TWI646356B - 頭戴式顯示器 - Google Patents

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Abstract

一種頭戴式顯示器，包括本體部、顯示面板、透鏡模組、紅外線發射器以及紅外線接收器。顯示面板設置於本體部內。透鏡模組設置於顯示面板的前方。透鏡模組包括外框部、透鏡以及安裝部，透鏡設置於外框部中，安裝部設置於外框的周緣，其中透鏡具有中心軸，中心軸上具有觀看點，觀看點與安裝部之間具有參考線。紅外線發射器設置於透鏡模組的安裝部，其中外框部於觀看點以及安裝部之間設有出光面，紅外線發射器經由出光面沿參考線投射光線，且出光面限制光線之出光角度。紅外線接收器設置於本體部上，用以接收此光線。

Description

頭戴式顯示器
本發明是有關於一種頭戴式裝置，且特別是有關於一種頭戴式顯示器（head mounted display，HMD）。
虛擬實境（Virtual Reality, VR）是利用電腦技術模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供觀看者關於視覺、聽覺等感官模擬，讓觀看者感覺身歷其境。目前的VR裝置都是以視覺體驗為主，藉由對應左右眼的兩個視角略有差異的分割畫面來模擬人眼的視差，以達到立體視覺。
另外，為了實現眼球追蹤的功能，目前的VR裝置於透鏡的周緣設置紅外線發射器，可將紅外光投射在人眼上。由於紅外光散佈在透鏡周圍的觀看環境中，當觀看者轉動眼球觀看影像時，也會看到大量的紅外光，導致VR裝置的觀看品質與舒適度大幅降低，有待進一步改善。
本發明係有關於一種頭戴式顯示器，用以改善觀看品質。
根據本發明之一方面，提出一種頭戴式顯示器。一種頭戴式顯示器，包括一本體部、一顯示面板、一透鏡模組、一紅外線發射器以及一紅外線接收器。顯示面板設置於本體部內。透鏡模組設置於顯示面板的前方。透鏡模組包括一外框部、一透鏡以及一安裝部，透鏡設置於外框部中，安裝部設置於外框的周緣，其中透鏡具有一中心軸，中心軸上具有一觀看點，觀看點與安裝部之間具有一參考線。紅外線發射器設置於透鏡模組的安裝部，其中外框部於觀看點以及安裝部之間設有一出光面，紅外線發射器經由出光面沿參考線投射一光線，且出光面限制光線之一出光角度。紅外線接收器設置於本體部上，紅外線接收器用以接收此光線。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。以下是以相同/類似的符號表示相同/類似的元件做說明。
第1圖繪示依照本發明一實施例之頭戴式顯示器100的方塊示意圖。第2A圖繪示依照本發明一實施例之頭戴式顯示器100的外觀示意圖，第2B圖繪示第2A圖之頭戴式顯示器100於區域A的局部外觀示意圖。
請參照第1圖，依照本發明一實施例之頭戴式顯示器100包括一本體部110、一顯示面板120、一透鏡模組130、一紅外線發射器140、一紅外線接收器150以及一資料控制單元160。在一實施例中，顯示面板120設置於本體部110內，顯示面板120例如包括一左眼顯示面板122以及一右眼顯示面板124，分別用於播放左眼影像以及右眼影像。透鏡模組130設置於顯示面板120的前方，透鏡模組130例如包括一左眼透鏡132以及一右眼透鏡134，分別將左眼影像及右眼影像投影至觀看者的左眼及右眼中。
此外，紅外線發射器140設置於透鏡模組130上，紅外線發射器140例如包括一左眼紅外線發射器142以及一右眼紅外線發射器144，用以分別發射一光線至觀看者的左眼以及右眼。紅外線接收器150設置於本體部110，紅外線接收器150例如包括一左眼紅外線接收器152以及一右眼紅外線接收器152，用以分別接收經由觀看者的左眼以及右眼所反射的光線。在一實施例中，經由觀看者的左眼以及右眼所反射的光線可先經由顯示面板120反射之後再入射至紅外線接收器150中。在本實施例中，紅外線接收器150接收到的反射光線可轉換成影像訊號，並傳輸至主控端，以供判斷人眼瞳孔的位置，進而實現眼球追蹤的功能。
在一實施例中，資料控制單元160例如包括一資料傳輸介面162、顯示控制器164以及一移動感測器166。頭戴式顯示器100可透過資料傳輸介面162連接至一主控端（例如是電腦主機），以將眼球動態資料傳輸至主控端，以供主控端追蹤觀看者的眼球。此外，頭戴式顯示器100亦可透過資料傳輸介面162取得欲播放之影像資料（例如左眼影像以及右眼影像），影像資料可透過顯示控制器164播放於顯示面板120中。另外，顯示控制器164可依據來自移動感測器166之感測資料來計算觀看者的頭部方位以及移動量，進而顯示對應的影像畫面於顯示面板120上。
請參照第2A及2B圖，透鏡模組130包括一外框部131、一左眼透鏡132、一右眼透鏡134以及一安裝部133。在一實施例中，外框部131例如包括一左框部131a以及一右框部131b，左眼透鏡132設置於左框部131a中，右眼透鏡134設置於右框部131b中。安裝部133設置於左框部131a的周緣以及右框部131b的周緣。此外，左框部131a以及右框部131b之間還設有一承靠部131c，用以供透鏡模組130承靠在觀看者的鼻樑上。
在一實施例中，安裝部133例如為一腔體，用以容納紅外線發射器140。在第2A圖中，由於紅外線發射器140內藏於外框部131中，因此從外觀上無法直視紅外線發射器140（僅以虛線表示）。紅外線發射器140包括多個發光二極體，例如為遠紅外線發光二極體。此些發光二極體分別環繞於左眼透鏡132以及右眼透鏡134的周緣，且各個發光二極體經由對應的出光面135投射出光線L。
請參照第2B圖，至少一出光面135（圖中繪示多個）設置於外框部131朝向觀看點O的一側面上，且出光面135限制經由出光面135投射出光線L的出光角度，如此，可使光線L僅投射在觀看者的左眼及右眼上，避免多餘的雜光散佈在透鏡周圍的觀看環境中。
接著，第3圖繪示人眼E、紅外線發射器140與透鏡S的相對位置的示意圖。第4圖繪示紅外線發射器140設置於腔體內的示意圖。請參照第3圖，透鏡S具有一中心軸C以及一第一半徑Y1，中心軸C上具有一觀看點O，目標物（例如人眼瞳孔）位於觀看點O上。觀看點O至透鏡在中心軸C上具有一第一距離X1。此第一距離X1例如為出瞳距離（eye relief）。觀看點O與安裝部133之間具有一參考線R，參考線R相對於中心軸C具有一夾角θ1。此夾角θ1大於或等於半眼視角（half apparent field of view），半眼視角也就是由觀看點O觀看時的一半視野角度。根據三角函數求角度，半眼視角等於tan -1(第一半徑Y1/第一距離X1)。
在一實施例中，第一半徑Y1例如介於25mm~35mm之間，第一距離X1例如介於10mm~16 mm之間，當第一半徑Y1為25mm，第一距離X1為10mm時，半眼視角約為68度，但本發明不以此為限。本實施例之頭戴式顯示器100可依據實際需求調整半眼視角的角度。
如第3圖所示，紅外線發射器140可沿參考線R投射一光線L。若考量人眼E瞳孔的直徑，計算光線L投射至眼球E的角度，投射的光線L之出光角度θ2相對於參考線R例如介於0度至20度之間。此外，請參照第4圖，紅外線發射器140設置於腔體U內，且紅外線發射器140經由一出光面135沿參考線R投射一光線L，其中出光面135設置於腔體U朝向觀看點O之一側面，且出光面135用以限制光線L之出光角度θ2，使投射的光線L之出光角度θ2相對於參考線R被限制於0度至20度之間，以避免多餘的雜光散佈在透鏡周圍的觀看環境中。
在本實施例中，頭戴式顯示器100更包括一導光元件170，導光元件170對應紅外線發射器140設置於腔體U中，例如設置於紅外線發射器140的上方，用以改變光線L的出光角度θ2。在一實施例中，導光元件170例如為具有導光功能的楔形板（wedge plate），楔形板例如具有朝向出光面135之一斜面172，用以引導光線L經由斜面172出射至出光面135。此外，光線L可於導光元件170中多次反射後再由斜面172出射，進而增加出光量。另外，出光面135的開口寬度、紅外線發射器140的高度以及出光面135相對於紅外線發射器140的傾斜角度亦可根據實際的需求調整，藉以改變光線L的出光角度θ2。
本發明上述實施例所揭露之頭戴式顯示器，係將紅外線發射器設置於腔體內，並限制經由出光面投射出光線的出光角度，如此，可使光線僅投射在觀看者的左眼及右眼上，以供追蹤人眼瞳孔的位置，同時，能避免多餘的雜光散佈在透鏡周圍的觀看環境中，進而提高頭戴式顯示器的觀看品質。
綜上所述，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。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧頭戴式顯示器
110‧‧‧本體部
120‧‧‧顯示面板
122‧‧‧左眼顯示面板
124‧‧‧右眼顯示面板
130‧‧‧透鏡模組
131‧‧‧外框部
131a‧‧‧左框部
131b‧‧‧右框部
131c‧‧‧承靠部
132‧‧‧左眼透鏡
133‧‧‧安裝部
134‧‧‧右眼透鏡
135‧‧‧出光面
140‧‧‧紅外線發射器
142‧‧‧左眼紅外線發射器
144‧‧‧右眼紅外線發射器
150‧‧‧紅外線接收器
152‧‧‧左眼紅外線接收器
152‧‧‧右眼紅外線接收器
160‧‧‧資料控制單元
162‧‧‧資料傳輸介面
164‧‧‧顯示控制器
166‧‧‧移動感測器
170‧‧‧導光元件
172‧‧‧斜面
L‧‧‧光線
O‧‧‧觀看點
C‧‧‧中心軸
E‧‧‧眼球
R‧‧‧參考線
S‧‧‧透鏡
U‧‧‧腔體
θ1‧‧‧夾角
θ2‧‧‧出光角度
X1‧‧‧第一距離
Y1‧‧‧第一半徑
第1圖繪示依照本發明一實施例之頭戴式顯示器的方塊示意圖。 第2A圖繪示依照本發明一實施例之頭戴式顯示器的外觀示意圖。 第2B圖繪示第2A圖之頭戴式顯示器於區域A的局部外觀示意圖。 第3圖繪示人眼、紅外線發射器與透鏡的相對位置的示意圖。 第4圖繪示紅外線發射器設置於腔體內的示意圖。

Claims (8)

  1. 一種頭戴式顯示器，包括： 一本體部； 一顯示面板，設置於該本體部內； 一透鏡模組，設置於該顯示面板的前方，該透鏡模組包括一外框部、一透鏡以及一安裝部，該透鏡設置於該外框部中，該安裝部設置於該外框部的周緣，其中該透鏡具有一中心軸，該中心軸上具有一觀看點，該觀看點與該安裝部之間具有一參考線； 一紅外線發射器，設置於該透鏡模組的該安裝部，其中該外框部於該觀看點以及該安裝部之間設有至少一出光面，該紅外線發射器經由該至少一出光面沿該參考線投射一光線，且該出光面限制該光線之一出光角度；以及 一紅外線接收器，設置於該本體部上，該紅外線接收器用以接收該光線。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之頭戴式顯示器，其中該透鏡具有一第一半徑，該觀看點至該透鏡在該中心軸上具有一第一距離，該參考線相對於該中心軸具有一夾角，該夾角大於或等於tan -1(該第一半徑/該第一距離)。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之頭戴式顯示器，其中該第一半徑介於25～35mm，該第一距離介於10～16mm。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之頭戴式顯示器，其中該光線之該出光角度相對於該參考線介於0度至20度之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之頭戴式顯示器，其中該安裝部為一腔體，用以容納該紅外線發射器，且該出光面設置於該腔體朝向該觀看點之一側面。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之頭戴式顯示器，更包括一導光元件，對應該紅外線發射器設置於該腔體中，該導光元件用以引導該光線至該出光面。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之頭戴式顯示器，其中該紅外線發射器包括複數個發光二極體，該些發光二極體環繞該透鏡之周緣，且各該發光二極體經由對應的該出光面投射該光線。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之頭戴式顯示器，其中一目標物位於該中心軸的該觀看點上，各該發光二極體投射該光線至該目標物上，且該光線經由該目標物反射至該顯示面板。
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