TWI660199B

TWI660199B - 應用於頭戴式顯示器之鏡頭組件

Info

Publication number: TWI660199B
Application number: TW106143152A
Authority: TW
Inventors: 黃文昭; 施富斌
Original assignee: 雙瑩科技股份有限公司
Priority date: 2017-12-08
Filing date: 2017-12-08
Publication date: 2019-05-21
Also published as: TW201925853A

Abstract

本發明為一種應用於頭戴式顯示器之鏡頭組件，其包括第一透鏡以及第二透鏡，其中，第一透鏡為具有第一折射率之正透鏡，該第一透鏡之第一側面向光圈，第二透鏡為具有不同於該第一折射率之第二折射率之負透鏡，該第二透鏡之第一側面向該第一透鏡之第二側，該第二透鏡之第二側面向顯示器顯示區，其中，該顯示器顯示區之影像光源經該第二透鏡後之折射偏差，透過該第一透鏡之校正，以降低成像色差。

Description

應用於頭戴式顯示器之鏡頭組件

本發明係關於一種光學透鏡技術，特別是，係關於一種應用於頭戴式顯示器之成像鏡頭組。

隨著科技進步，影像處理越來越多元化，像是擴增實境，讓使用者在現實環境與其他功能結合下執行操作，又如虛擬實境(VR)，透過虛擬影像的呈現，讓使用者如身歷其境，可應用於電玩、娛樂等，都是目前重要地研發方向。

以虛擬實境技術來說，目前常透過頭戴式顯示器來提供使用者虛擬影像，使用者配戴頭戴式顯示器時，影像光源是來自於頭戴式顯示器內的影像區，而使用者眼睛與影像區之間有若干光學元件，來自影像區之光線經若干光學元件進入人眼的成像區域，因而產生影像。現有的頭戴式顯示器其中的廣角目鏡是採用單片式透鏡，單片式透鏡優點為輕便，但成像品質會較差，舉例來說，當自然光通過單片式透鏡時，由於光路會因不同波長而使不同顏色不會聚集在一點，即落點產生偏離，故會引起成像缺陷，此導致所觀察到之影像會有畸變或色差問題。

有鑑於此，有必要提供一種新架構的廣角目鏡，當該新架構的廣角目鏡用於頭戴式虛擬實境時，能有效地避免影像色差的問題，提供大視角及良好影像品質，為目前業界亟待解決的議題。

由上可知，現有廣角目鏡已無法滿足現今頭戴式顯示器之需求，如何找出一種適用於頭戴式顯示器之透鏡組合，以有效地避免影像色差問題，並能提供大視角以及良好影像品質，將成為本技術領域人員努力追求之目標。

本發明目的係提出一種應用於頭戴式顯示器之成像鏡頭組，透過兩片式透鏡組合以降低色差問題以及改善形變情況。

本發明係提出一種應用於頭戴式顯示器之鏡頭組件，其包括第一透鏡以及第二透鏡，其中，第一透鏡為具有第一折射率之正透鏡，該第一透鏡之第一側面向光圈，第二透鏡為具有不同於該第一折射率之第二折射率之負透鏡，該第二透鏡之第一側面向該第一透鏡之第二側，該第二透鏡之第二側面向顯示器顯示區，其中，該顯示器顯示區之影像光源經該第二透鏡後之折射偏差，透過該第一透鏡之校正，以降低成像色差。

於一實施例中，本發明之鏡頭組件其視角為85度以上。

於另一實施例中，前述之第一透鏡或第二透鏡為菲涅爾透鏡或非球面透鏡。

於在一實施例中，該第一透鏡之該第一側和該第二側以及該第二透鏡之該第一側和該第二側的至少其中一者為菲涅爾面或非球面。

於又一實施例中，該第一透鏡之該第二側與該第二透鏡之該第一側為菲涅爾面，且該第一透鏡與該第二透鏡經組裝後，該第一透鏡之該第二側與該第二透鏡之該第一側位於一密閉空間。

本發明上述之鏡頭組件係滿足0<+<0.5，且其中，該f₁和V₁為該第一透鏡之焦距和阿貝數，該f₂和V₂為該第二透鏡之焦距和阿貝數。

本發明上述之鏡頭組件滿足2<<6，且其中，該H為最大視角對應之成像像高，該ω為水平方向上的半視角，以及該E為該光圈至該第一透鏡之距離。

本發明上述之鏡頭組件滿足<0.6，且其中，該f₁和f₂分別為該第一透鏡和該第二透鏡之焦距。

本發明上述之鏡頭組件滿足0.9<<1.85，且其中，該f為整組透鏡焦點之距離，該H為最大視角對應之成像像高。

本發明上述之鏡頭組件滿足0.7<(L-E)/H<1.8，且其中，該L為該光圈到該顯示器顯示區之距離，該E為該光圈至該第一透鏡之距離，以及該H為最大視角對應之成像像高。

本發明上述之鏡頭組件滿足0.6<-<2.7，且其中，該f為整組透鏡焦點之距離，該f₁和f₂分別為該第一透鏡和該第二透鏡之焦距。

相較於習知技術，本發明所提出之應用於頭戴式顯示器之鏡頭組件，透過兩片不同折射率之鏡頭組合，以減少現有單片式透鏡所造遇到之色差和畸變問題，再者，關於兩片式鏡頭組合可能導致的體積和重量增加問題，本發明所述之鏡頭組件，其中第一透鏡及/或第二透鏡可採用菲涅爾透鏡，且菲涅爾面不限定於透鏡那一面，故能避免兩片式透鏡組有關體積和重量增加的疑慮。透過本發明之兩片式鏡頭組合，將能有效降低色差問題，並且能維持大視角以及良好成像品質，另外，在提升成像品質情況下，也可減少現有需要強大硬體運算設備來處理影像後處理的情況，故有助於降低整體成本。

1‧‧‧鏡頭組件

11‧‧‧第一透鏡

111‧‧‧第一側

112‧‧‧第二側

12‧‧‧第二透鏡

121‧‧‧第一側

122‧‧‧第二側

21‧‧‧綠光

22‧‧‧紅光

23‧‧‧藍光

100‧‧‧光圈

200‧‧‧顯示器顯示區

第1圖為本發明一實施例之應用於頭戴式顯示器之鏡頭組件的示意圖；第2圖為本發明另一實施例之應用於頭戴式顯示器之鏡頭組件的示意圖；第3A和3B圖為單片式透鏡和兩片式透鏡組有關色差變化的示意圖；第4圖為本發明有關非球面公式的說明圖；第5A和5B圖為本發明所述之鏡頭組件第一實施例的示意和模擬結果圖；第6A和6B圖為本發明所述之鏡頭組件第二實施例的示意和模擬結果圖；第7A和7B圖為本發明所述之鏡頭組件第三實施例的示意和模擬結果圖；以及第8A和8B圖為本發明所述之鏡頭組件第四實施例的示意和模擬結果圖。

以下藉由特定的具體實施形態說明本發明之技術內容，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之優點與功效。然本發明亦可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用。

請參照第1圖，係為本發明一實施例之應用於頭戴式顯示器之鏡頭組件的示意圖。具體來說，本發明為了達到減少色差和改善畸變的目的，故提出兩片式透鏡組合，透過當光源只經過第一片透鏡時，可能會導致色差和畸變，本發明是透過第二片透鏡之校正，藉此達到改善效果。

如第1圖所示，本發明之應用於頭戴式顯示器之鏡頭組件1包括第一透鏡11以及第二透鏡12，其中，該第一透鏡11之第一側111面向光圈100，該第二透鏡12之第一側121面向該第一透鏡11之第二側112，該第二透鏡12之第二側122面向顯示器顯示區200。

為了達到消除色差的目的，第一透鏡可為具有第一折射率之正透鏡，第二透鏡為具有不同於該第一折射率之第二折射率之負透鏡，透過不同折射率的搭配，因而，顯示器顯示區200之影像光源經該第二透鏡12後之折射偏差，透過該第一透鏡11之校正，以降低成像色差。

須說明者，第一折射率和第二折射率不同即可，可設計為第一折射率大於第二折射率，亦可第二折射率大於第一折射率，無論何者都有達到消色差效果。

具體應用上，可將本發明之鏡頭組件1用於頭戴式顯示器或遊戲機等產品上，鏡頭組件1提供廣角鏡頭或廣角目鏡的效果。具體來說，鏡頭組件1之用途為廣角目鏡時，光圈100處代表人眼瞳孔位置，且透過設計，本發明之鏡頭組件1的視角可達到85度以上。

請參照第2圖，係為本發明另一實施例之應用於頭戴式顯示器之鏡頭組件的示意圖。如前所述，本發明為兩片式透鏡組合，此當然會造成體積和重量上的增加，為了改善此問題，本發明提出第一透鏡11或第二透鏡12可為菲涅爾透鏡。

兩片式透鏡組合可以菲涅爾透鏡搭配非球面透鏡，或是兩片皆為非球面組成，在不考慮菲涅爾透鏡可能帶來副作用下，兩片皆為菲涅爾透鏡亦可。但無論採用那種組合，兩片式透鏡組和都比起單片式透鏡有更好的像差校正。

具體實施時，第一透鏡11之第一側111和第二側112以及第二透鏡12之第一側121和第二側122的至少其中一者為菲涅爾面或非球面。惟，第2圖僅為示例其中一種態樣，但可以理解的，當透鏡兩側越多採用菲涅爾面時，將能有效減輕整體體積和重量。

另外，於一較佳實施例中，考量菲涅爾面容易沉積灰塵及不易清潔等缺點，可考慮將菲涅爾面型設置於兩個透鏡之間，經組裝後可利用機構來隔絕灰塵，且人眼通常位於光圈100的位置，第一透鏡11朝光圈100不設置菲涅爾面，也可減少被觸碰而導致油汙或灰塵等情形。

如第2圖所示，第一透鏡11之第二側112與第二透鏡12之第一側121為菲涅爾面，並且在第一透鏡11與第二透鏡12經組裝後，第一透鏡11之第二側112與第二透鏡12之第一側121將處於一密閉空間內。

菲涅爾透鏡屬於本技術領域人員所熟知，故本發明不再針對菲涅爾透鏡詳細說明。

請參照第3A和3B圖，係為單片式透鏡和兩片式透鏡組有關色差變化的示意圖。如第3A圖所示，係繪示單片式透鏡的光源成像，光源經過第一透鏡11會分光為綠光21、紅光22和藍光23，綠光21、紅光22和藍光23會落在顯示器顯示區200上，此時，當光源僅通過單一透鏡，光源只會經過一次分光，故綠光21、紅光22和藍光23落點會分散，即產生圖中所示色差情況。

如第3B圖所示，係繪示兩片式透鏡組的光源成像，光源經過第一透鏡11會分光為綠光21、紅光22和藍光23，綠光21、紅光22和藍光23會在通過第二透鏡12後，才落在顯示器顯示區200上，此時，雖然光源通過第一透鏡11有產生分光效果，但該些分光經由第二透鏡12的校正，可再改變一次綠光21、紅光22和藍光23落點處，故有助於改善色差情況，如圖中所示，三顏色分光落點較第3A圖集中。

由上可知，由於頭戴式顯示器會穿戴於使用者頭部，因而兩片式透鏡組合的應用可能導致體積和重量增加之缺點。但透過菲涅爾透鏡的應用，將可改善上述缺陷。

再由成本方面來考量，雖然兩片式透鏡和菲涅爾透鏡的應用一定會有成本增加，但考量現有單片式透鏡需要強大硬體來支援，故仍可減少成本。具體來說，由於單片式透鏡會有色差和畸變問題，目前都是透過軟體來修正，基於資料量龐大，故執行軟體之硬體設備也需強大(硬體成本昂貴)。因此，本發明雖有透鏡成本增加的情況，但可減少硬體設備的需求，故可減少成本負擔。

再者，由於影像資料量龐大，故目前頭戴式顯示器多數透過有線方式連結執行運算之硬體設備，因而當採用兩片式透鏡，使得需要處理的影像資料減少時，可預期到，頭戴式顯示器傳送到硬體設備的資料量下降時，可將有線變成無線設計，此將使頭戴式顯示器能更靈活應用。

請參照第4圖，係為本發明有關非球面公式的說明圖。如前所述，本發明提出可將第一透鏡與第二透鏡以非球面透鏡和菲涅爾透鏡搭配應用，這裡列出本發明所述非球面透鏡的公式：

其中，C為1/R，R為曲率半徑，k以及A、B、...為非球面係數，且其中，y與Z關係如圖所示，當y越大則Z越大。

另外，本發明之鏡頭組件可滿足下列條件式： 0<+<0.5

其中，該f₁和V₁為該第一透鏡之焦距和阿貝數，該f₂和V₂為該第二透鏡之焦距和阿貝數，如此可有良好的色差控制。

本發明鏡頭組件可滿足下列條件式：2<<6

其中，該H為最大視角對應之成像像高，該ω為水平方向上的半視角，以及該E為該光圈至該第一透鏡之距離，如此可有良好的穿戴特性及可達較大視角。

本發明上述之鏡頭組件可滿足下列條件式：<0.6

其中，該f₁和f₂分別為該第一透鏡和該第二透鏡之焦距，如此可達到較大的視角及像差校正。

本發明上述之鏡頭組件可滿足下列條件式：0.9<<1.85

其中，該f為整組透鏡焦點之距離，該H為最大視角對應之成像像高，如此可達到較大的視角。

本發明上述之鏡頭組件可滿足下列條件式：0.7<(L-E)/H<1.8

其中，該L為該光圈到該顯示器顯示區之距離，該E 為該光圈至該第一透鏡之距離，以及該H為最大視角對應之成像像高，如此可達到良好的穿戴特性。

本發明上述之鏡頭組件可滿足下列條件式：0.6<-<2.7

其中，該f為整組透鏡焦點之距離，該f₁和f₂分別為該第一透鏡和該第二透鏡之焦距，如此可達到良好的像差校正及輕量化。

請參照第5A和5B圖，係為本發明所述之鏡頭組件第一實施例的示意和模擬結果圖。第5A圖繪示本發明第一實施例的透鏡組，在整組透鏡焦點距離f=36.14，光圈大小F_NO=8.6，兩倍水平方向上的半視角ω=94.8°條件下，搭配下方表一之透鏡參數以及表二之非球面係數，透過光學軟體模擬，可得到第5B圖所示的像差圖形。

請參照第6A和6B圖，係為本發明所述之鏡頭組件第二實施例的示意和模擬結果圖。第6A圖繪示本發明第二實施例的透鏡組，在整組透鏡焦點距離f=37.31，光圈大小F_NO=9.0，兩倍水平方向上的半視角ω=90.2°條件下，搭配下方表三之透鏡參數以及表四之非球面係數，透過光學軟體模擬，可得到第6B圖所示的像差圖形。

請參照第7A和7B圖，係為本發明所述之鏡頭組件第三實施例的示意和模擬結果圖。第7A圖繪示本發明第三實施例的透鏡組，在整組透鏡焦點距離f=38，光圈大小F_NO=9.2，兩倍水平方向上的半視角ω=90°條件下，搭配下方表五之透鏡參數以及表六之非球面係數，透過光學軟體模擬，可得到第7B圖所示的像差圖形。

請參照第8A和8B圖，係為本發明所述之鏡頭組件第四實施例的示意和模擬結果圖。第8A圖繪示本發明第四實施例的透鏡組，在整組透鏡焦點距離f=38.78，光圈大小F_NO=9.3，兩倍水平方向上的半視角ω=95.2°條件下，搭配下方表七之透鏡參數以及表八之非球面係數，透過光學軟體模擬，可得到第8B圖所示的像差圖形。

綜上所述，本發明之應用於頭戴式顯示器之鏡頭組件，將兩片不同折射率之鏡頭組合，藉此減少現有單片式透鏡所造遇到之色差和畸變問題，再者，本發明所述之鏡頭組件中，第一透鏡及/或第二透鏡可採用菲涅爾透鏡，故可降低兩片式透鏡組對於體積和重量增加的影響。本發明之兩片式鏡頭組合能有效降低色差問題，且能維持大視角及良好成像品質，同時也無須強大硬體運算設備來處理影像，故有助於降低整體成本。

上述實施形態僅例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

Claims

一種應用於頭戴式顯示器之鏡頭組件，其包括：第一透鏡，為具有第一折射率之正透鏡，該第一透鏡之第一側面向光圈；以及第二透鏡，為具有不同於該第一折射率之第二折射率之負透鏡，該第二透鏡之第一側面向該第一透鏡之第二側，該第二透鏡之第二側面向顯示器顯示區，其中，該顯示器顯示區之影像光源經該第二透鏡後之折射偏差，透過該第一透鏡之校正，以降低成像色差。
如申請專利範圍第1項所述之應用於頭戴式顯示器之鏡頭組件，其中，該鏡頭組件之視角為85度以上。
如申請專利範圍第1項所述之應用於頭戴式顯示器之鏡頭組件，其中，該第一透鏡或該第二透鏡為菲涅爾透鏡或非球面透鏡。
如申請專利範圍第3項所述之應用於頭戴式顯示器之鏡頭組件，其中，該第一透鏡之該第一側和該第二側以及該第二透鏡之該第一側和該第二側的至少其中一者為菲涅爾面或非球面。
如申請專利範圍第3項所述之應用於頭戴式顯示器之鏡頭組件，其中，該第一透鏡之該第二側與該第二透鏡之該第一側為菲涅爾面，且該第一透鏡與該第二透鏡經組裝後，該第一透鏡之該第二側與該第二透鏡之該第一側位於一密閉空間。
如申請專利範圍第1項所述之應用於頭戴式顯示器之鏡頭組件，其中，該鏡頭組件滿足0<+<0.5，且其中，該f₁和V₁為該第一透鏡之焦距和阿貝數，該f₂和V₂為該第二透鏡之焦距和阿貝數。
如申請專利範圍第1項所述之應用於頭戴式顯示器之鏡頭組件，其中，該鏡頭組件滿足2<<6，且其中，該H為最大視角對應之成像像高，該ω為水平方向上的半視角，以及該E為該光圈至該第一透鏡之距離。
如申請專利範圍第1項所述之應用於頭戴式顯示器之鏡頭組件，其中，該鏡頭組件滿足<0.6，且其中，該f₁和f₂分別為該第一透鏡和該第二透鏡之焦距。
如申請專利範圍第1項所述之應用於頭戴式顯示器之鏡頭組件，其中，該鏡頭組件滿足0.9<<1.85，且其中，該f為整組透鏡焦點之距離，該H為最大視角對應之成像像高。
如申請專利範圍第1項所述之應用於頭戴式顯示器之鏡頭組件，其中，該鏡頭組件滿足0.7<(L-E)/H<1.8，且其中，該L為該光圈到該顯示器顯示區之距離，該E為該光圈至該第一透鏡之距離，以及該H為最大視角對應之成像像高。
如申請專利範圍第1項所述之應用於頭戴式顯示器之鏡頭組件，其中，該鏡頭組件滿足0.6<-<2.7，且其中，該f為整組透鏡焦點之距離，該f₁和f₂分別為該第一透鏡和該第二透鏡之焦距。