TWI669533B - 頭戴式顯示器以及多深度的成像裝置 - Google Patents

Abstract

一種頭戴式顯示器以及多深度的成像裝置。成像裝置包括分光元件、第一顯示器、第二顯示器、第三顯示器以及透鏡組。分光元件具有第一反射面、第二反射面以及透射面。第一顯示器用以投射第一影像至第一反射面。第二顯示器用以投射第二影像至透射面。第三顯示器用以投射第三影像至第二反射面。透鏡組設置在分光元件與目標區間。第一影像、第二影像以及第三影像分別成像在第一成像面、第二成像面以及第三成像面上，第一成像面、第二成像面以及第三成像面與目標區的距離不相同。

Description

頭戴式顯示器以及多深度的成像裝置

本發明是有關於一種頭戴式顯示器以及其成像裝置，且特別是有關於一種具有多深度成像裝置的頭戴式顯示器。

在現今的技領域中，立體影像是利用雙眼的輻輳作用，使大腦認知的影像呈現於空間中，從而形成縱深的空間感。在虛擬環境中生成的兩幅具有雙眼視差的影像，在映入使用者眼睛的視網膜之後，視線也可以如在現實世界一樣，聚焦於虛擬環境中的任意虛擬物件上。但是，在顯示影像中，具有明顯深度感的、前後位置各不相同的各個虛擬物件，不但沒有呈現在相對應的視覺深度，反而和平面的顯示影像一樣，每個物件呈現在相同的視覺深度。這種現象違背了正常的視覺生理，改變了正常的視覺生理機能，會導致調節和輻輳關係的不和諧，甚至相互衝突。

基於頭戴式顯示器發出的顯示影像的光線並沒有深度資訊，因此在長時間的使用下，容易產生視力模糊、眼睛乾澀、眩暈複視、畏光甚至噁心嘔吐等視疲勞症狀。

本發明提供一種頭戴式顯示器及其成像裝置，可降低因視覺輻輳（vergence-accommodation）衝突所造成的影響。

本發明的成像裝置包括分光元件、第一顯示器、第二顯示器、第三顯示器以及透鏡組。分光元件具有第一反射面、第二反射面以及透射面。第一顯示器用以投射第一影像至第一反射面。第二顯示器用以投射第二影像至該透射面。第三顯示器用以投射第三影像至第二反射面。其中第一反射面反射第一影像至目標區，第二反射面反射第三影像至目標區，第二影像透過透射面以投射至目標區。透鏡組設置在分光元件與目標區間。第一影像、第二影像以及第三影像分別成像在第一成像面、第二成像面以及第三成像面上，第一成像面、第二成像面以及第三成像面與目標區的距離不相同。

本發明的頭戴式顯示器包括殼體以及如上所述的一個或多個成像裝置。成像裝置設置在主體中。

基於上述，本發明透過分光元件使多個影像成像在不同位置的成像面上，並透過產生不同深度的影像，以降低因視覺輻輳（vergence-accommodation）衝突所造成的使用者暈眩的狀態。

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。

請參照圖1，圖1繪示本發明一實施例的成像裝置的示意圖。成像裝置100包括分光元件110、顯示器121、122及123以及透鏡組130。分光元件110具有第一反射面RF1、第二反射面RF2以及透射面TF1。顯示器121用以投射第一影像至第一反射面RF1，第一反射面RF1並反射第一影像，使第一影像被投射至目標區TG。顯示器122用以朝透射面TF1投射第二影像，第二影像並穿透分光元件110的透射面TF1以被投射至目標區TG。顯示器123則投射第三影像至分光元件110的第二反射面RF2，第二反射面RF2並反射第三影像，使第三影像被投射至目標區TG。

透鏡組130設置在分光元件110與目標區TG間，用以針對第一影像、第二影像以及第三影像進行聚焦，並使第一影像、第二影像以及第三影像在不同的第一成像面、第二成像面以及第三成像面進行成像。重點在於第一成像面、第二成像面以及第三成像面與目標區TG間的距離不相同。

請同步參照圖1以及圖2，其中圖2繪示本發明實施例的成像面的位置示意圖。在圖2中，目標區TG為使用者眼睛所在的區域，而透過成像裝置100，第一影像、第二影像以及第三影像可分別成像在第一成像面ISF1、第二成像面ISF2以及第三成像面ISF3上。在本實施例中，第一成像面ISF1與目標區TG間的距離小於第二成像面ISF2與目標區TG間的距離，並且第二成像面ISF2與目標區TG間的距離小於第三成像面ISF3與目標區TG間的距離。

請重新參照圖1，在本發明實施例中，為使第一影像、第二影像以及第三影像的成像面（第一成像面ISF1、第二成像面ISF2以及第三成像面ISF3）的位置不相同，可透過使產生第一影像的顯示器121與第一反射面RF1與第二反射面RF2的交叉點間具有垂直距離D1，使產生第二影像的顯示器122與透射面TF1的中心點間具有垂直距離D2，使產生第三影像的顯示器122與第一反射面RF1與第二反射面RF2的交叉點間具有垂直距離D3，並使垂直距離D1、D2及D3不相等（例如，使垂直距離D1 ＜ 垂直距離D2 ＜ 垂直距離D3）。如此，可使第一影像、第二影像以及第三影像分別成像在具有不同深度的第一成像面ISF1、第二成像面ISF2以及第三成像面ISF3。

由上述的說明不難得知，本發明實施例可將影像依據深度切分為第一影像、第二影像以及第三影像，透過成像裝置100使第一影像、第二影像以及第三影像成像在不同深度的第一成像面ISF1、第二成像面ISF2以及第三成像面ISF3。如此一來，使用者可以觀測到的影像，其中的多個物件可與實際影像相類似的具有多個不同的景深效果，可有效減低因視覺輻輳（vergence-accommodation）衝突所造成的使用者暈眩的狀態，提升使用者的舒適度。

關於本發明實施例中，成像裝置的配置方面，請參照圖3繪示的本發明實施例的成像裝置的配置細節的示意圖。在圖3中，分光元件110可以為矩形的分光元件，而第一反射面RF1以及第二反射面RF2可以分別設置在矩形的分光元件110的兩個對角線上，透射面TF1形成在第一反射面RF1以及第二反射面RF2的背面。顯示器121~123可以分別鄰近分光元件110的三個不同側邊進行設置，顯示器121可以與顯示器123相對，而顯示器121的延伸線EXT1可與顯示器122的延伸線EXT2相交，顯示器123的延伸線EXT3可與顯示器122的延伸線EXT2相交。在本實施例中，顯示器121可以與顯示器123平行設置，而延伸線EXT1以及EXT2可以相互正交，延伸線EXT3以及EXT2可以相互正交，但也不限於此。

以下請參照圖4A至圖4C，圖4A至圖4C繪示本發明另一實施例的成像裝置，以及所產生的影像傳遞路徑的示意圖。成像裝置400包括分光元件410、顯示器421~423、框架440以及透鏡組430。框架440具有內表面IS1~IS3，內表面IS1與IS3相對，內表面IS1與IS2相接觸，內表面IS2並與IS3相接觸，並可形成一半封閉結構。顯示器421~423分別設置在內表面IS1~IS3上。內表面IS1~IS3形成凹槽CV，分光元件410則可設置在凹槽CV中。

在另一方面，在本發明實施例中，第一反射面RF1上可具有第一鍍膜。當顯示器421所產生的第一影像IMG1傳送到第一反射面RF1時，第一鍍膜可反射第一比例的第一影像IMG11至目標區TG並透射第二比例的第一影像IMG12，其中第一比例不小於第二比例。也就是說，透過第一反射面RF1上的第一鍍膜的作用，第一比例的第一影像IMG11可被傳送至目標區TG，且第一比例的第一影像IMG11的亮度可大於或等於第二比例的第一影像IMG12。

在圖4B中，第二反射面RF2上可具有第二鍍膜。當顯示器423所產生的第三影像IMG3傳送到第二反射面RF2時，第二鍍膜可反射第三比例的第三影像IMG31至目標區TG並透射第四比例的第三影像IMG32，其中第三比例不小於第四比例。也就是說，透過第二反射面RF2上的第二鍍膜的作用，第三比例的第三影像IMG31可被傳送至目標區TG，且第三比例的第三影像IMG31的亮度可大於或等於第四比例的第三影像IMG32。

在圖4C中，透射面TF1可接收顯示器422所產生的第二影像IMG2，透射面TF1上可具有第三鍍膜。第三鍍膜可用以透射第五比例的第二影像IMG21至目標區TG，並反射第六比例的第二影像IMG221、IMG222，其中第五比例不小於第六比例。也就是說，第三鍍膜可傳送第五比例的第二影像IMG21至目標區TG，且第五比例的第二影像IMG21的亮度可大於或等於第六比例的第二影像IMG221、IMG222。

關於上述第一鍍膜、第二鍍膜以及第三鍍膜的材料，可針對所要反射的第一影像及第二影像的波長來選擇。請參照圖5繪示的鍍膜反射率以及影像波長關係的示意圖。在圖5中，曲線510為未設置鍍膜的反射面的影像波長與反射率的關係，曲線520則為設置鍍膜後的反射面的影像波長與反射率的關係。透過對應第一影像的波長來選擇具有高反射率的第一鍍膜的材質，可使第一影像被反射至目標區的第一比例的第一影像的亮度被提高，同理，透過對應第三影像的波長來選擇具有高反射率的第二鍍膜的材質，可使第三影像被反射至目標區的第三比例的第三影像的亮度被提高。此外，透過對應第二影像的波長來選擇具有高穿透率的第三鍍膜的材質，可使第二影像被穿透至目標區的第五比例的第二影像的亮度被提高。透過選擇合適的第一鍍膜、第二鍍膜以及第三鍍膜的材料，可大幅增加顯示影像進入眼睛的光強度，藉以增加能量效率。

以下請參照圖6，圖6繪示本發明一實施例的頭戴式顯示器的示意圖。頭戴式顯示器600包括一個或多個成像裝置610以及殼體620。影像成像裝置610對應目標區TG以被設置在殼體620中。

本實施例中的成像裝置610，可透過前述實施例的成像裝置100或400來實施。關於成像裝置100或400的動作細節，在前述的實施例及實施方式中，已有詳細的說明，在此恕不多贅述。

綜上所述，本發明提供分光元件，以針對具有不同深度距離的顯示器進行影像的反射以及穿透動作，並使多個影像可分別成像在不同深度的成像面上。如此一來，成像裝置可產生如實際影像般具有不同深度的多個物件的顯示影像，可有效降低因視覺輻輳（vergence-accommodation）衝突所造成的使用者暈眩的狀態。

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。

100、400‧‧‧成像裝置

110、410‧‧‧分光元件

121、122、123、421、422、423‧‧‧顯示器

130、430‧‧‧透鏡組

RF1‧‧‧第一反射面

RF2‧‧‧第二反射面

TF1‧‧‧透射面

TG‧‧‧目標區

D1~D3‧‧‧距離

ISF1~ISF3‧‧‧成像面

EXT1~EXT3‧‧‧延伸線

IS1~IS3‧‧‧內表面

CV‧‧‧凹槽

IMG1、IMG11、IMG12、IMG2、IMG21、IMG221、IMG222、IMG3、IMG31、IMG32‧‧‧影像

510、520‧‧‧曲線

600‧‧‧頭戴式顯示器

610‧‧‧成像裝置

620‧‧‧殼體

圖1繪示本發明一實施例的成像裝置的示意圖。 圖2繪示本發明實施例的成像面的位置示意圖。 圖3繪示本發明實施例的成像裝置的配置細節的示意圖。 圖4A至圖4C繪示本發明另一實施例的成像裝置，以及所產生的影像傳遞路徑的示意圖。 圖5繪示的鍍膜反射率以及影像波長關係的示意圖。 圖6繪示本發明一實施例的頭戴式顯示器的示意圖。

Claims (7)

1. 一種成像裝置，包括：一分光元件，具有一第一反射面、一第二反射面以及一透射面；一第一顯示器，用以投射一第一影像至該第一反射面；一第二顯示器，用以投射一第二影像至該透射面；一第三顯示器，用以投射一第三影像至該第二反射面，其中該第一反射面反射該第一影像至一目標區，該第二反射面反射該第三影像至該目標區，該第二影像透過該透射面以投射至該目標區；以及一透鏡組，設置在該分光元件與該目標區間，其中該第一影像、該第二影像以及該第三影像分別成像在一第一成像面、一第二成像面以及一第三成像面上，該第一成像面、該第二成像面以及該第三成像面與該目標區的距離不相同。
2. 如申請專利範圍第1項所述的成像裝置，其中該第一顯示器與該第一反射面及該第二反射面的一交叉點間具有一第一垂直距離，該第二顯示器與該透射面的中心點間具有一第二垂直距離，該第三顯示器與該第一反射面及該第二反射面的該交叉點間具有一第三垂直距離，該第一垂直距離、該第二垂直距離以及該第三垂直距離不相同。
3. 如申請專利範圍第1項所述的成像裝置，更包括：一框架，具有一第一內表面、一第二內表面以及一第三內表面，該第一內表面、該第二內表面以及該第三內表面分別用以配置該第一顯示器、該第二顯示器以及該第三顯示器，其中該第一內表面與該第三內表面相對，該第一內表面與該第二內表面相接觸，該第三內表面與該第二內表面相接觸，其中該第一內表面、該第二內表面以及該第三內表面形成一凹槽，該分光元件設置在該凹槽中。
4. 如申請專利範圍第3項所述的成像裝置，其中該第一反射面具有一第一鍍膜，該第一鍍膜用以反射一第一比例的該第一影像至該目標區並透射一第二比例的該第一影像，其中該第一比例不小於該第二比例。
5. 如申請專利範圍第4項所述的成像裝置，其中該第二反射面具有一第二鍍膜，該第二鍍膜用以反射一第三比例的該第三影像至該目標區並透射一第四比例的該第三影像，其中該第三比例不小於該第四比例。
6. 如申請專利範圍第5項所述的成像裝置，其中該透射面具有一第三鍍膜，該第三鍍膜用以透射一第五比例的該第二影像至該目標區並反射一第六比例的第二影像，其中該第五比例不小於該第六比例。
7. 一種頭戴式顯示器，包括：一殼體；以及至少一如申請專利範圍第1項所述的成像裝置，設置在該殼體中。