TWI688791B

TWI688791B - 頭戴式顯示裝置

Info

Publication number: TWI688791B
Application number: TW108128676A
Authority: TW
Inventors: 蔡孟哲; 劉奎均
Original assignee: 宏達國際電子股份有限公司
Priority date: 2019-08-13
Filing date: 2019-08-13
Publication date: 2020-03-21
Also published as: TW202107153A

Abstract

一種頭戴式顯示裝置，包括一本體、一顯示元件以及兩透鏡組。顯示元件配置於本體，適於提供一影像光束。兩透鏡組，配置於影像光束的傳遞路徑上。各透鏡組包括多個透鏡，其中透鏡的其中之一在顯示元件的至少一側具有一散光面。散光面為非旋轉對稱，且影像光束傳遞通過散光面後具有像散像差。

Description

頭戴式顯示裝置

本發明是有關於一種電子裝置，且特別是有關於一種頭戴式顯示裝置。

隨著科技產業日益發達，電子裝置的型態、使用功能以及使用方式越來越多元，可直接配帶在使用者身體上的穿戴式（wearable）電子裝置也因應而生。頭戴式電子裝置的種類相當多，以眼罩類型等頭戴式電子裝置為例，使用者配戴上此類電子裝置之後，除了可以看到立體影像之外，影像還會隨著使用者頭部轉動而變，可提供使用者更身歷其境的感受。

然而，此類頭戴式電子裝置所提供的影像，容易因顯示元件的結構而產生紗窗效應（Screen Door Effect），進而嚴重影響使用者在使用時的沉浸感。因此，如何減少頭戴式電子裝置所產生的紗窗效應，是本領域人員需致力於行研究的。

本發明提供一種頭戴式顯示裝置，可減少頭戴式電子裝置所產生的紗窗效應。

本發明提供一種頭戴式顯示裝置，包括一本體、一顯示元件以及兩透鏡組。顯示元件配置於本體，適於提供一影像光束。兩透鏡組，配置於影像光束的傳遞路徑上。各透鏡組包括多個透鏡，其中透鏡的其中之一在顯示元件的至少一側具有一散光面。散光面為非旋轉對稱，且影像光束傳遞通過散光面後具有像散像差。

在本發明的一實施例中，上述的影像光束傳遞通過散光面的其中一部份的成像焦平面與傳遞通過散光面的其中另一部份的成像焦平面不同。

在本發明的一實施例中，上述的散光面在平行於一X方向及一Z方向所形成平面的一平面上的截線曲率不同於在平行於一Y方向及Z方向所形成平面的一平面上的截線曲率。X方向、Y方向及Z方向為相互垂直，且影像光束沿平行Z方向的一方向傳遞。

在本發明的一實施例中，上述的散光面為曲面。

在本發明的一實施例中，上述的具有散光面的透鏡具有屈光率。

在本發明的一實施例中，上述的具有散光面的透鏡在鄰近顯示元件的一側具有一菲涅耳表面。

在本發明的一實施例中，上述的透鏡的另外其中之一在鄰近顯示元件的一側具有一菲涅耳表面。

在本發明的一實施例中，上述的顯示元件包括以陣列排列的多個顯示畫素以及用以分隔顯示畫素的多個遮光區。

在本發明的一實施例中，上述的具有散光面的透鏡為液晶透鏡。

在本發明的一實施例中，上述的具有散光面的透鏡包括一液晶層以及分別調控液晶層不同軸向的兩電極結構，且散光面在相互垂直兩方向上的截線曲率分別由兩電極結構調製液晶層而成。

在本發明的一實施例中，上述具有產生散光面的透鏡為液態透鏡。

在本發明的一實施例中，上述具有產生散光面的透鏡由一液體和一聚合物膜所組成。透鏡適於藉由液體及聚合物膜變化形狀。

在本發明的一實施例中，上述具有散光面的透鏡包括一控制元件以及至少一電極。控制元件經由至少一電極連接透鏡。控制元件根據顯示元件顯示的畫面以至少一電極控制透鏡而產生散光面。

在本發明的一實施例中，上述的頭戴式顯示裝置還包括一感測器，適於感測一眼球移動。控制元件根據感測器所感測到眼球的移動而控制透鏡。

在本發明的一實施例中，上述透鏡由多焦點鏡片所組成。

在本發明的一實施例中，上述透鏡的散光面具有不同的多個散光區域。

在本發明的一實施例中，上述具有產生散光面的透鏡可以相對於顯示元件轉動、移動或傾斜。

在本發明的一實施例中，上述的頭戴式顯示裝置還包括一感測器以及一控制元件。感測器適於感測一眼球移動。控制元件根據感測器所感測到眼球的移動而控制具有產生散光面的透鏡。

基於上述，在本發明的頭戴式顯示裝置中，透鏡組的多個透鏡的其中之一在遠離顯示元件的一側具有一散光面。散光面為非旋轉對稱，且可使影像光束傳遞通過後具有像散像差。因此，可使顯示元件中遮光區無法在人眼中成像，進而減少人眼觀察頭戴式顯示裝置所提供的影像因遮光區所產生的紗窗效應。

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為本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的立體示意圖。本發明一實施例提供一種頭戴式顯示裝置100，可讓使用者配戴並達到體驗虛擬實境（virtual reality）、擴增實境（augmented reality）或混合實境（mixed reality）的效果。在本實施例中，頭戴式顯示裝置100包括一本體110、一顯示元件120、兩透鏡組130以及穿戴件140。在其他實施例中，各部件的種類及數量可依需求或應用情境而有所調整，本發明並不限於此。

在本實施例中，頭戴式顯示裝置100，包括一本體110、一顯示元件120以及兩透鏡組130。本體110例如是外殼及光學系統的組合，其中光學系統搭載於外殼內，光學系統例如由顯示元件120以及兩透鏡組130所組成。在本實施例中，本體110包括一穿戴件112，適於穿戴於使用者頭部，但本發明並不限於此。顯示元件120可以是內建顯示裝置或外加的可攜式顯示裝置（例如智能手機等），本發明不限於此。

圖2為圖1的顯示元件的局部顯示面示意圖。請參考圖1及圖2。顯示元件120配置於本體110，適於提供一影像光束L。顯示元件120的種類可依據頭戴式顯示裝置100應用在虛擬實境系統（virtual reality system）、擴增實境系統（augmented reality system）或混合實境系統（mixed reality system）中而有所調整。而光學系統包括兩透鏡組130等用於改變自顯示元件120光路的光學元件，例如為透鏡、導光件或稜鏡等，本發明並不以此為限。在本實施例中，顯示元件120包括以陣列排列的多個顯示畫素122以及用以分隔顯示畫素122的多個遮光區124。

兩透鏡組130配置於影像光束L的傳遞路徑上。各透鏡組130包括多個透鏡，其中透鏡的至少其中之一在遠離顯示元件120的一側具有一散光面，其中透鏡的至少其中之一在鄰近顯示元件120的一側具有一菲涅耳表面。

圖3為圖1的部份透鏡組在YZ平面的側視示意圖。圖4為圖1的部份透鏡組在XZ平面的側視示意圖。圖5為圖3及圖4疊加而成的側視示意圖。請參考圖1、圖3至圖5。舉例而言，在本實施例中，各透鏡組130包括具有屈光率的一透鏡132，且在此透鏡132中，遠離顯示元件120的一側為散光面SA，而鄰近顯示元件120的一側則為菲涅耳表面SF。換句話說，在本實施例中，透鏡132同時具有散光面SA以及菲涅耳表面SF，但本發明並不限於此。在一些實施例中，散光面SA以及菲涅耳表面SF亦可以分別配置於不同的透鏡上。舉例而言，在本實施例中，菲涅耳表面SF與散光面SA分別為透鏡132的入光面與出光面。

散光面SA為非旋轉對稱、曲面，且配置作為出光面，可使影像光束L傳遞通過散光面SA後具有像散像差。詳細而言，散光面SA在平行於一X方向及一Z方向所形成平面的一平面上的截線曲率（如圖3所顯示的散光面SA_XZ）不同於在平行於一Y方向及Z方向所形成平面的一平面上的截線曲率（如圖4所顯示的散光面SA_YZ），如圖5所顯示的曲率差異。舉例而言，散光面SA例如為橢圓體面。上述X方向、Y方向及Z方向為相互垂直，且影像光束L（如圖1所顯示）沿平行Z方向的一方向傳遞。

因此，影像光束L傳遞通過散光面SA後因散光面SA的不對稱特性而產生像散像差，可使得使用者所觀看到的影像產生輕微模糊，進而減少顯示元件120中遮光區124（見如圖2）在人眼中的成像效果。換句話說，顯示元件120中遮光區124的成像可藉由上述影像的散光效果產生輕微模糊而無法在人眼中成像。如此一來，可減少人眼觀察頭戴式顯示裝置100所提供的影像因遮光區124所產生的紗窗效應。

另一方面，菲涅耳表面SF為旋轉對稱，且配置作為入光面，可節省整體透鏡組130的體積。菲涅耳表面SF可配置於具有散光面SA的透鏡132中。然而，在其他實施例中，菲涅耳表面SF亦可配置於其他透鏡中，本發明並不限於此。

圖6為另一實施例的部份透鏡組在YZ平面的光路示意圖。圖7為圖6的部份透鏡組在XZ平面的光路示意圖。圖8為圖6的部份透鏡組的立體光路示意圖。請參考圖1、圖6至圖8。本實施例所繪示的透鏡132A至少可應用於上述圖1實施例所繪示的兩透鏡組130，故以下說明將以應用於圖1實施例所繪示的兩透鏡組130，但本發明並不限於此。在本實施例中，當顯示元件120所提供的影像光束L傳遞通過散光面SA後，由於散光面SA在平行於X方向及Z方向所形成平面的一平面上的截線曲率不同於在平行於Y方向及Z方向所形成平面的一平面上的截線曲率，故影像光束L傳遞通過散光面SA的其中一部份的成像焦平面與傳遞通過散光面SA的其中另一部份的成像焦平面不同。

具體而言，在本實施例中，散光面SA在平行於Y方向及Z方向所形成平面的一平面上的截線曲率大於在平行於X方向及Z方向所形成平面的一平面上的截線曲率。因此，當影像光束L在傳遞通過散光面SA後，平行於Y方向的部份影像光束L1在成像焦平面E1所形成焦點F1的焦距將大於平行於X方向的部份影像光束L2在成像焦平面E2所形成焦點F2的焦距，如圖6至圖8所顯示。如此一來，影像光束L傳遞通過散光面SA後因散光面SA的不對稱特性而產生像散像差，可使顯示元件120中遮光區124無法在人眼中成像，進而減少人眼觀察頭戴式顯示裝置100所提供的影像因遮光區124所產生的紗窗效應。

在一些實施例中，具有散光面的透鏡可為液晶透鏡。詳細而言，具有散光面的透鏡包括一液晶層以及分別調控液晶層不同軸向的兩電極結構。因此，可藉由操控兩電極結構的調製，以使液晶層中的液晶材料在不同方向分佈上具有不同折射率，進而在相互垂直兩方向上產生不同的等效截線曲率。如此一來，當影像光束傳遞通過散光面後，會因散光面的不對稱特性而產生像散像差，可使顯示元件中遮光區無法在人眼中成像，進而減少人眼觀察頭戴式顯示裝置所提供的影像因遮光區所產生的紗窗效應。

此外，在一些實施例中，具有散光面的透鏡可為液態透鏡。液態透鏡例如是由一液體以及包覆所述液體的一聚合物膜所組成，液態透鏡適於藉由控制液體及聚合物膜變化形狀。詳細而言，液態透鏡包括一控制元件以及至少一電極，控制元件經由至少一電極連接至液態透鏡。在一實施例中，控制元件可以根據顯示元件所顯示的畫面以至少一電極控制液態透鏡，進而產生散光面。在另一實施例中，頭戴式顯示裝置中還可包括一感測器，用以感測使用者的一眼球移動狀態。控制元件則可根據感測器所感測到眼球的移動狀態而控制液態透鏡。換句話說，在此實施例中，液態透鏡所產生的散光面可隨著人眼的移動而適配性地微幅調整至最佳效果。如此一來，可使得使用者有較佳的視覺體驗效果。

此外，在一些實施例中，具有散光面的透鏡可為多焦點鏡片。因此，所形成的散光面可在多焦點鏡片上的多個不同區域形成多個不同光學條件的散光面。換句話說，多焦點鏡片上的散光面由不同的多個散光區域所組成，且這些散光區域的光學條件彼此不同。因此，在此實施例中，多焦點鏡片所產生的散光面可隨著人眼的移動而適配性地使用最佳效果的散光區域。如此一來，可使得使用者有較佳的視覺體驗效果。

除此之外，在上述的所有實施例中，具有散光面的透鏡可進一步相對於顯示元件轉動、移動或傾斜。舉例而言，頭戴式顯示裝置還可包括一感測器以及一控制元件，感測器適於感測使用者的一眼球移動，而控制元件則根據感測器所感測到眼球的移動狀態而控制具有產生散光面的透鏡。因此，可在使用者體驗頭戴式顯示裝置時，散光面隨著人眼的移動而適配性地微幅調整散光面的位置或角度至最佳位置或最佳角度。如此一來，可使得使用者有較佳的視覺體驗效果。

綜上所述，在本發明的頭戴式顯示裝置中，透鏡組的多個透鏡的其中之一在遠離顯示元件的一側具有一散光面。散光面為非旋轉對稱，且可使影像光束傳遞通過後具有像散像差。因此，可使顯示元件中遮光區無法在人眼中成像，進而減少人眼觀察頭戴式顯示裝置所提供的影像因遮光區所產生的紗窗效應。

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:頭戴式顯示裝置 110:本體 112:穿戴件 120:顯示元件 122:顯示畫素 124:遮光區 130:透鏡組 132、132A:透鏡 E1、E2:焦平面 F1、F2:焦點 L、L1、L2:影像光束 SA、SA_XZ、SA_YZ:散光面 SF:菲涅耳表面

圖1為本發明一實施例的頭戴式顯示裝置的立體示意圖。圖2為圖1的顯示元件的局部顯示面示意圖。圖3為圖1的部份透鏡組在YZ平面的側視示意圖。圖4為圖1的部份透鏡組在XZ平面的側視示意圖。圖5為圖3及圖4疊加而成的側視示意圖。圖6為另一實施例的部份透鏡組在YZ平面的光路示意圖。圖7為圖6的部份透鏡組在XZ平面的光路示意圖。圖8為圖6的部份透鏡組的立體光路示意圖。

100:頭戴式顯示裝置

110:本體

112:穿戴件

120:顯示元件

130:透鏡組

L:影像光束

Claims

一種頭戴式顯示裝置，包括：一本體；一顯示元件，配置於該本體，適於提供一影像光束；以及兩透鏡組，配置於該影像光束的傳遞路徑上，各該透鏡組包括多個透鏡，其中該些透鏡的其中之一在該顯示元件的至少一側具有一散光面，該散光面為非旋轉對稱，且該影像光束傳遞通過該散光面後具有像散像差。
如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該影像光束傳遞通過該散光面的其中一部份的成像焦平面與傳遞通過該散光面的其中另一部份的成像焦平面不同。
如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該散光面在平行於一X方向及一Z方向所形成平面的一平面上的截線曲率不同於在平行於一Y方向及該Z方向所形成平面的一平面上的截線曲率，該X方向、該Y方向及該Z方向為相互垂直，且該影像光束沿平行該Z方向的一方向傳遞。
如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該散光面為曲面。
如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中具有該散光面的該透鏡具有屈光率。
如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中具有該散光面的該透鏡在鄰近該顯示元件的一側具有一菲涅耳表面。
如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該些透鏡的另外其中之一在鄰近該顯示元件的一側具有一菲涅耳表面。
如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中該顯示元件包括以陣列排列的多個顯示畫素以及用以分隔該些顯示畫素的多個遮光區。
如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中具有該散光面的該透鏡為液晶透鏡。
如申請專利範圍第9項所述的頭戴式顯示裝置，其中具有該散光面的該透鏡包括一液晶層以及分別調控該液晶層不同軸向的兩電極結構，且該散光面在相互垂直兩方向上的截線曲率分別由該兩電極結構調製該液晶層而成。
如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中具有產生該散光面的該透鏡為液態透鏡。
如申請專利範圍第11項所述的頭戴式顯示裝置，其中具有產生該散光面的該透鏡由一液體和一聚合物膜所組成，該透鏡適於藉由控制該液體及該聚合物膜變化形狀。
如申請專利範圍第11項所述的頭戴式顯示裝置，其中具有該散光面的該透鏡包括一控制元件以及至少一電極，該控制元件經由該至少一電極連接該透鏡，該控制元件根據該顯示元件顯示的畫面以該至少一電極控制該透鏡而產生該散光面。
如申請專利範圍第13項所述的頭戴式顯示裝置，還包括一感測器，適於感測一眼球移動，該控制元件根據該感測器所感測到該眼球的移動而控制該透鏡。
如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中具有該散光面的該透鏡為多焦點鏡片。
如申請專利範圍第15項所述的頭戴式顯示裝置，其中該透鏡的該散光面具有不同的多個散光區域。
如申請專利範圍第1項所述的頭戴式顯示裝置，其中具有產生該散光面的該透鏡可以相對於該顯示元件轉動、移動或傾斜。
如申請專利範圍第17項所述的頭戴式顯示裝置，還包括一感測器以及一控制元件，該感測器適於感測一眼球移動，該控制元件根據該感測器所感測到該眼球的移動而控制具有產生該散光面的該透鏡。