TWI633337B

TWI633337B - 虛擬實境顯示裝置

Info

Publication number: TWI633337B
Application number: TW106114785A
Authority: TW
Inventors: 邱奕榮; 石維國
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2017-05-04
Filing date: 2017-05-04
Publication date: 2018-08-21
Also published as: US20180321498A1; US10310276B2; TW201843492A

Abstract

一種虛擬實境顯示裝置，包括至少一顯示器及至少一光學組件。顯示器適於提供一影像光束至一使用者的左眼或右眼。光學組件設置在影像光束的傳遞路徑上，且位於顯示器與使用者的左眼或右眼之間。光學組件包括一第一菲涅耳透鏡，第一菲涅耳透鏡包括多個環繞其光軸的環狀結構，且每一環狀結構具有相連接的一有效折射面及一位於光軸與有效折射面之間的非光學有效面。第一菲涅耳透鏡在一中央區域的多個非光學有效面相對於光軸的平均傾斜角小於第一菲涅耳透鏡在一邊緣區域的多個非光學有效面相對於光軸的平均傾斜角。

Description

虛擬實境顯示裝置

本發明是有關於一種顯示裝置，且特別是有關於一種虛擬實境顯示裝置。

隨著顯示技術的進步，為了追求身歷其境的感受，使用者已無法滿足於只觀看平面的影像。為了提供使用者更具有現實感與立體感的視覺娛樂，虛擬實境（virtual reality, VR）成為目前顯示技術的新潮流。虛擬實境可利用模擬出一個三維空間的虛擬場景，提供使用者關於視覺等感官體驗，可即時觀看三維空間或二維空間的影像，甚至進一步能與虛擬影像進行互動。

常見的虛擬實境顯示裝置例如有頭戴式顯示器（head mounted display, HMD），其可配戴在使用者的頭部。此時，虛擬實境顯示裝置中的顯示器相當靠近人眼。為了讓人眼在近距離下也能看清楚顯示器所顯示的影像，也就是讓顯示器所顯示的影像成像在人眼的視網膜上，顯示器與人間之間設有光學元件（例如透鏡），並藉由其屈光度（refractive power）改變光的行進路徑，而使影像成像在人間的視網膜上。如此一來，使用者便會看到眼睛前方的虛像，而有身歷其境的感覺。

然而，光學元件的一些表面容易造成來自顯示器的光有部分不按照預期的方向與路徑前進，而是被反射到非預期的方向而造成雜散光。雜散光會影響使用者看到的影像的品質，而減損了使用者的視覺體驗。

本發明提供一種虛擬實境顯示裝置，可有效降低雜散光。

本發明的一實施例提出一種虛擬實境顯示裝置，包括至少一顯示器及至少一光學組件。顯示器適於提供一影像光束至一使用者的左眼或右眼。光學組件設置在影像光束的傳遞路徑上，且位於顯示器與使用者的左眼或右眼之間。光學組件包括一第一菲涅耳透鏡，第一菲涅耳透鏡包括多個環繞其光軸的環狀結構，且每一環狀結構具有相連接的一有效折射面及一位於光軸與有效折射面之間的非光學有效面。第一菲涅耳透鏡在一中央區域的多個非光學有效面相對於光軸的平均傾斜角小於第一菲涅耳透鏡在一邊緣區域的多個非光學有效面相對於光軸的平均傾斜角。

在本發明的實施例的虛擬實境顯示裝置中，由於第一菲涅耳透鏡在中央區域的多個非光學有效面相對於光軸的平均傾斜角小於第一菲涅耳透鏡在邊緣區域的多個非光學有效面相對於光軸的平均傾斜角，因此從環狀結構的有效折射面入射的影像光束較不會接著被非光學有效面反射而造成雜散光。如此一來，本發明的實施例的虛擬實境顯示裝置便能夠有效降低雜散光的產生，進而提升使用者看到的影像的品質。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1為本發明的一實施例的虛擬實境顯示裝置的剖面示意圖。請參照圖1，本實施例的虛擬實境顯示裝置100包括至少一顯示器110（圖1中是以兩個顯示器110a與110b為例）及至少一光學組件120（圖1中是以兩個光學組件120a與120b為例）。顯示器110適於提供一影像光束112至一使用者的左眼50a或右眼50b。光學組件120設置在影像光束112的傳遞路徑上，且位於顯示器110與使用者的左眼50a或右眼50b之間。在本實施例中，顯示器110a與顯示器110b分別提供二個影像光束112a與112b，而影像光束112a與影像光束112b分別經由光學組件120a與光學組件120b而分別傳遞至使用者的左眼50a與右眼50b，以在左眼50a與右眼50b的視網膜上形成影像。在本實施例中，顯示器110例如為液晶顯示面板、有機發光二極體顯示面板、發光二極體顯示面板或其他適當的顯示器。

圖2為圖1中的第一菲涅耳透鏡的局部剖面示意圖，圖2中的雙S形附號的兩個相鄰的S之間事實上有一段菲涅耳透鏡結構，但為了便於示出環狀結構，圖2中僅示意性地繪示出位於中央區域與邊緣區域的菲涅耳透鏡結構。圖3為圖1中的第一菲涅耳透鏡的正視示意圖。請參照圖1、圖2與圖3，在本實施例中，光學組件120包括一第一菲涅耳透鏡200，設置在影像光束112的傳遞路徑上，第一菲涅耳透鏡200包括多個環繞其光軸A的環狀結構210，且每一環狀結構210具有相連接的一有效折射面212及一位於光軸A與有效折射面212之間的非光學有效面214。在本實施例中，有效折射面212是指菲涅耳透鏡中用來有效折射光線的表面，以產生聚光或使光發散的效果。在本實施例中，第一菲涅耳透鏡200相當於一凸透鏡，而其有效折射面212具有聚光的效果。此外，非光學有效面214是用來連接兩相鄰有效折射面212的表面，其對於菲涅耳透鏡的預期的聚光或使光發散的效果沒有貢獻。

第一菲涅耳透鏡200在一中央區域C的多個非光學有效面214相對於光軸A的平均傾斜角小於第一菲涅耳透鏡200在一邊緣區域P的多個非光學有效面214相對於光軸A的平均傾斜角。具體而言，每一個非光學有效面214相對於光軸A有一傾斜角θ，而在中央區域C中的這些傾斜角θ的平均值小於在邊緣區域P中的這些傾斜角θ的平均值。換言之，在中央區域C的非光學有效面214平均而言較在邊緣區域的非光學有效面214陡。此外，從有效折射面212入射的影像光束112在中央區域C的行進方向相對於光軸A的傾斜角較小，而從有效折射面212入射的影像光束112在邊緣區域P的行進方向相對於光軸A的傾斜角較大，因此藉由在中央區域C的非光學有效面214平均而言較在邊緣區域的非光學有效面214陡，可使被有效折射面212折射的影像光束112較不會行進到非光學有效面214，進而被光學有效面214反射成雜散光。如此一來，本實施例的虛擬實境顯示裝置100便能夠有效降低雜散光的產生，進而提升使用者看到的影像的品質。在一實施例中，傾斜角θ可視為非光學有效面214的脫模角。

在本實施例中，第一菲涅耳透鏡200於相對於光軸A之靠近使用者的眉心E的一側且位於從光軸A起算且垂直於光軸A的0.1倍半徑R處至0.5倍半徑R處為一特定區域S，在特定區域S中的每一環狀結構210的有效折射面212在將影像光束112折射後，使影像光束112的行進方向相對於此環狀結構210的非光學有效面214的傾斜角φ（如圖2所繪示）小於或等於15度，其中上述半徑R定義為從光軸A至第一菲涅耳透鏡200之離光軸A最遠處（例如是離光軸A最遠的角落）的距離（如圖3所繪示），且半徑R垂直於光軸A。也就是說，非光學有效面214的傾斜方向匹配於被同一個環狀結構210的有效折射面212折射的影像光束112的行進方向。另外，在本實施例中，中央區域C例如是指從光軸A起算且垂直於光軸A的0倍半徑R處至0.5倍半徑R處的區域，而邊緣區域P例如是從光軸A起算且垂直於光軸A的0.5倍半徑R處至1倍半徑R處的區域。

在本實施例中，每一環狀結構210在沿著圓周方向上排列的多個不同位置處的非光學有效面214相對於光軸A的多個傾斜角θ彼此不同，以使非光學有效面214的傾斜方向匹配於被此環狀結構210的有效折射面212折射的影像光束112的行進方向。舉例而言，在圖2中第一菲涅耳透鏡200的左端（遠離眉心E的一端）的傾斜角θ小於右端（靠近眉心E的一端）的傾斜角θ。換言之，每一環狀結構210的非光學有效面214為非軸對稱，例如不會以光軸A為對稱軸而呈軸對稱。在本實施例中，使用者的左眼50a與右眼50b的瞳孔之間的距離D1小於二個光學組件120a與120b的二個第一菲涅耳透鏡200的光學中心K之間的距離D2，也就是說左眼50a與右眼50b相對於第一菲涅耳透鏡200是採用偏心的設計，因此每一環狀結構210的非光學有效面214相應地採用非軸對稱的設計。在一實施例中，每一環狀結構210的非光學有效面214相對於光軸A的傾斜角θ小於等於45度，且例如是大於0度。

以上關於非光學有效面214的傾斜角θ或傾斜程度的特徵是為了減少被有效折射面212折射的影像光束112被非光學有效面214反射成雜散光的機率，然而另一個會產生雜散光的原因則是影像光束112可能從非光學有效面214入射第一菲涅耳透鏡200，而被非光學有效面214折射或反射出雜散光。為了解決以此方式產生的雜散光問題，在本實施例中，這些環狀結構210的這些非光學有效面214上分別覆蓋有多個吸光材料層216，如此一來，便可將入射至吸光材料層216的影像光束112吸收，而不至於產生雜散光。吸光材料層216的材質例如是黑色油墨、摻有黑色碳粉的樹脂或其他適當的材料。然而，本發明並不限制吸光材料層216的材料種類或塗覆方式，其可由本領域具有通常知識者依據實際應用情況作適當選擇。

在本實施例中，第一菲涅耳透鏡200具有背對這些環狀結構210的一平滑表面220，且平滑表面220上設有抗反射層230。抗反射層230可以降低平滑表面220反射影像光束112的反射率，以減少平滑表面220反射影像光束112而產生雜散光的機會。抗反射層230例如是抗反射多層膜或單層的抗反射膜。此外，在其他實施例中，平滑表面220例如為平面，且這些環狀結構210位於顯示器110與平滑表面220之間。舉例而言，第一菲涅耳透鏡200可具有一基板240，基板的一側為平滑表面220，而另一側設有環狀結構210。基板240與環狀結構210可選用透明的材質。另外，在其他實施例中，平滑表面220a也可以是彎曲凸面（如圖4所繪示），或者平滑表面220b也可以是彎曲凹面（如圖5所繪示）。此外，上述光學中心K例如是位於光軸A與平滑表面220的交點

基於上述，本實施例的第一菲涅耳透鏡200採用了上述三種減弱雜散光的設計，第一種為非光學有效面214的傾斜角θ的設計，第二種為採用吸光材料層216的設計，而第三種為採用抗反射層230的設計。藉由上述這三種設計來降低雜散光，可有效改善影像中出現白霧、影像中出現拖影及影像中出現明顯的同心圓界面痕的情形。然而，在其他實施例中，第一菲涅耳透鏡200也可以採用上述三種設計的其中任一種或其中任二種，其亦可達到減少部分雜散光的效果。

在本實施例中，每一光學組件120更包括一第二菲涅耳透鏡300，設置在影像光束112的傳遞路徑上，且位於顯示器110與第一菲涅耳透鏡200之間。或者，在另一實施例中，第二菲涅耳透鏡300可位於第一菲涅耳透鏡200與使用者的左眼50a或右眼50b之間，亦即第一菲涅耳透鏡200位於顯示器110與第二菲涅耳透鏡300之間，也就是將圖1中的第一菲涅耳透鏡200與第二菲涅耳透鏡300的位置對調。第二菲涅耳透鏡300可以如同第一菲涅耳透鏡200一樣採用上述三種減弱雜散光的設計，或者採用上述三種設計的其中任一種或其中任二種，或者是如同圖4或圖5的第一菲涅耳透鏡。或者，第二菲涅耳透鏡300也可以是一般的菲涅耳透鏡，也就是不採用上述三種設計的任何一種。在本實施例中，第一菲涅耳透鏡200的平滑表面220與第二菲涅耳透鏡300的平滑表面都是背對顯示器110，然而，在其他實施例中，它們兩者也可以是朝向顯示器110，或者兩者其中之一朝向顯示器110，而另一背對顯示器110。

在本實施例中，光學組件120相對於使用者的左眼50a與右眼50b的連線CL傾斜一傾斜角α，傾斜角α為銳角，且傾斜角α例如大於0度且小於等於45度。另外，顯示器110相對於對應的光學組件120傾斜一傾斜角β，傾斜角β是銳角，且傾斜角β例如是大於或等於0度且小於15度。

綜上所述，在本發明的實施例的虛擬實境顯示裝置中，由於第一菲涅耳透鏡在中央區域的多個非光學有效面相對於光軸的平均傾斜角小於第一菲涅耳透鏡在邊緣區域的多個非光學有效面相對於光軸的平均傾斜角，因此從環狀結構的有效折射面入射的影像光束較不會接著被非光學有效面反射而造成雜散光。如此一來，本發明的實施例的虛擬實境顯示裝置便能夠有效降低雜散光的產生，進而提升使用者看到的影像的品質。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

50a‧‧‧左眼

50b‧‧‧右眼

100‧‧‧虛擬實境顯示裝置

110、110a、110b‧‧‧顯示器

112、112a、112b‧‧‧影像光束

120、120a、120b‧‧‧光學組件

200‧‧‧第一菲涅耳透鏡

210‧‧‧環狀結構

212‧‧‧有效折射面

214‧‧‧非光學有效面

216‧‧‧吸光材料層

220、220a、220b‧‧‧平滑表面

230‧‧‧抗反射層

240‧‧‧基板

300‧‧‧第二菲涅耳透鏡

A‧‧‧光軸

C‧‧‧中央區域

CL‧‧‧連線

D1、D2‧‧‧距離

E‧‧‧眉心

K‧‧‧光學中心

P‧‧‧邊緣區域

R‧‧‧半徑

S‧‧‧特定區域

α、β、θ、φ‧‧‧傾斜角

圖1為本發明的一實施例的虛擬實境顯示裝置的剖面示意圖。圖2為圖1中的第一菲涅耳透鏡的局部剖面示意圖。圖3為圖1中的第一菲涅耳透鏡的正視示意圖。圖4與圖5為圖2的第一菲涅耳透鏡的兩種變型的局部剖面示意圖。

Claims

一種虛擬實境顯示裝置，包括：至少一顯示器，適於提供一影像光束至一使用者的左眼或右眼；以及至少一光學組件，設置在該影像光束的傳遞路徑上，且位於該顯示器與該使用者的左眼或右眼之間，該光學組件包括一第一菲涅耳透鏡，該第一菲涅耳透鏡包括多個環繞其光軸的環狀結構，每一環狀結構具有相連接的一有效折射面及一位於該光軸與該有效折射面之間的非光學有效面，其中該些環狀結構的多個非光學有效面上分別覆蓋有多個吸光材料層，該第一菲涅耳透鏡在一中央區域的多個非光學有效面相對於該光軸的平均傾斜角小於該第一菲涅耳透鏡在一邊緣區域的多個非光學有效面相對於該光軸的平均傾斜角。
如申請專利範圍第1項所述的虛擬實境顯示裝置，其中該第一菲涅耳透鏡於相對於該光軸之靠近該使用者的眉心的一側且位於從該光軸起算且垂直於該光軸的0.1倍半徑處至0.5倍半徑處為一特定區域，在該特定區域中的每一環狀結構的有效折射面在將該影像光束折射後，使該影像光束的行進方向相對於該環狀結構的非光學有效面的傾斜角小於或等於15度。
如申請專利範圍第1項所述的虛擬實境顯示裝置，其中每一環狀結構在沿著圓周方向上排列的多個不同位置處的該非光學有效面相對於該光軸的多個傾斜角彼此不同，以使該非光學有效面的傾斜方向匹配於被該環狀結構的該有效折射面折射的該影像光束的行進方向。
如申請專利範圍第1項所述的虛擬實境顯示裝置，其中每一環狀結構的該非光學有效面為非軸對稱。
如申請專利範圍第1項所述的虛擬實境顯示裝置，其中該第一菲涅耳透鏡具有背對該些環狀結構的一平滑表面，且該平滑表面上設有抗反射層。
如申請專利範圍第5項所述的虛擬實境顯示裝置，其中該平滑表面為平面，且該些環狀結構位於該顯示器與該平滑表面之間。
如申請專利範圍第5項所述的虛擬實境顯示裝置，其中該平滑表面為彎曲凹面或彎曲凸面。
如申請專利範圍第1項所述的虛擬實境顯示裝置，其中該光學組件更包括一第二菲涅耳透鏡，設置在該影像光束的傳遞路徑上，且位於該顯示器與該第一菲涅耳透鏡之間，或位於該第一菲涅耳透鏡與該使用者的左眼或右眼之間。
如申請專利範圍第1項所述的虛擬實境顯示裝置，其中該至少一顯示器為二個顯示器，該至少一光學組件為二個光學組件，該二個顯示器分別提供二個影像光束，該二個影像光束分別經由該二個光學組件傳遞至該使用者的左眼與右眼，該左眼與該右眼的瞳孔之間的距離小於該二個光學組件的二個第一菲涅耳透鏡的光學中心之間的距離。
如申請專利範圍第1項所述的虛擬實境顯示裝置，其中每一環狀結構的該非光學有效面相對於該光軸的傾斜角小於等於45度。