劳感与晕眩感。
另一方面，液晶盒200的第一状态200A及第二状态200B的切换频率可以大于等于240赫兹以及小于等于1000赫兹。通过时间切割的方式，使得第一状态200A的第一焦段影像及第二状态200B的第二焦段影像，在人眼E的观察中融合成具有影像深度的显示画面。
值得一提的是，由于在第一状态200A时，显示光L经过一次半反半透镜500的反射，所形成的第一焦段影像具有光强度LA。而在第二状态200B时，显示光L经过二次半反半透镜500的反射，所形成的第二焦段影像具有光强度LB。因此光强度LA的大小为光强度LB的两倍。
在一些实施例中，可以在第一状态200A时，调整显示器100具有第一亮度，在第二状态200B时，调整显示器100具有第二亮度，并且第一亮度为第二亮度的一半。由此，第一状态200A时的显示光L经过一次半反半透镜500的反射，而第二状态200B时的显示光L经过二次半反半透镜500的反射，可以使光强度LA的大小与光强度LB的大小相等。
举例来说，若第一状态200A时显示器100的亮度为50％，则经过一次半反半透镜500的反射后，光强度LA的大小实质上为25％。第二状态200B时显示器100的亮度为100％，则经过二次半反半透镜500的反射后，光强度LB的大小也实质上为25％。由此，可以维持第一状态200A及第二状态200B的出光效率一致，以增进使用者的观看体验。
以下将列举另一实施例以详细说明本发明，其中相同的构件将标示相同的符号，并且省略相同技术内容的说明，省略部分请参考前述实施例，以下不再赘述。
图2A是依照本发明第二实施例的虚拟现实显示器的剖视示意图。请参照图2A，本实施例的虚拟现实显示器2与图1A的虚拟现实显示器1的主要差异在于：液晶盒200及偏光定向透镜400的摆放位置不同，以及光学模块10D还包括第三相位延迟片300C，而第三相位延迟片300C可以采用与前述第一相位延迟片300A及第二相位延迟片300B相同的设计或相同的材料，于此不赘述。
详细而言，显示模块10C包括显示器100以及第一相位延迟片300A。光学模块10D包括半反半透镜500、第二相位延迟片300B、反射式偏振片600、液晶盒200、第三相位延迟片300C、偏光定向透镜400以及透镜元件700。其中第一相位延迟片300A在显示器100与光学模块10D之间，半反半透镜500设置在第一相位延迟片300A及第二相位延迟片300B之间，第二相位延迟片300B设置在半反半透镜500及反射式偏振片600之间。反射式偏振片600设置在第二相位延迟片300B及液晶盒200之间，液晶盒200设置在反射式偏振片600及第三相位延迟片300C之间。第三相位延迟片300C设置在液晶盒200及偏光定向透镜400之间，透镜元件700设置在偏光定向透镜400及目标区(例如图2A中的人眼E)之间。
图2B是图2A第二实施例的虚拟现实显示器在第一状态时，显示光通过各元件后产生的偏振变化示意图。图2C是图2A第二实施例的虚拟现实显示器于第二状态时，显示光通过各元件后产生的偏振变化示意图。以下将针对本实施例的虚拟现实显示器2的光学原理举例说明。
请先参照图2B，当液晶盒200处于关闭状态的第一状态200A时，显示光L从显示器100发出时具有第一线偏振态L1；通过第一相位延迟片300A后转变成第二圆偏振态C2；通过半反半透镜500后再被第二相位延迟片300B转变成第一线偏振态L1；被反射式偏振片600反射后依然为第一线偏振态L1；再次通过第二相位延迟片300B转变成第二圆偏振态C2；被半反半透镜500反射后转变成第一圆偏振态C1；通过第二相位延迟片300B转变成第二线偏振态L2，因此可以通过反射式偏振片600；通过液晶盒200后维持第二线偏振态L2；通过第三相位延迟片300C转变成第一圆偏振态C1；通过偏光定向透镜400后被会聚(f>0)；最后显示光L通过透镜元件700传递至人眼E，产生第一焦段影像。此时，第一状态200A所产生的第一焦段影像具有光强度LA’。
请接着参照图2C，由于显示光L从显示器100发出，到转变成第二线偏振态L2而可以通过反射式偏振片600的偏振变化都与图2B相同，可以参照前述于此不再赘述。而差异在于：液晶盒200处于开启状态的第二状态200B时，显示光L通过液晶盒200后转变为第一线偏振态L1；通过第三相位延迟片300C转变成第二圆偏振态C2；通过偏光定向透镜400后被发散(f<0)；最后显示光L通过透镜元件700传递至人眼E，产生第二焦段影像。此时，第二状态200B所产生的第二焦段影像具有光强度LB’。
由于第一焦段影像以及第二焦段影像都经过半反半透镜500的两次反射，故光强度LA’及光强度LB’实质上相同。由此，可以维持第一状态200A及第二状态200B的出光效率一致，以增进使用者的观看体验。
综上所述，本发明的虚拟现实显示器利用液晶盒切换不同的线偏振态，并搭配光学模块利用线偏振与圆偏振的转换使光路进行折返传递，再利用偏光定向透镜对应不同的圆偏振产生不同的焦段。以光学模块达到轻薄的设计的同时，进一步提供了远近不同焦段的影像深度。增添虚拟图像空间深度以降低视觉辐辏调节冲突，有效降低使用者观看时的疲劳感与晕眩感。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (11)

1.一种虚拟现实显示器，包括显示模块及光学模块，其特征在于，所述显示模块包括：
显示器，用以发出显示光至目标区；
液晶盒，接收所述显示光；
第一相位延迟片，所述液晶盒设置在所述显示器与所述第一相位延迟片之间；以及
偏光定向透镜，设置在所述第一相位延迟片及所述光学模块之间，其中所述光学模块包括：
半反半透镜；
第二相位延迟片，其中所述半反半透镜设置在所述偏光定向透镜及所述第二相位延迟片之间；
反射式偏振片，设置在所述目标区与所述第二相位延迟片之间；以及
透镜元件，设置在所述反射式偏振片及所述目标区之间。
2.根据权利要求1所述的虚拟现实显示器，其特征在于，其中所述显示光具有第一线偏振态，所述液晶盒适于将所述显示光从所述第一线偏振态转变为第二线偏振态，所述第一相位延迟片适于将所述第一线偏振态转变为第一圆偏振态以及将所述第二线偏振态转变为第二圆偏振态，所述偏光定向透镜对于所述第一圆偏振态及所述第二圆偏振态分别具有正焦距及负焦距。
3.根据权利要求1所述的虚拟现实显示器，其特征在于，其中所述液晶盒具有第一状态及第二状态，在所述第一状态时，所述显示光所形成的影像具有第一焦段，在所述第二状态时，所述显示光所形成的影像具有第二焦段。
4.根据权利要求3所述的虚拟现实显示器，其特征在于，其中所述第一状态及所述第二状态的切换频率大于等于240赫兹以及小于等于1000赫兹。
5.根据权利要求3所述的虚拟现实显示器，其特征在于，其中在所述第一状态时，所述显示器具有第一亮度，在所述第二状态时，所述显示器具有第二亮度，所述第一亮度为所述第二亮度的一半。
6.根据权利要求1所述的虚拟现实显示器，其特征在于，其中所述液晶盒包括扭曲向列型液晶阵列。
7.一种虚拟现实显示器，包括显示模块及光学模块，其特征在于，所述显示模块包括：
显示器，用以发出显示光至目标区；以及
第一相位延迟片，设置于所述显示器与所述光学模块之间，其中所述光学模块包括：
半反半透镜；
第二相位延迟片，所述半反半透镜设置在所述第一相位延迟片及所述第二相位延迟片之间；
反射式偏振片，所述第二相位延迟片设置在所述半反半透镜及所述反射式偏振片之间；
液晶盒，所述反射式偏振片设置在所述第二相位延迟片及所述液晶盒之间；
第三相位延迟片，所述液晶盒设置在所述反射式偏振片及所述第三相位延迟片之间；
偏光定向透镜，所述第三相位延迟片设置在所述液晶盒及所述偏光定向透镜之间；以及
透镜元件，设置在所述偏光定向透镜及所述目标区之间。
8.根据权利要求7所述的虚拟现实显示器，其特征在于，其中所述显示光具有第一线偏振态，液晶盒适于将所述显示光从所述第一线偏振态转变为所述第二线偏振态，所述第一相位延迟片、所述第二相位延迟片以及第三相位延迟片适于将所述显示光在所述第一线偏振态及第一圆偏振态之间转换，以及适于将所述显示光在所述第二线偏振态及第二圆偏振态之间转换，所述偏光定向透镜对于所述第一圆偏振态及所述第二圆偏振态分别具有正焦距及负焦距。
9.根据权利要求7所述的虚拟现实显示器，其特征在于，其中所述液晶盒具有第一状态及第二状态，在所述第一状态时，所述显示光所形成的影像具有第一焦段，在所述第二状态时，所述显示光所形成的影像具有第二焦段。
10.根据权利要求9所述的虚拟现实显示器，其特征在于，其中所述第一状态及所述第二状态的切换频率大于等于240赫兹以及小于等于1000赫兹。
11.根据权利要求7所述的虚拟现实显示器，其特征在于，其中所述液晶盒包括扭曲向列型液晶阵列。
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